使用液位計處理精礦流量異常狀態下的數據處理方法研究

1問題描述

精礦流量是浮選流程中重要的變量，但由于礦石性質、浮選粒度、浮選狀態及精礦泵特性等多方面因素的影響，精礦流量有時會出現異常變化，不但難以進行準確計量，而且無論是手動控制還是自動控制均無法做出判斷，異常情況如圖1所示。文獻[1]在分析鋅精礦礦漿特性參數和粒度分布的基礎上，介紹了臨界流速的確定及計算方法，輸送設備選型以及輸送系統的優化設計，從硬件角度解決穩定輸送高濃度鋅精礦的問題[1]，但鑒于實際遇到的異常現象并非一直出現，不同性質的礦漿蠕動泵運行效果并不一致以及設備更換周期等多方面因素，因此本文選擇從檢測和軟件方面著手。

2實例分析

隨著處理量和設備狀態等因素的變化，精礦流量開始異常，且持續的時間長度不固定，難以從根本上消除該異常情況，經過分析確定的整體處理流程如圖2所示。

程序以1s為周期循環執行，精礦流量是否正常通過精礦流量變化趨勢判斷，變化趨勢超過上限即為異常。若正常則按照固定周期進行滑動平均即可；若異常，處理方法如下。

2.1體積守恒補償

經過較長時間觀察，發現泵池體積約2m3，當精礦流量異常變化時，泵池液位也會隨之發生肉眼可見的變化，而同時進入泵池的流量則沒有同樣顯著的變化。常溫常壓下，精礦可被認為是不可壓縮流體，因此，建立體積守恒模型進行補償。加裝磁翻板液位計測量的液位及精礦流量如圖3所示。

由圖3可以看出，液位及精礦流量呈現明顯的負相關關系，因此有：

Fr=Fc+kΔV/Δt（1）

式中：Fr為精礦泵池入口流量；Fc為精礦泵出口流量計測量數值；k為單位換算系數；ΔV/Δt為精礦泵池單位時間內體積變化量，ΔV=（Lt-Lt-1）×S，為當前液位滑動平均值，S為泵池橫截面積。

補償后的流量如圖4所示。可以看出，精礦流量波動幅度顯著減小，但有較多跳變，尤其是在精礦流量快速變化時。

2.2簡化卡爾曼

在測量裝置性能、測量原理及泵池緩沖等因素影響下，體積守恒補償法在精礦流量拐點處會出現明顯不合理的跳變。

因此，使用文獻[2]中的簡化卡爾曼濾波法，即根據統計結果以及流量正常變化幅度的估計，選取適當標尺濾除幅度過大的跳變，迭代公式如下所示：

式中：Ft|t-1表示利用t-1時刻測量值Fc對t時刻狀態Ft的估計，t為當前時刻從1開始自增，sign為取符號運算，閾值0.5m3/h是根據流量變化統計結果選出，對補償結果的濾波效果如圖5所示。

2.3測量周期

經過體積補償和簡化卡爾曼兩次濾波之后，精礦流量波動幅度有所減小，但仍然有較明顯周期性波動。由于，精礦流量波動周期會有隨機性的變化，因此使用固定的濾波長度濾波，效果也不穩定，如圖6所示；對其進行全頻域分析又過于復雜。

因此，使用文獻[3]中的定義和方法：將兩次向上越過基準，且有1次向下越過基準視為1個完整的正弦狀周期；將兩次向下越過基準且有1次向上越過基準視為1個完整的負正弦狀周期；然后通過計數法測量主要波動周期。此處略作修改，只測量zui近1個測量值波動周期的長度，流程如圖7所示。同時由于精礦流量波動范圍有變化，所以需要一個浮動的基準值，此處選取較長時間的滑動平均值作為判斷基準，即可滿足要求。

為避免測量值在基準值附近波動造成的周期快速變化，當測量周期小于180s時，則周期循環×2，直至測量周期大于180s。因為2的8次方為256，所以循環次數不超過8次，計算負荷較小。得出zui近一個周期長度之后，以此作為滑動平均的窗口長度，對簡化卡爾曼濾波之后的結果再做滑動平均濾除周期性波動，zui終濾波效果如圖6虛線所示，方框處對應圖5所示部分。

以上所述方法共有3處固定長度的滑動平均，分別為：120s滑動平均、體積補償時的液位滑動平均、計算基準值3處固定長度的滑動平均。對此可采用文獻[4]中所述FMFT算法優化計算效率，即采用一個長度與窗口寬度相等的xianjin先出線性隊列，用原有隊列和值減去出列數據，加上入列數據，再除以隊列長度，即可完成滑動平均的更新，減少了加法次數。另外，還有1處異常時的變長度滑動平均，其余均根據當前時刻及上一時刻的數據進行計算。

存儲使用方面，緩存數量zui大為計算基準值所用數列，此處取600s，正常時的120s滑動平均可共用此緩存節省部分存儲資源。

如圖6所示，濾波后精礦流量變化波動幅度顯著減小，且能隨著測量值的變化給出比較及時的反應，從完全無法使用的測量值中得出較準確的估計值。

3結語

本文提出了對異常識別、體積守恒補償、簡化卡爾曼濾波和變長度滑動平均4種方法的綜合應用，zui終得出濾波結果。其中，異常識別目的是兼顧速度與平穩的需求，即正常時濾波速度要快，異常時可犧牲部分濾波速度，追求平穩性。體積守恒補償和簡化卡爾曼濾波，則是從機理上大幅度壓縮精礦流量波動范圍。zui后的變長度滑動平均，是將1個類正弦波動作為一個濾波窗口，進一步平抑周期性波動的影響，且半個周期即可更新一次，刷新速度較快，雖然在切換時會有一定的階躍變化，但經過前面的處理影響較小，并可再加入一個簡化卡爾曼濾波做平滑處理。經過以上處理之后，zui終可從異常波動無法使用的精礦流量中得到一個比較可靠的估計值。