智能型黃泥灌漿系統(tǒng)水土比調(diào)節(jié)優(yōu)化

徐祿均，孔慶忠，王 杰

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

煤炭自燃是煤礦開采過程中引發(fā)礦井火災(zāi)的一個重要原因。我國存在有煤礦自燃的礦井占礦井總數(shù)的56%，煤礦火災(zāi)會給礦井帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，是制約煤礦高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)的主要因素之一。

防止煤炭自燃的方法很多，其中黃泥灌漿作為防止煤炭自燃的主要措施被納入《煤礦安全規(guī)程》，越來越多的智能型黃泥灌漿設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，并取得了一定的防滅火效果。但目前的智能型灌漿設(shè)備在進(jìn)行水土比調(diào)節(jié)時，電動調(diào)節(jié)閥動作較為頻繁，容易損壞，且其控制系統(tǒng)為開環(huán)控制，不宜保證泥漿質(zhì)量。水土比過大，導(dǎo)致泥漿過稀，防滅火效果差；水土比過小，導(dǎo)致泥漿過稠，輸送過程中容易堵塞管路，所以對灌漿系統(tǒng)的水土比調(diào)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化具有重要意義。

1 黃泥灌漿水土比調(diào)節(jié)整體方案設(shè)計(jì)

水土比調(diào)節(jié)是智能型黃泥灌漿系統(tǒng)中比較重要的一個環(huán)節(jié)，水土比調(diào)節(jié)系統(tǒng)的好壞將直接影響到泥漿的質(zhì)量，對防滅火效果有重要影響。目前應(yīng)用較多的智能型黃泥灌漿系統(tǒng)多為開環(huán)控制，其原理框圖如圖1所示。黃土經(jīng)由螺旋給料機(jī)、帶式輸送機(jī)進(jìn)入制漿機(jī)，清水經(jīng)由電動調(diào)節(jié)閥、電磁流量計(jì)進(jìn)入制漿機(jī)，在制漿機(jī)中攪拌、磨削、混合，混合后的泥漿經(jīng)由輸送管路輸送到井下灌漿地點(diǎn)。

圖1 黃泥灌漿給料系統(tǒng)原理框圖

在給定制漿量的情況下，通過皮帶秤稱量黃土重量，根據(jù)單位時間內(nèi)的給土量調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥開度，從而控制給水量。該系統(tǒng)的水土比調(diào)節(jié)簡單，但其泥漿質(zhì)量不宜保證，影響防滅火效果，針對此問題，設(shè)計(jì)出的水土比調(diào)節(jié)和檢測系統(tǒng)框圖如圖2所示。

螺旋給料機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)螺旋給料機(jī)轉(zhuǎn)速從而控制單位時間內(nèi)給土量，黃土從螺旋給料機(jī)出來進(jìn)入帶式輸送機(jī)，帶式輸送機(jī)上的皮帶秤對黃土進(jìn)行稱量，經(jīng)PLC程序處理，得到單位時間內(nèi)的給土量；按照給定水土比，計(jì)算出單位時間內(nèi)所需給水量，通過調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)給水量，并將電磁流量計(jì)檢測到的單位時間給水量反饋給PLC。在攪拌池中安裝一泥漿濃度計(jì)，并將其測量值與設(shè)定泥漿濃度進(jìn)行對比，形成閉環(huán)控制，根據(jù)差值大小適當(dāng)調(diào)整給土量，以形成質(zhì)量較好的泥漿。

圖2 水土比調(diào)節(jié)和檢測系統(tǒng)框圖

2 水土比調(diào)節(jié)電氣系統(tǒng)

智能型黃泥灌漿系統(tǒng)采用PLC300作為控制中心，其中的水土比調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由螺旋給料機(jī)、皮帶輸送機(jī)、稱重傳感器、電動調(diào)節(jié)閥、電磁流量計(jì)和泥漿濃度計(jì)組成，其電氣系統(tǒng)框圖如圖3所示。

作為檢測元件的稱重傳感器、電磁流量計(jì)和泥漿濃度計(jì)分別將測得的單位時間內(nèi)的給土量、給水量和泥漿濃度轉(zhuǎn)換為4mA～20mA電流信號傳給PLC的模擬量輸入模塊SM331，經(jīng)PLC程序處理，由PLC模擬量輸出模塊SM332輸出0V～10V電壓信號，控制螺旋給料機(jī)轉(zhuǎn)速和電動調(diào)節(jié)閥開度，通過電磁流量計(jì)和泥漿濃度計(jì)的實(shí)時監(jiān)測，將單位時間內(nèi)的給水量、給土量和泥漿濃度數(shù)據(jù)反饋給PLC，經(jīng)過與設(shè)定值的比較，對給土量和給水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了單位時間內(nèi)給土量和給水量的精確控制。上位機(jī)采用工業(yè)平板電腦，其與PLC300之間采用MPI或TCP／IP通訊，將各傳感器采集的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，并在上位機(jī)中的組態(tài)監(jiān)控畫面中實(shí)時顯示。

3 水土比調(diào)節(jié)程序設(shè)計(jì)

西門子PLC300采用模塊化編程，將水土比調(diào)節(jié)編寫成一個子程序功能FC，由主程序0B1進(jìn)行調(diào)用。

由于黃土黏性較大，因此螺旋給料機(jī)會出現(xiàn)給料不均現(xiàn)象，皮帶秤測得單位時間內(nèi)的給土量不斷變化，從而導(dǎo)致給水量隨之實(shí)時變化，電動調(diào)節(jié)閥由于開度調(diào)節(jié)過于頻繁使得其較易損壞，影響整個設(shè)備的運(yùn)行。針對此問題，改進(jìn)水土比調(diào)節(jié)子程序，給土量調(diào)節(jié)、給水量調(diào)節(jié)和泥漿濃度檢測調(diào)節(jié)程序流程如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 給土量調(diào)節(jié)子程序流程圖

圖5 給水量調(diào)節(jié)子程序流程圖

設(shè)置時間中斷子程序的中斷周期為200ms，在中斷子程序塊OB35中每200ms對稱重傳感器采樣一次，將每次采樣值累加并存入DB數(shù)據(jù)塊，連續(xù)采樣300次，得到1min時間內(nèi)300次采樣值的總和，然后求得1min內(nèi)的單位時間給土量的平均值，把該平均值作為1min內(nèi)的單位時間給土量a。

圖6 泥漿濃度檢測調(diào)節(jié)程序流程圖

在子程序功能FC中計(jì)算單位時間給土量a所對應(yīng)的單位時間給水量為c（m3／h）：

其中：b為給定水土比（通過上位機(jī)軟件設(shè)置）。

設(shè)置c的范圍為（c-3，c+3），當(dāng)實(shí)際給水流量在該范圍內(nèi)時，電動調(diào)節(jié)閥不動作；當(dāng)實(shí)際給水流量大于其最大值時，電動調(diào)節(jié)閥開度減?。划?dāng)實(shí)際給水流量小于其最小值時，電動調(diào)節(jié)閥開度增大。

在時間中斷程序塊OB35中設(shè)置計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到300（即1min）時，對泥漿濃度采樣一次，連續(xù)采樣10次，取泥漿濃度采樣和的平均值d作為該段時間（10min）內(nèi)的泥漿濃度值，與設(shè)定濃度值進(jìn)行比較。當(dāng)d小于最小設(shè)定濃度時，增加螺旋給料機(jī)變頻器頻率，增加給土量；當(dāng)d大于最大設(shè)定濃度時，減小螺旋給料機(jī)變頻器頻率，減小給土量。

4 結(jié)論

經(jīng)過優(yōu)化后的水土比調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水土比的自動調(diào)節(jié)，使用泥漿濃度計(jì)進(jìn)行泥漿濃度的檢測和濃度信息反饋，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)形成閉環(huán)控制。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)可行，泥漿質(zhì)量高，對提高智能化制漿機(jī)的自動化和泥漿質(zhì)量具有重要意義。對水土比調(diào)節(jié)程序進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，解決了由于給土量不斷變化引起的電動調(diào)節(jié)閥開度頻繁調(diào)節(jié)而損壞的問題，延長了電動調(diào)節(jié)閥的使用壽命，具有一定的經(jīng)濟(jì)意義。

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