Models are developed and verified with industrial data. These models are then controlled using
nonlinear model predictive control (NMPC). It was found that there are very few available dynamic
models for coal processes, other than the separation unit models developed by the author and study
leader. Additional dynamic models for a coal comminution circuit were also developed.
The mathematical details of the models developed for a coal plant are presented in this thesis. Model
system identification was used to solve for unknown model parameters, to fit the dynamic models to
actual industrial production data.
The specific coal unit process dynamic models developed and used in this thesis are:
• Vibratory feeders;
• Single- and double-deck screens;
• Bin with three compartments;
• A dense medium drum; and
• A dense medium cyclone.
Applying NMPC to the dynamic models allowed for simulated improvements to be made to the
comminution and separation circuits used in this research. It was shown that the throughput on a
comminution circuit could be increased by 3.6% resulting in a downstream separator yield improvement
of 3.2%. By applying NMPC to the separation circuit, it was shown that separation yield can be
improved by 6.9% with a decrease in product ash (improvement in grade) for a drum separator by
1.5% and cyclone separator by 0.4%.
The unscented Kalman filter (UKF) was simulated on the dynamic models developed to illustrate how
an actual controller could be implemented such that the dynamic model states could be updated over
time. The UKF acts as an observer such that unmeasured states can be fed back to the controller.
In summary, the thesis gives a realistic account for the application of NMPC for coal processing
and with the potential yield improvements of 10% (based on the 3.2% yield improvement due to
the comminution circuit control and the 6.9% improvement due to the separator circuit control),
could increase a South African coal company’s annual revenue by approximately R175.5 million per
annum.
A proposal regarding the application of NMPC for coal mine-wide optimisation is also given.
Afrikaans: Modelle is ontwikkel en geverifieer aan die hand van industriële data. Hierdie modelle is dan beheer
met behulp van nie-lineêre model voorspellende kontrole (NMVK). Daar is gevind dat daar baie min
dinamiese modelle vir steenkoolprosesse beskikbaar is buiten die skeiding-eenheid-modelle ontwikkel
deur die outeur en studieleier. Addisionele dinamiese modelle vir ’n steenkool-komminusie-aanleg is
ook ontwikkel.
Die wiskundige besonderhede van die modelle wat ontwikkel is vir ’n steenkool-aanleg word aangebied
in hierdie tesis. Modelstelsel-identifikasie is gebruik om oplossings te gee vir onbekende modelparameters
en om die dinamiese modelle te pas by die werklike industriële produksiedata.
Die spesifieke eenheidsproses steenkool dinamiese modelle wat geontwikkel en gebruik word in hierdie
tesis is:
• Vibrerende voerders;
• Enkel- en dubbel-dek skerms;
• Bin met drie kompartemente;
• ’N digte medium drom; and
• ’N digte medium sikloon.
Die toepassing van NMVK op die dinamiese modelle het toegelaat dat gesimuleerde verbeterings
aangebring kon word. Daar is getoon dat die deurset op ’n komminusie-aanleg 3.6% verhoog kan
word wat kan lei tot ’n stroomaf skeiding-opbrengs verbetering van 3.2%. Deur die toepassing van
NMVK op die skeiding-aanleg, is daar getoon dat skeiding-opbrengs met 6.9% verbeter kan word
met ’n afname in die produk-as (verbetering in graad) vir ’n drom skeier met 1.5% en sikloon-skeier
met 0.4%.
Die unscented Kalman filter (UKF) is nageboots op die dinamiese modelle wat ontwikkel is om te
illustreer hoe ’n werklike kontroleerder sodanig geïmplementeer kan word dat die toestand van die
dinamiese modelle met verloop van tyd opgedateer kan word. Die UKF dien as ’n waarnemer sodat
ongemete toestande teruggevoer kan word na die kontrolleerder.
Om op te som: die tesis gee ’n realistiese scenario vir die toepassing van NMVK op steenkoolverwerking.
Met die potensiële groter opbrengs van 10% (gebaseer op die 3.2% groter opbrengs as
gevolg van die kontrole van die komminusie-aanleg en die 6.9% groter opbrengs weens die kontrole
van die skeiding-eenheid) kan ’n Suid-Afrikaanse steenkoolmaatskappy se jaarlikse inkomste
met 175.5 miljoen per jaar styg.
Daar word ook ’n voorstel aan die hand gedoen oor die toepassing van NMVK vir die optimalisering
van die steenkoolmyn in sy geheel.
