服務(wù)采礦工程教學(xué)研究的自動(dòng)化充填料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

吳迪 閔忠鵬 楊樺 張無(wú)敵 楊寶貴 孟祥旭

收稿日期：2019-10-20; 修回日期：2020-01-08

基金項(xiàng)目：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）大學(xué)生科技創(chuàng)新中心開(kāi)放項(xiàng)目（C201911373）;中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（2014Q201）

作者簡(jiǎn)介：吳 迪（1985—），男，安徽寧國(guó)人，副教授，博士，從事充填采礦方面的教學(xué)與科研工作;北京市海淀區(qū)學(xué)院路111號(hào)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，100083;E-mail：tauo123@163.com

摘要：為實(shí)現(xiàn)礦山充填環(huán)管輸送工藝的自動(dòng)化運(yùn)行，研制了一套自動(dòng)化充填料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由給配料系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、管路系統(tǒng)和以PLC編程控制器為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，可完成充填料配比、料漿濃度、料漿流速、料漿流量、料漿溫度等料漿流變參數(shù)及特性的測(cè)試工作，并自動(dòng)繪制出各項(xiàng)測(cè)試參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)變化曲線。結(jié)果表明：該系統(tǒng)流速控制范圍寬，管道布置方式多樣，操作鍵盤(pán)化，集成度高，使用方便可靠，是進(jìn)行礦業(yè)工程領(lǐng)域礦山充填研究與分析的重要基礎(chǔ)設(shè)備，為科研與教學(xué)工作提供了自動(dòng)化的試驗(yàn)與教學(xué)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：采礦工程;教學(xué)科研;礦山充填;環(huán)管試驗(yàn);流變參數(shù)

中圖分類號(hào)：TD853.34文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-1277（2020）02-0032-06doi：10.11792/hj20200206

引 言

充填料漿環(huán)管試驗(yàn)是采用充填工藝（干式充填除外）的礦山設(shè)計(jì)前進(jìn)行的一項(xiàng)必要工作，也是充填料漿配比設(shè)計(jì)和充填系統(tǒng)優(yōu)化的重要依據(jù)。充填料漿環(huán)管試驗(yàn)主要以獲得充填料漿的流變參數(shù)為目的，是研究充填流程中的料漿流速、料漿濃度等系列參數(shù)及料漿流動(dòng)規(guī)律行之有效的主要研究方法之一[1-3]。

目前，針對(duì)充填料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)與其影響參數(shù)及特性的試驗(yàn)研究有很多。一般使用環(huán)管試驗(yàn)和仿真模擬的方法對(duì)磷石膏充填料漿的流動(dòng)性能、管道內(nèi)徑和泵送壓力等參數(shù)及性能進(jìn)行研究[4-7]，對(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)充填料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定提供了技術(shù)支持，但未形成集成度較高的、完善的試驗(yàn)體系。在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)充填料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)方面，當(dāng)前雖然對(duì)環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)及檢測(cè)技術(shù)的研究有一定的基礎(chǔ)[8-9]，但仍缺乏一套自動(dòng)化程度較高、適用于當(dāng)前教學(xué)使用的充填料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)。因此，本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套操作鍵盤(pán)化，集成度高，使用方便可靠的自動(dòng)化充填料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)，為礦山充填研究提供了更完善與便捷的平臺(tái)，為科研工作提供了軟硬件兼具的教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在教學(xué)中更易推廣應(yīng)用。

1 充填料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)總體方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

充填料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)按照其屬性分為硬件和軟件兩大部分（見(jiàn)圖1）。其中，硬件部分包括機(jī)械設(shè)備、電器設(shè)備及配備試驗(yàn)設(shè)備等。硬件的機(jī)械設(shè)備主要由骨料稱重及提升裝備、配料倉(cāng)、運(yùn)輸機(jī)、上料機(jī)、攪拌機(jī)、材料運(yùn)輸泵、環(huán)管、粉料倉(cāng)、水箱、壓差傳感器等組成;電器設(shè)備由電器柜和控制柜組成;配備試驗(yàn)設(shè)備由恒溫養(yǎng)護(hù)箱、靜漿攪拌機(jī)、鑄鐵模塊、電子稱、塌落度儀、黏稠度儀等組成。

軟件部分主要包括系統(tǒng)主界面、配料系統(tǒng)、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理、試驗(yàn)記錄、歷史記錄查詢等。

1.2 工作流程

充填料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中可進(jìn)行充填材料配比、料漿濃度、料漿溫度等料漿流變參數(shù)及特性的測(cè)試工作，并繪制出各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)曲線，該系統(tǒng)是進(jìn)行礦業(yè)工程領(lǐng)域充填研究與分析的重要基礎(chǔ)，其工作流程見(jiàn)圖2。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 執(zhí)行模塊流程

機(jī)械設(shè)備部分是試驗(yàn)系統(tǒng)的執(zhí)行模塊，主要完成試驗(yàn)運(yùn)行和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的生成。流程見(jiàn)圖3，具體流程如下：

1）計(jì)量斗稱重后的骨料隨上料機(jī)提升到攪拌倉(cāng);粉料經(jīng)螺旋輸送機(jī)輸送入攪拌倉(cāng)，注入定量的水。

2）配料完畢后，開(kāi)啟攪拌機(jī)，將攪勻的料漿倒入輸送泵料斗中，然后輸送到環(huán)管系統(tǒng)管道。

3）通過(guò)安裝在管路中的溫度計(jì)、壓差計(jì)、流量計(jì)測(cè)量相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)將實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)處理并存儲(chǔ)，采用分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

4）環(huán)管試驗(yàn)結(jié)束后，將材料輸送至充填倍線料倉(cāng)中進(jìn)行自流試驗(yàn)，管道中的壓差傳感器測(cè)量自流狀態(tài)下的壓力差，最后將部分材料輸送至鑄鐵模塊內(nèi)，對(duì)試塊進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2.2 管路及動(dòng)力管控

2.2.1 管路系統(tǒng)

輸送泵出口管路為ND150 mm，設(shè)計(jì)時(shí)直徑ND150 mm為主管路，ND100 mm為更換管路;2種管路末端設(shè)置及功能如下：

1）ND150 mm管路末端有三通裝置，可直接將管路中的料漿輸送入廢料池，或關(guān)閉出口閥門(mén)，接通輸送泵料倉(cāng)進(jìn)行管路循環(huán)，或?qū)⒐苈方尤胫罭D100 mm管路進(jìn)行試驗(yàn)。

2）ND100 mm管路末端可直接進(jìn)入廢料池，將末端閥門(mén)關(guān)閉就可以把料漿直接送入輸送泵料倉(cāng)，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)或進(jìn)行充填倍線料倉(cāng)自流試驗(yàn)。

2.2.2 動(dòng)力管控系統(tǒng)

動(dòng)力管控系統(tǒng)按照功能分為3個(gè)模塊：動(dòng)力輸入、中間控制和執(zhí)行。整個(gè)線路以控制繼電器、斷路器為主要設(shè)備。其中，控制繼電器以高速簧式繼電器為核心，與之相連接并分柜安設(shè)另外2個(gè)模塊：進(jìn)電控制和輸出端子。

動(dòng)力管控系統(tǒng)的操作次序如下：

1）依次關(guān)閉動(dòng)力配電柜和各單機(jī)設(shè)備的電源開(kāi)關(guān)。

2）啟動(dòng)動(dòng)力配電柜上的電源開(kāi)關(guān)。

3）旋轉(zhuǎn)急停按鈕后，注意觀察電源指示燈是否處于發(fā)亮狀態(tài)，發(fā)亮即為正常。

4）最后，找到UPS電源，按下“ON”鍵，計(jì)算機(jī)正常開(kāi)機(jī)并進(jìn)入Windows環(huán)境;點(diǎn)亮開(kāi)關(guān)指示燈后，數(shù)字顯示器保持常亮。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件組成

由編程控制器（PLC）[10-11] 與上位控制計(jì)算機(jī)及信號(hào)轉(zhuǎn)換接口構(gòu)成該充填料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。通訊口采用標(biāo)準(zhǔn)RS232串行的方式完成各單元之間的通訊[12]，使之成為一套完整的系統(tǒng)。控制系統(tǒng)以PLC與上位控制計(jì)算機(jī)單元為介質(zhì)，使開(kāi)關(guān)量信號(hào)和控制輸出信號(hào)得以相互聯(lián)結(jié)。系統(tǒng)組成見(jiàn)圖4。

3.2 操作流程

1）開(kāi)機(jī)順序：空壓機(jī)，攪拌機(jī)。料斗要調(diào)至下限，卸料倉(cāng)門(mén)幅度要適當(dāng)。

2）登錄方式：開(kāi)啟Windows，雙擊“運(yùn)行系統(tǒng)”按鈕（見(jiàn)圖5），點(diǎn)擊后出現(xiàn)登錄界面（見(jiàn)圖6）;鍵入 “0”后，點(diǎn)擊“確定”按鈕進(jìn)入配料界面。

3）畫(huà)面切換：按所需配料，勾選所需配方，鍵下頁(yè)面下方畫(huà)表切換按鈕，調(diào)出對(duì)應(yīng)試驗(yàn)界面（見(jiàn)圖7）。

3.3 參數(shù)設(shè)置

3.3.1 配料界面

“配料”界面可從主菜單切入，單擊主菜單標(biāo)識(shí)后打開(kāi)“配方管理”界面（見(jiàn)圖8）。單擊選擇配方，將其勾選、錄入。界面的設(shè)定值處可完善配料的值與種類，完成后點(diǎn)擊“儲(chǔ)存配方”即可;如需清除配料，點(diǎn)擊“刪除配方”。

3.3.2 主畫(huà)面

為了顯示畫(huà)面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中建立的畫(huà)面和動(dòng)畫(huà)圖形，主畫(huà)面采用“組態(tài)王”軟件[13]的實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)I/O服務(wù)程序與數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換。

打開(kāi)界面上“配料”窗口，出現(xiàn)“主畫(huà)面”，見(jiàn)圖9。界面按鈕設(shè)置如下：

1）根據(jù)每次攪拌物料的質(zhì)量設(shè)定攪拌時(shí)間;設(shè)定盤(pán)數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定;根據(jù)攪拌機(jī)自身的容量設(shè)定換算系數(shù);復(fù)位即是清零。

2）運(yùn)行狀態(tài)?！笆謩?dòng)/自動(dòng)”旋鈕在操作臺(tái)和控制頁(yè)面上均有，操控操作臺(tái)也可控制頁(yè)面上相同按鈕功能的變化。

3）卸料狀態(tài)?！霸试S/等待”2種可切換狀態(tài)。按下“等待”，即停止卸料，出現(xiàn)閃爍綠色按鈕，點(diǎn)擊后可卸料。

4）沖量狀態(tài)。“調(diào)整/定值”2種，類似于卸料的操作，反復(fù)點(diǎn)擊按鈕以實(shí)現(xiàn)功能切換。

3.3.3 計(jì)量裝置標(biāo)定

PT650D[14]為充填料的計(jì)量裝置，包括骨料秤、水泥秤、水秤及附加劑秤，實(shí)物及界面見(jiàn)圖10和圖11。 操作順序?yàn)椋?/p>

1）設(shè)備調(diào)校前，先找到“MODE”和“TARE”按鈕，同時(shí)按下后，若屏幕出現(xiàn)“CAL 1”方可進(jìn)行下一步操作。

2）零位調(diào)校。按次序按下“ZERO”按鈕、“MODE”按鈕。

3）稱量間距調(diào)校。無(wú)誤時(shí)，顯示器出現(xiàn)“00000.0”，點(diǎn)擊“MODE”按鈕可保持至原始稱量間距，以同樣形式進(jìn)行稱重。

4）在PT650D上放置與該設(shè)備最大值一致的砝碼，操作“ZERO”按鈕和TARE按鈕，讀數(shù)穩(wěn)定后，設(shè)置顯示器以砝碼重為標(biāo)準(zhǔn)值，最后，點(diǎn)擊“MODE”按鈕，設(shè)置完畢。

4 應(yīng)用實(shí)例

以充填料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)中相同灰砂比、不同料漿濃度充填料漿的管道輸送為應(yīng)用實(shí)例。

4.1 基本要求

管道長(zhǎng)度為42 m，內(nèi)徑為80 mm，在料漿槽中裝有1個(gè)混合器，使全尾砂膏體充填料漿保持均勻狀態(tài)。料漿管道配置2個(gè)壓差傳感器，間距10 m。充填料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖12。

4.2 參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)料漿的具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

4.3 系統(tǒng)調(diào)試及試驗(yàn)結(jié)果

1）將“手動(dòng)/自動(dòng)”旋鈕設(shè)置為手動(dòng)狀態(tài)。接通整個(gè)系統(tǒng)的電源，進(jìn)行各個(gè)設(shè)備的開(kāi)啟關(guān)閉測(cè)試，確保每個(gè)機(jī)械設(shè)備都正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2）妥善安裝并檢查各稱重傳感器和PLC，在PLC-CPU模式的開(kāi)關(guān)設(shè)置成“RUN”級(jí)之前，要保證“STOP”（黃色）亮起;當(dāng)“RUN”（綠色）與“STOP”（黃色）均不亮?xí)r，應(yīng)及時(shí)檢查PLC的供電線路，如檢查UPS電源開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟狀態(tài)。

3）計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后，雙擊屏幕上的“混凝土拌和站運(yùn)行系統(tǒng)”圖標(biāo)，進(jìn)入本計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。輸入登錄指令進(jìn)入操作界面，對(duì)比PT650D上面的各量值與稱重顯示區(qū)計(jì)量秤的質(zhì)量值是否一致。若不一致，則表示通訊連接失敗，觀察通訊電纜PC/PPI的DIP開(kāi)關(guān)是否調(diào)至“010000”，即是否正確調(diào)成9.6 kbit。確保無(wú)誤后，方能手動(dòng)入料測(cè)試設(shè)備。

4）調(diào)試機(jī)器為定值狀態(tài)后，勾選并設(shè)定配方參數(shù)、相應(yīng)的換算系數(shù)及沖量值，為使各工序正常運(yùn)行，可考慮適當(dāng)延長(zhǎng)料斗的下降時(shí)間，縮短提料時(shí)間。在計(jì)算機(jī)控制面板上找到“32 bit ODBC”，添加（ADD）“SQL數(shù)據(jù)庫(kù)”的Microsoft Access Driver數(shù)據(jù)源。所指向（select）數(shù)據(jù)庫(kù)的路徑為C：＼hzS###＼SQL數(shù)據(jù).mdb。

5）啟動(dòng)空壓機(jī)和攪拌機(jī)，空壓機(jī)的氣壓上升至預(yù)定值后停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)旋轉(zhuǎn)操作臺(tái)上的旋鈕，設(shè)置為自動(dòng)。

6）確?！笆謩?dòng)”情況下機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，重復(fù)上一流程，重新調(diào)為自動(dòng)調(diào)校的狀態(tài)，待各參數(shù)能保證系統(tǒng)正常運(yùn)行后，即表示調(diào)試工作完成。系統(tǒng)運(yùn)行后，計(jì)算機(jī)將實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)處理并存儲(chǔ)，經(jīng)Origin軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，以不同料漿濃度條件下阻力損失結(jié)果為例，結(jié)果見(jiàn)圖13。

圖13 不同料漿濃度條件下阻力損失

5 結(jié) 語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)礦山充填料漿環(huán)管輸送工藝的自動(dòng)化運(yùn)行，研制了一套自動(dòng)化充填料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由給配料系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、管路系統(tǒng)和以 PLC為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，可測(cè)試不同配比、不同流量、不同管徑（模擬）、不同管道布置方式、不同停泵時(shí)間下的直管、彎管壓力損失。試驗(yàn)過(guò)程中，驗(yàn)證了該自動(dòng)化充填料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)能夠可視化監(jiān)測(cè)輸送過(guò)程中固廢充填材料在管道內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)，監(jiān)測(cè)管壁壓力和電阻率等物理參數(shù)的變化，實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、處理、顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并繪制試驗(yàn)曲線，打印試驗(yàn)報(bào)告。

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Design and application of the automated backfill slurry

loop pipe test system for mining engineering education and research

Wu Di1，Min Zhongpeng2，Yang Hua3，Zhang Wudi1，Yang Baogui1，Meng Xiangxu4

（1.School of Energy and Mining Engineering，China University of Mining and Technology Beijing;

2.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.;

3.Tibet Huatailong Mining Development Co.，Ltd. ; 4.Qingdao Qiankunxing Intelligent Technology Co.，Ltd.）

Abstract：In order to realize the automated operation of the backfill loop pipe conveying process，an automated backfill slurry loop pipe test system is developed.The system is mainly composed by subsystems such as batching system，pumping system，monitoring system，pipeline system and automatic control system with PLC programming controller as the core.The test of the slurry rheological parameters and characteristics such as the? proportioning of the filling material，the slurry concentration，the slurry fow

rheological rate，the slurry flow rate，and the slurry temperature can be completed by the system，and the correlation curve between the parameters is automatically drawn based on the test data.The results show that with wide flow control range，various pipeline layouts，keyboard operation，high integration and convenient and reliable use，the system is important basic equipment for research and analysis in the field of mining engineering，which also provides an automated test and education environment for education and research.

Keywords：mining engineering;education and research;mine backfill;loop pipe test;rheological parameter