浮选柱具有结构简单、能耗低、占地面积小、操作方便、适用于处理微细粒矿物等明显优点，得到了越来越广泛的应用，近年来，不仅应用在有色金属工业，在铁矿行业也取得了较好的应用效果[1]。除上述优点外，浮选柱也有其自身的局限性，浮选柱需要给矿量尽量稳定，否则会导致液位控制失效，严重影响分选指标，而实际生产中往往由于各种因素会导致给矿量大幅波动，当给矿量长时间过低时容易造成沉槽[2]，使柱体底部堆积大量矿物，清理难度大，将严重影响生产进度，所以需要定时巡视观察，自动化程度低、人力成本高，设备随时有沉槽风险，可靠性低。
为有效避免浮选柱出现沉槽现象，本文创新性地增加了补加水自动控制系统，辅助保持液位稳定，在外界条件发生波动时，通过pid算法调节底阀开度控制液位稳定，并辅以的补加水控制，构成高可靠性液位优化控制系统。本文研究的优化控制方案已应用到庙沟铁矿工业现场，液位控制稳定，成功避免了由于给矿大幅波动引起的沉槽现象，提高了工厂自动化程度、增强设备可靠性、节省维护成本。
1 浮选柱液位控制系统
1.1 浮选柱分选原理
浮选柱柱体的横断面为圆形或方形，加药搅拌后的矿浆从中上部给入，利用空气充气器将空气从柱体底部给入，分散成微小的气泡，气泡分布于柱体的整个断面并沿柱体上升，上升的气泡和下降的矿粒发生碰撞并矿化[3]。疏水矿粒粘附于气泡上，并随气泡一同升至泡沫层，通过刮矿板或自流排出；亲水矿粒在重力作用下由底流排出。对于正浮选工艺流程，浮选柱泡沫产品是精矿，对于反浮选工业流程，泡沫产品是尾矿，底流排出的是精矿。通常把浮选柱体划分为两个区域：泡沫区和捕集区，两个区域的分界面即液位，液位是影响浮选柱产品质量和回收率的一个直接因素，因此需要液位自动控制系统保证液位相对稳定地处于合适的高度。
1.2 液位控制系统结构
浮选柱的液位控制方式主要是调节给矿量和排放量，而在实际生产中给矿量通常与浮选流程上的多个工艺流程相关，所以只能靠改变排放量调节液位的高低。铁精矿脱硅用浮选柱采用反浮选工艺，精矿从底部排出，液位控制系统实时检测当前液位高低不断调节底阀的开度，从而保证液位稳定，具体系统结构如图１所示。
图１ 反浮选液位控制系统结构示意图
浮选柱中采用激光测距仪和浮子式液位检测装置检测液位。浮球内置于具有消泡和抗矿浆扰动的隔离桶中，液位的升降联动浮球上端连接的反射盘，激光传感器测距随着变化，输出4-20ma电流对应信号，通过标定及换算确定液位的高度。
液位控制系统实时采集矿浆液位高度，通过专家控制系统运算，输出控制信号给底阀，从而控制阀门开度大小，达到控制液位的目的。
2 液位优化控制方案设计
2.1 硬件设计
传统的液位控制系统仅通过采集实时液位控制底阀调节液位，这种单一的调节方式在给矿量波动不大的情况下有效，当给矿量大幅上升或下降时，调节速度慢，并且很可能底阀在最大值或最小值保持都无法达到控制液位的目的。为避免这种情况，从系统结构上增加了一套补加水控制系统，保证液位随时稳定，见图1中虚线框中所示。
补加水控制系统由电动水阀和plc系统组成，其中plc系统可以利用原有液位控制系统的plc及其扩展模块，无需增加其他硬件设备，安装简便，成本低。
2.2 控制原理
液位控制采用pid控制方式，鲁棒性强、控制效果好。通过液位测量系统实时检测液位，与液位设定值比较，将差值传给pid控制系统运算，运算结果转换为4-20ma直流电流信号控制底阀的开度调节液位，构成一个闭环控制系统，见图2。
图2 液位控制系统原理框图
图3 液位优化控制系统原理框图
图3所示为优化后的液位控制系统原理图，专家算法与补加水阀组成辅助液位控制系统，辅助液位控制系统与原有液位pid控制系统结合，构成液位优化控制系统。当检测到液位时，通过专家算法运算，不仅通过pid调节控制底阀调整液位，而且能判断pid调节是否能达到要求，控制补加水阀的开启和关闭。这套液位优化控制系统能在给矿量发生大幅变化，传统pid调节失效的情况下发挥良好的控制作用，保证液位稳定。
2.3 算法及软件设计
（1）pid算法
pid控制器由比例单元（p）、积分单元（i）和微分单元（d）组成。其输入e (t）与输出u (t）的关系为：u(t)=kp*[e(t)+1/ti∫e(t)dt+td*de(t)/dt]。
式中积分的上下限分别是0和t，因此它的传递函数为：g(s)=u(s)/e(s)=kp*[1+1/(ti*s)+td*s]，其中kp为比例系数；ti为积分时间常数；td为微分时间常数。
（2）优化控制算法
优化控制算法的流程图见图4。在原有pid控制底阀输出量的基础上增加补加水控制，补加水阀开启的条件为：底阀保持在下限运行，定时一段时间后液位仍低于警戒线，标志着pid调节无法解决液位过低的问题，则开启补加水阀，快速加水，防止液位长时间过低导致的沉槽现象。
当水阀开启一定时间后，液位稳定，pid调节重新生效，当底阀开度大于一定值时，可以关闭补加水阀，使系统自动运行。
本文的开发环境采用step 7-micro/win，部分相关优化控制梯形图程序如下：
（3）防沉槽设计
液位优化控制系统保证液位在外界大干扰下稳定运行，并能有效防止沉槽的发生，主要从以下方面进行了防沉槽设计，增强系统的鲁棒性及可靠性。
① 设置阀门限位保护
底阀控制矿浆的排出量，由于矿粒的有一定的摩擦性及沉降速度，若阀门开度过低，不但容易磨损，还易造成阀门的堵塞，从而导致沉槽。为解决这个问题，控制系统软件设置了阀门的上限和下限，在自动运行时，阀门可以自动限位保护，从而防止堵塞的发生。
② 补加水控制系统
通过增加一套补加水控制系统随时补偿液位，在pid调节无法达到要求时智能控制补加水阀，使液位快速回到稳定值。软件人机界面灵活的设置补加水临界条件及关阀条件，可根据实际生产状况设定，在实际生产中有效地避免了因给矿量过低而导致的沉槽。
③ 沉槽预报警
给矿量过低时，液位低于下限，底阀长期保持下限运行也无法保证液位在设定值，这时开启补加水系统可以有效防止沉槽。但其他原因造成的沉槽则无法避免，比如粒度过粗，会导致底阀堵塞，此时底阀开启100%，液位过高，液位优化系统自动监测异常状况，通过专家系统判断是否有沉槽风险，快速报警提醒现场工人巡视，及时防止沉槽现象的发生。
图4 优化控制算法流程图
3 工业试验结果与讨论
该液位优化控制系统已在庙沟铁矿进行工业化试验，庙沟铁矿隶属于河北钢铁集团公司，年产铁精粉86万吨，精矿品位多在fe63-65%之间，其中二氧化硅含量在7%以上，为进一步提高精矿品位，采用浮选柱进行反浮选试验。
利用液位优化控制系统对试验浮选柱进行液位控制，观察并记录试验数据。图5为试验过程中液位（泡沫层厚度）数据变化曲线图，此时泡沫层厚度设定为300mm，从图5可以看出液位波动在±15mm之内，达到浮选柱液位稳定性的要求。
图5 泡沫层厚度曲线图
液位优化控制系统在试验的两个月中稳定运行，并成功避免多次沉槽，包括开启补加水控制系统和及时报警排除故障两方面。图6为工业试验中液位波动与补加水阀自动开启曲线图。
图6 液位波动与补加水阀自动开启曲线图
图6试验结果表明，当液位过低时pid调节失效，阀门长期下限运行，有沉槽风险时，补加水系统可自动工作，开启补加水阀，快速加水。图6中第二个曲线图中蓝色线标识补加水阀，当开到100%时说明补加水阀开启。
长期试验证明，液位优化控制系统使液位控制更加稳定，抗干扰能力增强，能有效避免沉槽的发生。
4 结 论
浮选柱液位稳定是保证产品质量和回收率的重要因素，采用自动补加水优化控制系统的应用效果表明：
（1）工业生产过程干扰大、异常状况多，液位优化控制系统可以在液位出现大波动时，使液位快速稳定到设定值，补加水辅助控制系统解决了传统单独pid调节无法调节的情况。
（2）补加水控制系统及专家系统预报警，可以有效解决工业应用中浮选柱易沉槽的不足，有效避免沉槽现象的发生。
（3）液位优化系统增强了浮选柱自动运行的可靠性，保证了生产指标的稳定。
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