MONSAG_一种新的用于测量半自磨机负荷的监控系统

粉碎半自磨机磨矿过程优化矿物加工

概述

矿石品位变低、可磨度变化、矿石可选性的波动和矿区经济状况对当今矿业提出了挑战。为了寻求规模经济效应，新的矿业项目考虑采用大的磨矿系统，这个磨矿系统采用双向变频器的.)!1左右的大功率无齿轮马达驱动。半自磨无齿轮驱动和直径为.0!22英尺的0!.)!1球磨机正用在现代化选矿厂中。更大型的球磨机也正在制造之中。高效、高可靠性和高处理能力有助于产生规模经济效应。全范围速度可变（从)到额定速度）的双向变频环型电动机驱动应用越来越广。更为普遍的是，矿山多数位于海拔.)))3以上的高纬度地区，这对安

全和工效提出了挑战。对维修人员来说，在恶劣工业条件下（通常是时间紧、海拔高、沉重的工具和机械硬件）安全是一个非常值得关注的问题。

图’绘出了一幅无齿轮传动磨机示意图，图中的机械能量传递是通过定子与电动机的极之间的电磁作用而进行。由于这个过程包括了质量流、原料及能量的变化，半自磨机的筒体受到钢球撞击，导致高能量损失，同时加速了钢球和衬板的损坏。这些有害影响是半自磨机内负荷动态变化的结果。自磨机的变量主要有给矿量、装球量、衬板外形、负荷充填率和磨机转速等。

图.绘出了包含一个半自磨机和两段球磨机的典型的磨矿回路。磨矿功率分配给半自磨机和球磨机。一般地，当半自磨机停止运转时，两台球磨机也应停止运转。图,绘出了磨机内的运动状况。提升板提升负荷，使钢球发生抛落和泻落式运动。负荷

图(高能无齿轮驱动半自磨机

动力学主要受磨机转速、衬板几何形状、颗粒粒度分布、负荷流变性及负荷充填率所决定。半自磨机的非程序性停机故障主要是由磨机衬板损坏、过多的磨矿介质（钢球）损耗、能量丧失（415／6）降低磨机的可用性及成本增加造成的。此外，磨机内钢与钢之间的非生产性损耗以及由此产生的过多的碎片（钢球损耗）导致了全世界各地磨矿效率的降低。球磨机内负荷的变化使磨矿过程改变，从而对过程的稳定性和优化提出了挑战。为了减轻这些问题，对磨机内物料的运动监测是必需的，其中负荷充填行为是最主要的操作变量。充填率过高会导致磨矿效果变差，而过低的充填率会对磨机衬板产生较大的损伤作用。通常通过测量轴承压力和用负荷传感器测量磨机的重量来监控磨机的充填率。然而，由于机械元件和校准不确定等原因，这些机械变量存在

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.国外金属矿选矿.))(82万方数据

图!典型的半自磨机回路

图"磨机内物料位置状态变化示意图

着不可靠、易受干扰、反应迟钝和变化大等缺点。

为了解决这些问题，一些研究人员作了大量的工作。他们的主要目的是采取适当的控制作用来避免上述操作问题。!"#$%&&"’"等人直接观察实验室规模球磨机，以对磨机内的充填行为建立模型。(")"’"*+等人采用离散元模型对负荷进行运动模拟。也可以通过在线测量建立模型。,%&-./等人用了装有应变仪的提升棒。01"*.叙述了一种应用流体静压力、承载压力、磨机功率和转速来测定磨机内的物料运动行为的方法。23%#/等人提出了一种对半自磨过程建立模型和测量半自磨机内运动参数的有趣的方法，开发出的软传感器的公式主要是以应用状态和参数估计为基础。4"5等人提出了以非接触声学测量为基础的方法，在该法中通过测量磨机表面的振动来感测磨机内负荷状态。为了探测对磨机筒体的有害影响，有的研究者提出了一种新的系统（冲击计），该系统在磨机周围装配一些传感器，以进行非接触声学测量。67*8等人对磨机内的冲击行为也进行了研究。9"’.等人叙述了一种名为92:分析器的非常有趣的装置，该装置能对磨机内

的总负荷进行在线测定，并且能够推断出磨矿介质的充填率，它是以安装在球磨机外壳表面上的由可充电电池供电的声学传感器的电子元件为基础，它通过无线通信传递信息。一个感应传感器用来进行同步位置测量。

上述方法的缺点与机械变量和仪器的侵入性关系密切。

9"’.等人讨论了一些新型装置的工业应用及其带来的经济效益。

本文介绍了以用数字信号处理电动机驱动电子信号方法为基础的非侵入法，该法可以在线监测圆筒磨机中的负荷充填率。它能对操作控制参数进行改进，如通过改变磨机转速和给矿量来优化磨机内物料的运动状态。这种方法能应用于任何同步电机磨矿系统中，而47*//等人只阐述了该法在无齿轮传动中的应用。本文同时还列出了实际工业应用的结果。

;方法

#$#背景

<=>92:是一种用来估计半自磨机负荷充填率的系统（正在专利申请中），它是以电动机电变量测量为基础。图?为<=>92:在无齿轮驱动磨机中的应用，图@为其在A B C驱动中的应用（发射仪表控制驱动（A B C$&+1%））。矿石块、钢球和矿浆组成了磨机内的主要内负荷，它与电动机转矩发生作用。在两种情形下，驱动电动机是同步电机，并被看作是一个传感器。电动机的内部变量构建了电磁矩和电磁通量。转矩、通量和转速属于系统的状态变量。

图%无齿轮驱动中的&’()*+

一般可在时域或频率域对磨机驱动动力学建立模型。两种方法都可用于对电子数字信号进行分析和合成。空间矢量的时间变化是!和"的非线性函数，如方程（;）所示，输出矢量#由方程（D）描述。

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D

D F F@G?国外金属矿选矿

万方数据

图!"#$驱动中的%&’()*

控制矢量!包括定子电压、同步电机的激励电流和磨机负荷产生的负载扭矩抗力。还可包括附加励磁，如作用在负载电池测量装置上的轴承压力或其它操作变量。控制系统的行为、控制器以及驱使并测量变量的传感器也可附加进去。另外（并不是必需）的输入励磁用噪声矢量!表示。噪声矢量代表了外部扰动及参数和测量变量的不确定性。输出矢量"代表输出变量。参数矢量"代表系统参数。为了简便起见，分别用#、$、#和%分别代替变量&、!、"和"的估计变量。控制问题实际上可看作是将估计变量的误差最小化，如方程!$"所示。

’&／’()*（&，!，!，"，(）（#）")+（&，!，!，"，(）（$）,%)&-#（!）,&)"-%（’）,()!-$（)）,!)"-#（"）

因为系统具有随机性，所以必须对变量进行处理。随机变量处理和分析必须采用统计方法进行。显然，测量越准确，估计愈准。边界条件和限制也应当考虑。当然，一些参数不能直接测量，因此可以定义一些辅助操作变量，这对在具体的应用框架中的进行相关性试验是很有用的。

+,-方法的理论基础

著名的场定向方法（交流电机的向量控制）用于处理电动机驱动的电变量：电压、电流、电磁矩、电磁通量及转速等。与机械变量相比，电变量具有更宽广的范围和更高的测量准确度，因此变量估计不确定性小，估计结果较好。轴承压力与负荷电池测量的数据具有较好的相关性。$实际应用和结果

该方法应用于!"*#+英尺—#),,,-.（##/$01）可变速半自磨机。该自磨机以$/’万2／3的处理量处理铜矿石。磨机采用于变频器控制环型电动机。同时，该法还用于负载补偿转换流器（456）反馈驱动的自磨机（$7*#’英尺半自磨机，功率为)$),81，处理量#/)万2／3）。

图""7示出了用该方法对过程控制稳定性所起的作用，通过"周的轴承压力测定控制与"周的09:;<=系统控制的统计数据对比，说明了在质量管理、处理量及能耗方面的改进效果。结果表明：使用这种新的系统后，磨机的处理量提高!/$>，能耗降低!/7>。并且能根据负荷充填率与给定值的偏差向操作者提出预先警告。

图.磨机与测量值拟合的改进

轴承压力与%&’()*预测值的比较

图/应用%&’()*来改进磨机的处理能力

图0应用%&’()*来改进磨机的单位能耗

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