A generic plant-wide control structure is proposed for the optimal operation of a grinding mill circuit.
An economic objective function is defined for the grinding mill circuit with reference to the economic
objective of the larger mineral processing plant. A mineral processing plant in this study consists of a
comminution and a separation circuit and excludes the extractive metallurgy at a metal refinery. The
comminution circuit's operational performance primarily depends on the mill's performance. Since
grindcurves define the operational performance range of a mill, the grindcurves are used to define
the setpoints for the economic controlled variables for optimal steady-state operation. For a given
metal price, processing cost, and transportation cost, the proposed structure can be used to define
the optimal operating region of a grinding mill circuit for the best economic return of the mineral
processing plant. The plant-wide control structure identifies the controlled and manipulated variables
to ensure the grinding mill circuit can be maintained at the desired operating condition.
The plant-wide control framework specifies regulatory and supervisory control aims which can be
achieved by means of non-linear model-based control. An impediment to implementing model-based
control is the computational expense to solve the non-linear optimisation function. To resolve this
issue, the reference-command tracking version of model predictive static programming (MPSP) is
applied to a grinding mill circuit. MPSP is an innovative optimal control technique that combines
the philosophies of Model Predictive Control (MPC) and approximate dynamic programming. The
performance of the proposed MPSP control technique, is compared to the performance of a standard
non-linear MPC (NMPC) technique applied to the same plant for the same conditions. Results show
that the MPSP control technique is more than capable of tracking the desired set-point in the presence
of model-plant mismatch, disturbances and measurement noise. The performance of MPSP and NMPC
compare very well, with definite advantages offered by MPSP. The computational speed of MPSP
is increased through a sequence of innovations such as the conversion of the dynamic optimization
problem to a low-dimensional static optimization problem, the recursive computation of sensitivity
matrices, and using a closed form expression to update the control. The MPSP technique generally
takes only a couple of iterations to converge, even when input constraints are applied. Therefore,
MPSP can be regarded as a potential candidate for on-line applications of the NMPC philosophy to
real-world industrial process plants.
The MPSP and NMPC simulation studies above assume full-state feedback. However, this is not always
possible for industrial grinding mill circuits. Therefore, a non-linear observer model of a grinding mill
is developed which distinguishes between the volumetric hold-up of water, solids, and the grinding
media in the mill. Solids refer to all ore small enough to discharge through the end-discharge grate,
and grinding media refers to the rocks and steel balls. The rocks are all ore too large to discharge from
the mill. The observer model uses the accumulation rate of solids and the discharge rate as parameters.
It is shown that with mill discharge flow-rate, discharge density, and volumetric hold-up measurements,
the model states and parameters are linearly observable. Although instrumentation at the mill discharge
is not yet included in industrial circuits because of space restrictions, this study motivates the benefits
to be gained from including such instrumentation. An Extended Kalman Filter (EKF) is applied
in simulation to estimate the model states and parameters from data generated by a grinding mill
simulation model from literature. Results indicate that if sufficiently accurate measurements are
available, especially at the discharge of the mill, it is possible to reliably estimate grinding media,
solids and water hold-ups within the mill. Such an observer can be used as part of an advanced process
control strategy.
'n Generiese aanlegwye beheerstruktuur vir die optimale beheer van 'n maalmeulkring word voorgehou.
'n Ekonomiese doelwitfunksie is gedefinieer vir die maalmeulkringbaan met verwysing tot die
ekonomiese doelwit van die groter mineraalverwerkingsaanleg. 'n Mineraalverwerkingsaanleg bestaan
in hierdie studie slegs uit die vergruisings- en skeidingskringbane. Die ekstraktiewe metallurgie by
die metaal raffinadery word uitgesluit. Die vergruisingskringbaan se operasionele werksverrigting is
hoofsaaklik van die maalmeul se werksverrigting afhanklik. Aangesien maalkurwes die bereik van
die maalmeul se werksverrigting beskryf, kan die maalkurwes gebruik word om die stelpunte van die
ekonomiese beheerveranderlikes te definieer vir werking by optimale gestadigde toestand. Gegewe
'n bepaalde metaalprys, bedryfskoste, en vervoerkoste, kan die voorgestelde struktuur gebruik word
om die optimale werksgebied vir die maalmeulkring te definieer vir die beste ekonomiese gewin van
die algehele mineraalverwerkingsaanleg. Die aanlegwye beheerstruktuur omskryf die beheerveranderlikes
en manipuleerbare veranderlikes wat benodig word om die maalmeulkring by die gewenste
werksgebied te handhaaf. Die aanlegwye beheerstruktuur spesifiseer regulatoriese en toesighoudende beheer doelwitte. Hierdie
doelwitte kan bereik word deur gebruik te maak van nie-lineêre model gebaseerde beheer. Die probleem
is dat die bewerkingskoste om nie-lineëre optimeringsfunksies op te los 'n struikelblok is om model
gebaseerde beheer op industriële aanlegte toe te pas. Ter oplossing hiervan, word die stelpunt-volg
weergawe van model gebaseerde voorspellende statiese programmering (MVSP) toegepas op 'n
maalmeulkringbaan. MVSP is 'n innoverende optimale beheertegniek, en bestaan uit 'n kombinasie
van die filosofieë van model gebaseerder voorspellende beheer (MVB) en aanpassende dinamiese
programmering. Die verrigting van die voorgestelde MVSP beheertegniek word vergelyk met die
verrigting van 'n standaard nie-lineëre MVB (NMVB) tegniek deur beide beheertegnieke op dieselfde
aanleg vir dieselfde toestande toe te pas. Resultate dui aan dat die MVSP beheertegniek in staat is
om die gekose stelpunt te midde van model-aanleg wanaanpassing, steurnisse, en metingsgeraas te
volg. Die verrigting van MVSP en NMVB vergelyk goed, maar MVSP bied duidelike voordele. Die
bewerkingspoed vir MVSP word vinniger gemaak deur die dinamiese optimeringsprobleem in 'n laeorde
statiese optimeringsprobleem te omskep, die sensitiwiteitsmatrikse rekursief uit te werk, en deur
'n geslote uitdrukking ter opdatering van die beheeraksie te gebruik. Die MVSP beheertegniek benodig
normaalweg slegs 'n paar iterasies om tot 'n oplossing te konvergeer, selfs indien beperkings op die
insette toegepas word. Om die rede word MVSP as 'n potensiële kandidaat beskou vir aanlyntoepasings
van die NMVB filosofie op industriële aanlegte.
Die MVSP en NMVB simulasie studies hierbo neem aan dat volle toestandterugvoer moontlik is.
Hierdie is nie altyd moontlik vir industriële maalmeulkringbane nie. Om die rede is 'n nie-lineêre
waarnemingsmodel van 'n maalmeul ontwikkel. Die model onderskei tussen die volumetriese hoeveelheid
water, vaste stowwe, en maalmedia in die meul. Vaste stowwe verwys na alle erts wat klein
genoeg is om deur die uitskeidingsif aan die ontslagpunt van die meul te vloei. Maalmedia verwys
na rotse en staalballe in die meul, met rotse wat te groot is om deur die uitskeidingsif te vloei. Die
waarnemingsmodel maak gebruik van die ontslaantempo en die opeenhopingstempo van vaste stowwe
as parameters. Indien die meul se ontslagvloeitempo, ontslagdigtheid, en totale volumetriese aanhouding
gemeet word, is alle toestande en parameters van die waarnemingsmodel lineêr waarneembaar.
Alhoewel instrumentasie by die meul se ontslagpunt as gevolg van ruimte beperkings nog nie op
industriële aanlegte ingesluit word nie, dui hierdie studie die voordele aan wat verkrygbaar is deur
sulke instrumentasie in te sluit. 'n Verlengde Kalman Filter (VKF) word in simulasie gebruik om
die model se toestande en parameters af te skat. 'n Bestaande maalmeul simulasie model vanuit die
literatuur word gebruik om die nodige data vir die VKF te genereer. Resultate dui aan dat indien die metings akkuraat genoeg is, veral by die ontslagpunt van die meul, betroubare afskattings van die
volumetriese hoeveelheid maalmedia, vaste stowwe, en water in die meul gemaak kan word. So 'n
afskatter kan vorentoe gebruik word as deel van 'n gevorderde prosesbeheer strategie.
