Современные компьютерные технологии в области обогащения полезных ископаемых. Исторический экскурс. Примеры компьютерных пакетов

I. СОВРЕМЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБЛАСТИ ОБОГАЩЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

1.1. Исторический экскурс

За последние 40 с лишним лет моделирование (симуляция) процессов обогащения полезных ископаемых упрочилась как весьма важный инструмент для инженеров-обогатителей. Принципиальные сферы его применения включают проектирование, анализ/оптимизацию и управление технологическими процессами. В зарубежной литературе чаще используется термин «симуляция», как синоним понятия моделирование; однако, первый рассматривается гораздо шире, чем второй. Так в словаре (Encarta World Dictionary) даётся следующее определение: симуляция, - это создание математической модели для воспроизводства характеристик явления, системы или процесса, часто с использованием компьютера для того, чтобы получить информацию или решить проблемы. Благодаря широким возможностям, которые предоставляет нам современная компьютерная техника, симуляция позволяет из множества рассмотренных вариантов выбрать те, которые позволяют минимизировать затраты и риски.

Существуют главным образом три разновидности моделей, которые могут составить основу симуляции.

• Эмпирические: часто это набор алгебраических уравнений, полученных путём регрессионных или мультивариантных статистик, или нейронных сетей. Есть так называемые модели чёрного ящика, которые «обучаются» на наборах входных и выходных данных (например, уравнение Ф. Бонда есть полуэмпирическая модель).

• Феноменологические: часто это набор алгебраических или дифференциальных уравнений, полученных из некоторых инженерных, физических или химических положений, но требующие производственной калибровки (например, модели материального баланса).

• Фундаментальные: часто это набор алгебраических или дифференциальных уравнений, основанных на фундаментальных законах физики и химии, требующие минимальной калибровки (например, методы дискретных элементов, компьютерной динамики жидкостей и т.д.).

В историческом плане в развитии симуляции/моделирования можно выделить три периода.

− Период вплоть до начала 1960-ых годов. До появления дешёвой вычислительной техники и языков программирования высокого уровня сложность моделей ограничивалась несколькими алгебраическими или несколькими обыкновенными дифференциальными уравнениями. Подходящей иллюстрацией служит хорошо известная модель рабочего индекса Ф. Бонда, предложенная в 1952 году и связавшая удельные затраты энергии на разрушение с крупностью частиц. На протяжении многих лет уравнение Ф. Бонда используется при проектировании многих циклов стержневого и шарового измельчения и до сих пор является основой многих проектов обогатительных фабрик. Другой пример, - многочисленные уравнения гранулометрических характеристик продуктов рудоподготовки.

− Период от 1960-ых до 1980-ых годов. Хотя модель Ф.Бонда и играет большую роль при проектировании измельчения в барабанных мельницах, она не достаточно детализирована для целей использования при анализе и оптимизации работы циклов измельчения. В период с конца 1950-ых до начала 1960-ых годов внимание исследователей было сфокусировано на использовании феноменологических моделей. Общий подход основывался на хорошо известных методах/методиках расчёта массовых балансов(PBM). Многие университеты, включая Queensland, Witwatersrand, Utah, PennsylvaniaState, British Columbia, Alberta  начали публикации по созданию и применению таких моделей для анализа и оптимизации циклов рудоподготовки. Работа  A. D.Lynch и сотрудников в 1967 году есть убедительный пример одной из ранних попыток демонстрации возможностей и преимуществ такого подхода.

На протяжении следующего десятилетия 1970-1980 гг. интенсивно развивался PBM-simulation подход в части создания наилучших моделей и организации методологии касающейся калибровки (т.е. оборудования и правил для опробования, экспериментальных методик, методов массбалансирующих расчётов, способов оценки  параметров и т.д.). Важным моментом явилось включение моделирования и симуляции в учебные планы студентов университетов. Это привело к возрастанию числа инженеров-технологов, использующих новые знания в своей практике. Символично, что если в этот период времени в трудах SME по проектированию обогатительных фабрик появилась первая (и единственная) публикация (MularandHerbst, 1980), посвящённая введению в применение симуляции при проектировании/оптимизации, то в трудах по теории и практике рудоподготовки (1992 г.) было уже 15 статей на эту и подобные темы.

Вплоть до середины 1980-ых годов на основе работ различных исследователей и практиков разрабатывалось и программное обеспечение для симуляции и стала ясной необходимость создания коммерческого надёжного и совместимого программного продукта, а также стандартизованных методик. Реакцией на эту потребность стал реализованный в Канаде  проект Simulated РrocessingofOreandCoal (SPOC). Спонсировала этот проект (1984)  CANMET;  это была одна из первых совместных попыток промышленности, науки и правительства создать завершённый пакет хорошо задокументированных компьютерных программ, которые использовались бы для симуляции в промышленных условиях. Подобные попытки были и в других странах, и в 1984 г.  King и Ford опубликовали MODSIM, главным назначением которого было создание статического симулятора для процессов переработки минерального сырья. В 1986 г. научно-исследовательский центр при Квинслендском университете (JKMRC) предлагает первую коммерческую версию пакета JKSimMet, предназначенную для статического моделирования процессов рудоподготовки, а BRGM первую версию пакета USIMPAC. Все четыре пакета проходят интенсивное развитие на протяжении последующих около 20 лет. Рассматриваемый период показал явные преимущества феноменологического подхода к моделям над эмпирическим.