自動控制系統(tǒng)在磷礦尾礦充填系統(tǒng)中的應(yīng)用

于昕(中藍(lán)連海設(shè)計研究院，江蘇 連云港 22004)

自動控制系統(tǒng)在磷礦尾礦充填系統(tǒng)中的應(yīng)用

于昕(中藍(lán)連海設(shè)計研究院，江蘇 連云港 22004)

介紹了磷礦企業(yè)在開采中使用尾礦漿充填技術(shù)的自控需求，及PLC在尾礦充填站的應(yīng)用。重點說明了尾礦充填的自動化控制方案及軟件硬件選型。尾礦充填自控系統(tǒng)投用后保證了充填工藝的工作效率，提高充填工藝的生產(chǎn)效率.

尾礦充填；PLC；自控方案

長期以來，現(xiàn)有的磷礦企業(yè)在地下開采過程中未對采空區(qū)進(jìn)行任何處理，加之部分礦房間柱不對稱，受地壓作用和波動影響，部分礦房間柱失穩(wěn)引發(fā)礦房頂柱垮塌，上部山體垮塌廢石逐步充填空區(qū)，導(dǎo)致原留設(shè)的礦房頂柱不足以支撐上部壓力，引起礦房頂柱垮塌，隨著采深的加大，地壓顯現(xiàn)愈來愈頻繁，已經(jīng)對采礦安全帶來了極大的威脅，同時導(dǎo)致礦石的回采率降低，資源損失較大，礦石的貧化率增大。而在磷礦選礦過程中會產(chǎn)出大量的尾礦，在傳統(tǒng)的處理方法就是修建尾礦庫露天堆放，這不但占用大量土地，還對環(huán)境造成污染。使用尾礦膠結(jié)充填技術(shù)不僅解決了尾礦堆積的污染和占地問題，更重要的是保障礦井的安全生產(chǎn)，提高了資源的回收率。我院利用尾礦膠結(jié)充填技術(shù)在甕福磷礦大塘礦區(qū)設(shè)計并建成了一座尾礦充填站。為了滿足對尾礦漿、細(xì)沙、水泥等3種物料在不同充填周期進(jìn)行不同配比的復(fù)雜要求，我們采用了可編程控制系統(tǒng)(PLC系統(tǒng)),對整個工藝過程進(jìn)行監(jiān)測和控制。在專業(yè)人員的努力下，經(jīng)過系統(tǒng)軟件組態(tài)、調(diào)試、聯(lián)動試車一系列工作后，取得了工業(yè)生產(chǎn)的成功。

1 尾礦充填系統(tǒng)描述

充填漿體由膠固材料（水泥）、骨料（細(xì)沙）和尾礦漿組成。攪拌系統(tǒng)將計量后的膠固材料（水泥）、骨料（細(xì)沙）和尾礦漿通過攪拌機(jī)強(qiáng)制攪拌后，由充填泵通過充填管道泵送到待充采空區(qū)。

攪拌系統(tǒng)由四部分組成：一是膠固材料（水泥）的給料和計量；二是骨料（細(xì)沙）的給料和計量，三是尾礦漿的添加和計量，四是攪拌系統(tǒng)。尾礦充填系統(tǒng)的主要檢測、控制儀表的設(shè)置見圖1。

對自控系統(tǒng)工藝提出以下主要要求：水泥倉的下料量的監(jiān)測，采用微粉秤裝置作為計量裝置，輸出信號顯示于儀表柜相應(yīng)的顯示器上并將輸出信號以4～20mA的形式傳送至PLC的AI卡件內(nèi)，通過PLC內(nèi)部運算來調(diào)節(jié)水泥倉進(jìn)料螺旋電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而保證水泥的給料穩(wěn)定。尾礦漿的流量測量，采用電磁流量計，電磁流量計的輸出信號傳送至PLC的AI卡件內(nèi)。PLC系統(tǒng)在上位操作站上顯示數(shù)據(jù)并采用調(diào)節(jié)輸送泵的變頻器來調(diào)節(jié)流量，從而保證尾礦漿流量的穩(wěn)定。細(xì)沙給料量監(jiān)測，用皮帶秤測量皮帶上細(xì)沙給料量，其監(jiān)測信號上傳至PLC系統(tǒng)，在上位計算機(jī)上監(jiān)測細(xì)沙給料量，采用調(diào)節(jié)圓盤給料機(jī)的變頻器來調(diào)節(jié)細(xì)沙給料量。在尾礦漿儲槽上設(shè)雷達(dá)液位計來測量液位，水泥倉的料位測量采用導(dǎo)波雷達(dá)料位計，其監(jiān)測信號顯示于上位計算機(jī)上。

2 尾礦充填系統(tǒng)自動控制方案

2.1 自控方案

自控方案以PLC控制系統(tǒng)為核心。整個充填控制系統(tǒng)包括砂石上料系統(tǒng)、水泥上料系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)以及充填砂漿輸送系統(tǒng)。對PLC控制系統(tǒng)主要有以下幾個方面的要求：砂漿的充填能力及砂漿充填的精度要求。尾礦漿給料流量80立方每小時，尾礦漿PH值為4-5；尾礦漿重量濃度：55%；礦漿密度1.53t/ m：尾礦干基度：2.7t/m；尾礦粒度-200目占75%～90%。破碎砂給料量為55.5t/h。水泥給料流量為0～18.4t/h，水泥為42.5級普通水泥。PLC系統(tǒng)具備兩種控制方式:自動控制和手動控制，自動控制和手動控制切換無擾動。砂石、水泥上料、尾礦漿添加、出漿等環(huán)節(jié)應(yīng)保持連續(xù)、平穩(wěn)，保證整個充填系統(tǒng)工作的可靠和平穩(wěn)。從充填砂漿的控制精度方面來說，砂石、水泥及尾礦漿的配比精度較高。穩(wěn)態(tài)工作下水泥、砂石配比誤差在5%以內(nèi)。系統(tǒng)控制采用定值控制。系統(tǒng)控制的難點在砂石計量回路存在滯后性。 本PLC系統(tǒng)控制的思路是在選取技術(shù)先進(jìn)適于現(xiàn)場測量的儀表基礎(chǔ)上，重點保證自控系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。具體的控制方案根據(jù)已知的系統(tǒng)充填能力、水泥砂石比、尾礦漿濃度計算出系統(tǒng)運行時所需的砂石上料量、水泥上料量、尾礦漿流量及充填砂漿出漿量，作為每個控制回路的初始值。首先穩(wěn)定尾礦漿的流量，然后穩(wěn)定砂石及水泥的給料量。在運行中，調(diào)節(jié)攪拌槽充填砂漿的濃度、充填砂漿的出漿量和攪拌槽的液位在系統(tǒng)要求的精度之內(nèi)?？刂品桨傅闹饕獌?nèi)容是砂石上料量控制、水泥上料量控制、尾礦漿的流量控制和攪拌槽的液位控制。控制算法采用比值模糊控制，即在4個回路控制中，以尾礦漿流量為基值調(diào)節(jié)砂石進(jìn)料量及水泥給料量。各控制參數(shù)在給定的誤差內(nèi)，小于系統(tǒng)要求的精度時控制信號保持不變的不控策略。當(dāng)實際誤差大于設(shè)定的誤差時，采取微調(diào)各控制參數(shù)，弱化各控制量滯后產(chǎn)生的調(diào)節(jié)波動。當(dāng)實際誤差長時間大于系統(tǒng)要求的精度時，系統(tǒng)進(jìn)行報警處理，要求人工進(jìn)行干預(yù)。另外，從系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮，系統(tǒng)在正常運行后，對各控制量的控制采取以充填砂漿流量為實測值，在系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)，來控制尾礦漿添加量和砂石及水泥量。攪拌桶內(nèi)充填料漿濃度和液位的控制通過調(diào)節(jié)尾礦漿流量和充填砂漿出漿量來保持在系統(tǒng)要求的精度范圍內(nèi)。上述方法弱化了控制回路的滯后性，減少了控制回路采用PID算法造成的調(diào)節(jié)波動，可使各控制回路保持獨立性，減少相互影響，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 系統(tǒng)軟件

PLC系統(tǒng)的上位操作軟件選用INTOUCH組態(tài)軟件。砂石進(jìn)料量、尾礦漿添加量、水泥進(jìn)料量進(jìn)行瞬時顯示和累積顯示、尾礦漿濃度、攪拌槽液位、水泥倉料位實時顯示。上位機(jī)的主界面為充填工藝流程圖，在流程圖上實時顯示工藝設(shè)備的工作狀態(tài)及操作參數(shù)。尾礦漿儲槽、水泥倉料位低于或高于設(shè)定值時，流程圖畫面中報警顯示。在上位機(jī)軟件中設(shè)置相應(yīng)報警來防止尾礦漿儲槽、水泥倉中料量過多溢出和備料不足。尾礦漿的濃度和流量在相應(yīng)工藝段同步實時顯示，對于尾礦漿流量顯示瞬時量和累積量。對于攪拌桶液位和充填料漿出漿量不僅在流程圖畫面上實時顯示，也有相應(yīng)的報警功能和工藝處理措施。

2.3 硬件選型

控制系統(tǒng)采用施耐德Premium系列PLC系統(tǒng)，在尾礦充填站系統(tǒng)控制室進(jìn)行監(jiān)控。分別將壓力、流量、液位、密度等工藝參數(shù)和電氣設(shè)備的運行狀態(tài)、部分電流信號、變頻電機(jī)調(diào)頻信號進(jìn)行集中采集，顯示、記錄、報警、控制、實時動態(tài)流程畫面顯示、設(shè)定參數(shù)的在線修改等，并可對電氣設(shè)備實行遙控啟/停，使操作人員能及時掌握和監(jiān)控生產(chǎn)進(jìn)度和各項指標(biāo)，有效地保證工藝流程操作的安全、穩(wěn)定，提高效率、降低能耗。

現(xiàn)場儀表的選型均選用4～20mA+HART協(xié)議的智能型儀表。所有現(xiàn)場儀表為全天候型，防護(hù)等級為IP65，都帶顯示表頭，中/英文組態(tài)，中文優(yōu)先，操作界面中文優(yōu)先。

3 結(jié)語

磷礦漿尾礦充填自控系統(tǒng)通過對充填工藝中存在的純滯后、控制穩(wěn)定性和可靠性上進(jìn)行優(yōu)化以及實現(xiàn)充填工藝的自動控制。尾礦充填自控系統(tǒng)保證了充填工藝的工作效率，提高充填工藝的生產(chǎn)效率有著重大意義。

[1]王新綏《膏體充填新工藝的自動化儀表及DCS控制系統(tǒng)》[J]恩菲科技論壇-2003學(xué)術(shù)論文集冶金工業(yè)出版社.

[2]廖常初PLC編程及應(yīng)用[M]北京機(jī)械工業(yè)出版社，2002.