Grinding mill circuit control from a plant-wide control perspective

Abstract

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.