礦山充填自動控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

王 金 姚占勇 宋 玉 王 磊 劉 琳

(1.五礦礦業(yè)(安徽)工程設(shè)計公司；2.機械工業(yè)第一設(shè)計研究院；3.北方工程設(shè)計研究院有限公司)

礦山充填自動控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

王 金1姚占勇1宋 玉1王 磊2劉 琳3

(1.五礦礦業(yè)(安徽)工程設(shè)計公司；2.機械工業(yè)第一設(shè)計研究院；3.北方工程設(shè)計研究院有限公司)

對于采用充填采礦法生產(chǎn)的礦山，充填料漿濃度和灰砂比是影響充填體強度的重要參數(shù)，必須控制在工藝要求范圍內(nèi)。針對充填及攪拌系統(tǒng)的特點，介紹了一種以S7-300PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，采用弱控制策略與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的方法，保證了整個充填系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定和靈活。在李樓鐵礦的應(yīng)用，表明該系統(tǒng)操作簡單方便，運行穩(wěn)定可靠，可提高充填作業(yè)的效率和質(zhì)量。

充填采礦法 PLC 濃度 灰砂比

礦產(chǎn)資源開發(fā)利用在我國具有重要的戰(zhàn)略意義，而礦山開采引發(fā)的環(huán)境破壞和廢料排放導(dǎo)致礦山環(huán)境惡化并造成嚴重的環(huán)境災(zāi)害，已成為相當(dāng)嚴峻的環(huán)境問題與社會問題[1]。尾礦充填可以最大限度地利用礦產(chǎn)資源，減少礦山廢料的產(chǎn)出，從根本上解決礦山生態(tài)環(huán)境破壞問題。目前，我國大部分地下礦山都選擇充填采礦方式，充填料的制備方式有很多種，對于尾砂充填來說，決定充填體強度的主要因素是膠結(jié)尾砂的濃度和灰砂比，因此，保證膠結(jié)尾砂濃度和灰砂比的穩(wěn)定和均勻顯得尤為重要[2]。

1 充填工藝簡介

安徽省霍邱縣李樓鐵礦采用的是尾砂自流膠結(jié)充填工藝，骨料為選廠的高濃度尾砂，與水泥按一定比例經(jīng)過活化攪拌后形成一定濃度的充填材料，以自流的方式輸送至井下采區(qū)。工藝流程見圖1。

圖1 充填工藝流程

2 控制對象及控制策略

整個充填系統(tǒng)采用自動化控制，根據(jù)工藝要求，充填料漿的平均灰砂比為1∶5，允許范圍為1∶(4～10)，料漿濃度不低于73%。為實現(xiàn)上述功能，將整個自動化控制系統(tǒng)分為若干環(huán)節(jié)，分別進行有效控制，各環(huán)節(jié)間通過參數(shù)實時傳遞，相互協(xié)調(diào)，以保證最終輸送至采區(qū)的充填料漿符合工藝要求。

2.1 充填料漿濃度控制

充填料漿濃度取決于尾砂料漿供料濃度及水泥添加比例。為了保證充填料漿濃度的穩(wěn)定，設(shè)置濃度控制系統(tǒng)。當(dāng)充填料漿濃度低于工藝要求值時，控制系統(tǒng)通過調(diào)整灰砂比使?jié)舛确瞎に囈?，?dāng)通過調(diào)節(jié)灰砂比也無法保證濃度工藝要求時，應(yīng)報警提示，并停止充填。當(dāng)充填料漿濃度高于要求值時，控制系統(tǒng)則通過控制攪拌桶補水管加水，使料漿濃度降至工藝要求范圍內(nèi)?？刂品绞綖榇夒p閉環(huán)控制，外環(huán)為濃度調(diào)節(jié)，并輸出內(nèi)環(huán)回路的輸入即補水量設(shè)定值;內(nèi)環(huán)為補水流量的PI調(diào)節(jié)，輸出電動閥門的開度控制值。原理見圖2。

2.2 灰砂比控制

充填料漿灰砂比的控制主要通過控制尾砂和水泥的流量來實現(xiàn)。通過檢測充填料漿流量值、濃度值、尾砂濃度，結(jié)合工藝要求的灰砂比，經(jīng)計算得到尾砂流量的給定值；實時檢測尾砂給料流量的實際值，根據(jù)灰砂比計算得到水泥給料流量的給定值。由于灰砂比沒有檢測手段，所以灰砂比控制實質(zhì)上屬于開環(huán)控制[3]。

圖2 濃度控制原理

2.3 尾砂流量控制

尾砂的流量控制采用普通閉環(huán)PID控制方式， 通過調(diào)節(jié)安裝在尾砂輸送管道上的電動夾管閥來實現(xiàn)對尾砂流量的控制。由于尾砂的濃度也是尾砂流量給定值計算的參數(shù)，而尾砂的濃度經(jīng)常波動,為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在計算尾砂流量給定值時采用弱控制策略,即實時計算結(jié)果與當(dāng)前給定值偏差小于5%時，不改變回路的給定值；當(dāng)超出5%時,將尾砂流量的給定值分為若干級,在某一級的給定范圍內(nèi)波動時,則給予相應(yīng)的固定參考值。

2.4 水泥流量控制

在整個控制系統(tǒng)中最重要的是保證充填料漿的灰砂比符合工藝要求，所以水泥流量的給定值是參照尾砂的實時流量和濃度；根據(jù)灰砂比、尾砂流量、尾砂濃度計算得到水泥的給定流量，水泥流量控制采用閉環(huán)PID控制方式。與尾砂的流量控制類似，水泥流量給定值的計算也采用弱控制策略，通過調(diào)節(jié)雙螺旋給料機的電機轉(zhuǎn)速以控制水泥給料。

2.5 料位控制

料位控制包括砂倉、水泥倉和攪拌桶的料位控制，砂倉和水泥倉的料位控制系統(tǒng)完成的功能比較簡單，料位達到極限位時報警即可，而攪拌桶的料位需要維持在某一水平以保持料漿獲得充分攪拌，為了保證尾砂和水泥物料流量控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，不允許攪拌桶料位控制系統(tǒng)對尾砂和水泥流量進行頻繁調(diào)節(jié)，所以采用仿人經(jīng)驗的簡單專家控制器對攪拌桶料位進行調(diào)節(jié)[4]。假設(shè)料位的測量值比料位給定上限高或比給定下限低，并且差值為e,根據(jù)人的操作經(jīng)驗，如果e總是為正，即料位長期偏低，則應(yīng)增大進料流量；若e總是為負，應(yīng)減小進料流量。

當(dāng)e連續(xù)3次大于0，則u(k)=u(k-1)+ae(k)；當(dāng)e連續(xù)6次大于0，則u(k)=u(k-1)+be(k)；當(dāng)e連續(xù)9次大于0，則u(k)=u(k-1)+ce(k)；當(dāng)e連續(xù)12次大于0，則u(k)=u(k-1)+de(k)；當(dāng)e連續(xù)3次小于0，則u(k)=u(k-1)-ae(k)；當(dāng)e連續(xù)6次小于0，則u(k)=u(k-1)-be(k)；當(dāng)e連續(xù)9次小于0，則u(k)=u(k-1)-ce(k)；當(dāng)e連續(xù)12次小于0，則u(k)=u(k-1)-de(k)。其中，e(k)為本次偏差;u(k)和u(k-1)為本次和上次物料流量控制輸出量;a、b、c、d為修正系數(shù)，應(yīng)滿足d>c>b>a，具體數(shù)值須根據(jù)更詳盡的現(xiàn)場經(jīng)驗來確定。

2.6 邏輯控制及報警機制

除了以上控制環(huán)節(jié)，整個控制系統(tǒng)還包括生產(chǎn)過程邏輯控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及報警機制等，當(dāng)充填過程中工藝參數(shù)出現(xiàn)異?；虿粷M足充填生產(chǎn)條件時，控制系統(tǒng)應(yīng)及時報警，甚至自動連鎖停車，這些是每個控制系統(tǒng)都不可或缺的部分。

3 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

自動控制系統(tǒng)由上位機、下位機、現(xiàn)場檢測儀器及執(zhí)行機構(gòu)組成，同時以視頻實現(xiàn)現(xiàn)場工作畫面的遠程監(jiān)控。另外，此系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接入礦山中央集控室，可實現(xiàn)超遠程實時監(jiān)控。系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。

圖3 充填控制系統(tǒng)的構(gòu)成

上位機選用穩(wěn)定可靠的工控機作為硬件組態(tài)軟件的載體，組態(tài)軟件為亞控科技的組態(tài)王，人機界面根據(jù)工藝流程及實際設(shè)備安裝情況設(shè)計,在主界面上顯示各監(jiān)測對象的實時數(shù)據(jù)及設(shè)備運行情況，并可以對灰砂比等參數(shù)重新設(shè)定以及控制設(shè)備啟停。

下位機為整個控制系統(tǒng)的核心，選用西門子S7-300可編程控制器(PLC)作為主站[5]。其主要作用是循環(huán)執(zhí)行根據(jù)工藝要求編制的控制程序，與上位機通訊并接受上位機控制指令，接收并處理現(xiàn)場檢測儀器采集到的實時數(shù)據(jù)以及發(fā)出執(zhí)行機構(gòu)的動作命令等。另外，系統(tǒng)應(yīng)具備自動和手動2種控制方式，切換無擾動，加料、加水、出漿等環(huán)節(jié)應(yīng)保持連續(xù)、平穩(wěn)，保證系統(tǒng)工作的可靠性和平穩(wěn)性。

現(xiàn)場監(jiān)測儀器主要包括料位計、流量計、濃度計及變送器。砂倉和水泥倉的料位選用雷達料位計檢測，攪拌桶料位選用超聲料位計檢測；尾砂、充填料漿和補加水的流量選用電磁流量計測量；水泥的流量采用沖板流量計檢測；尾砂和充填料漿的濃度選用核濃度計進行檢測；變送器主要用于檢測螺旋輸送機、攪拌桶和高速攪拌機等設(shè)備的運行狀態(tài)。

執(zhí)行機構(gòu)主要實現(xiàn)對各種物料流量的調(diào)節(jié)。尾砂和充填料漿的流量選用電動夾管閥調(diào)節(jié)，補加水的流量選用電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，水泥的流量調(diào)節(jié)設(shè)備則是雙管螺旋輸送機的變頻電機。

4 結(jié) 語

介紹了一種基于可編程邏輯控制器(PLC)并采用弱控制策略與傳統(tǒng)PID相結(jié)合的控制方式的自動化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，編程算法豐富，控制方式靈活可靠，結(jié)合上位組態(tài)軟件實現(xiàn)了工藝過程中參數(shù)的在線檢測與自動控制，并且可以對關(guān)鍵參數(shù)進行實時調(diào)整以適應(yīng)生產(chǎn)工藝的變化。該系統(tǒng)已在李樓鐵礦充填生產(chǎn)中應(yīng)用，相對于傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，減少了工人的數(shù)量，提高了充填效率和安全性，為礦山的綠色生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展做出了積極貢獻。

[1] 彭 倩.礦山充填的自動控制研究與應(yīng)用[D].西安：西安科技大學(xué)社,2011.

[2] 陳之功.尾砂充填自動控制系統(tǒng)[J].金屬礦山,2012(10):110-112.

[3] 杜繼宏,劉 成,馮元琨.工控機在礦山充填控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,1997(8):10-13.

[4] 趙望達,徐志勝,魯五一,等.礦山充填過程的智能控制技術(shù)與應(yīng)用研究[J].長沙鐵道學(xué)院學(xué)報,1999(4)：31-33.

[5] 廖常初．S7300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M]．北京:機械工業(yè)出版社，2008．

2015-03-18)

王 金(1980—)，男，主任，工程師，230601 安徽省合肥市武漢路230號。