李志陽 劉 沖

(南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

·機(jī)電與自動化·

混合尾砂膠結(jié)充填及其濃度控制自動控制系統(tǒng)

李志陽 劉 沖

(南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

采用一種由全尾砂和分級尾砂構(gòu)成的混合料漿膠結(jié)的充填方式，以充分發(fā)揮全尾砂漿和分級尾砂漿在膠結(jié)充填工藝中的優(yōu)勢互補(bǔ)，實現(xiàn)現(xiàn)場參數(shù)的快速和準(zhǔn)確控制，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性。該系統(tǒng)采用西門子S7-300型PLC作為控制器，以經(jīng)典控制和智能控制相結(jié)合的智能控制算法，設(shè)計PLC應(yīng)用程序，實現(xiàn)對系統(tǒng)的各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和控制。在上位機(jī)上運(yùn)用組態(tài)軟件，繪制上位機(jī)的監(jiān)控界面以實時顯示工況參數(shù)。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)可以對現(xiàn)場參數(shù)進(jìn)行迅速、準(zhǔn)確測量，實現(xiàn)了對充填尾砂漿濃度、流量等參數(shù)的有效控制，很好地解決了系統(tǒng)的大延遲和控制精度低的問題，滿足了工藝控制的各項指標(biāo)要求，極大地降低了生產(chǎn)成本，具有較好的應(yīng)用前景。

全尾砂 分級尾砂 PLC 復(fù)合控制 監(jiān)控

目前我國采用的最普遍的充填方式有分級尾砂充填、全尾砂充填、高濃度全尾砂充填等[1]。無論是何種尾砂充填方式，其對充填體的濃度(質(zhì)量濃度，下同)控制是非常關(guān)鍵的。濃度過低，會流失大量的尾砂，并且達(dá)不到水泥膠結(jié)的作用，容易造成充填體的強(qiáng)度不夠，從而導(dǎo)致塌陷和板塊化，會給生產(chǎn)工作帶來危險；濃度過高，則會造成生產(chǎn)、輸送設(shè)備的堵塞，也會造成原材料的浪費(fèi)和生產(chǎn)成本的增加[2]。經(jīng)研究與實踐發(fā)現(xiàn)，充填體的質(zhì)量濃度一般為65%～85%。

1 混合尾砂充填工藝流程

分級尾砂充填技術(shù)目前已非常成熟，其尾砂滲透性好，極易混合均勻，達(dá)到飽和狀態(tài)。但是，尾砂分級會導(dǎo)致一部分尾砂被遺棄，并且細(xì)尾砂不容易沉降，極微細(xì)部分將沉落在料漿表層，對水流起到封堵作用，不利于滲透。全尾砂充填方式是目前充填效果最好的充填方式，能增大充填體的強(qiáng)度，然而要制備高濃度的全尾砂漿，需經(jīng)過高速攪拌、沉淀、溢流、壓縮、濃密后才能成漿，這就對生產(chǎn)設(shè)備、輸送設(shè)備和生產(chǎn)工藝的要求更高，且生產(chǎn)成本也隨著增大[3-5]。若將兩者結(jié)合起來，則既能提高充填體的強(qiáng)度和滲透性，又能增強(qiáng)充填體的沉降性；既能節(jié)約生產(chǎn)成本，又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

混合尾砂充填工藝流程如圖1所示。充填尾砂漿主要是由水、水泥、全尾砂漿與分級尾砂漿4個部分混合制成。水泥由壓縮空氣吹入水泥倉，作為充填漿的膠凝材料。從尾砂口排出的全尾砂漿濃度約為20%，導(dǎo)入自然沉降池，經(jīng)過沉淀、脫水變?yōu)樗璧母邼舛热采皾{。分級的尾砂經(jīng)過圓盤給料機(jī)給料和電子皮帶稱的稱量，與脫水后的全尾砂漿、水、定量的水泥在混合中間槽進(jìn)行深度攪拌，再經(jīng)由攪拌輸送機(jī)，送至充填井[8-12]。

圖1 混合尾砂充填工藝流程

在生產(chǎn)過程中一般會適當(dāng)?shù)丶尤胍恍┨厥馕镔|(zhì)，如絮凝劑、減水劑、減阻劑等來提高充填體的物理性能，包括強(qiáng)度、可輸送性等。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 控制器

系統(tǒng)采用西門子公司生產(chǎn)的S7-300作為控制器，實現(xiàn)對氣動閥開度，圓盤給料機(jī)磁閥開閉時間、電磁閥開閉時間，螺旋輸送給料機(jī)、雙軸葉片攪拌機(jī)、雙螺旋攪拌輸送機(jī)的速度等的控制[13-14]，并接收來自電磁流量計、電子皮帶秤、核子密度計、料位計等的模擬信號。同時通過RS485與上位機(jī)相連，采用組態(tài)王軟件kingview6.55作為系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。PLC控制策略如圖2所示。

2.2 控制方案

本設(shè)計以控制充填漿的濃度為主，為使?jié)舛瓤刂瓶焖俸途_，采用復(fù)合控制的方式?？刂品桨高x擇原則為，當(dāng)誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主要目的；當(dāng)誤差較小時，選擇控制量以防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要目的。

圖2 PLC控制策略

2.2.1 模糊控制

對于濃度誤差e，在|e|≤10%時，采取模糊控制的方式，建立多輸入多輸出模型。對輸入輸出進(jìn)行模糊化，將輸入部分量化分級成7級(NB-NM-NS-ZE-PS-PM-PB)，將3個輸出部分量化分級為5級(NB-NS-ZE-PS-PB)，采用三角形的隸屬函數(shù)，得到其模糊控制規(guī)則，如表1所示。采用扎德(Zadeh)的模糊決策算法，以最大隸屬度的方式進(jìn)行解模糊，確定控制量的精確值。

其中，ρ，ρd分別為實際濃度和設(shè)定濃度；ek，ek-1分別是當(dāng)前時刻和前一時刻的濃度誤差；T是采樣時間。

表1 K1K2K3的模糊控制規(guī)則

2.2.2 PID控制

當(dāng)|e|>10%時，采用PID的控制方式，對偏差較大的情況，進(jìn)行最快速的調(diào)整。其傳遞函數(shù)G(s)為

(1)

式中，KP，KI，KD分別為比例系數(shù)，積分系數(shù)，微分系數(shù)；s為復(fù)數(shù)變量。

當(dāng)e>10%時，濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)定值，適當(dāng)?shù)亟档蚄P，增大KI。當(dāng)e<-10%時，濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)定值，適當(dāng)?shù)卦龃驥P，增大KI。

3 程序設(shè)計

主程序主要是對系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)定，模式選擇、數(shù)據(jù)獲取、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信息判斷、報警設(shè)置以及信息的處理。偏差變化率要經(jīng)過2次采樣才能得到，而從模糊控制的角度出發(fā)，輸入的偏差和偏差變化率要有明顯的變化，才能得到較精確的控制。對本系統(tǒng)而言，管道的運(yùn)輸，攪拌過程會造成很大程度的延時，故而采樣周期要適當(dāng)?shù)亻L一些為好。這里取T為2 min，以確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效性。模糊控制子程序，主要是對模糊算法的實現(xiàn)，包括是對主程序轉(zhuǎn)化過來的數(shù)字信號的量化、隸屬度的賦值、模糊規(guī)則的確立以及解模糊，將模糊語言轉(zhuǎn)化為計算機(jī)語言。PID控制子程序是對PID算法的實現(xiàn)。本系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)程序設(shè)計流程

4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)采用專業(yè)PC機(jī)，用RS485總線與PLC連接，用組態(tài)王(kingview)軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)互動界面,主要包括權(quán)限管理，現(xiàn)場參數(shù)顯示，參數(shù)設(shè)定，以及超限報警顯示等。其監(jiān)控界面如圖4所示。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)能迅速地對測得的現(xiàn)場參數(shù)進(jìn)行處理和響應(yīng)，能確保充填作業(yè)的穩(wěn)定性和連續(xù)性，并能很好地節(jié)省充填費(fèi)用，能夠滿足中小型礦山對尾砂充填工藝的要求，具有一定的實用價值。

[1] 李永輝．全尾砂與分級尾砂膠結(jié)充填材料配比試驗與理論研究[D]．贛州：江西理工大學(xué)，2008． Li Yonghui．The Ratio Test and Theoretical Study on the Cement Filling Material of Entire Tailings and Graducation Tailings[D]．Ganzhou：Jiangxi University of Science and Technology，2008．

[2] 王先華．可編程控制器在礦山尾砂膠結(jié)充填工藝上的應(yīng)用[J]．現(xiàn)代礦業(yè)，2011(12)：93-94． Wang Xianhua.Application of Programmable Controller in the Cemented Tailings Filling Mining Technology[J]．Modern Mining，2011(12):93-94．

[3] 苗紅宇．基于PLC的模糊控制在香皂生產(chǎn)電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[D]．天津：天津大學(xué)，2007． Miao Hongyu．Application of Fuzzy Control in the Electrical Control System of Soap Production Based on PLC[D]．Tianjin：Tianjin University，2007．

[4] 黃志偉，張炳旭．全尾砂分級充填新工藝的研究[J]．金屬礦山，2004(6)：65-67． Huang Zhiwei，Zhang Binxu．Research on new technology of whole tailings-classified backfilling[J]．Metal Mine，2004(6)：65-67．

[5] 陳之功．尾砂充填自動控制系統(tǒng)[J]．金屬礦山，2012(10)：110-112． Chen Zhigong．Automatic control system of tailings filling[J]．Metal Mine，2012(10)：110-112．

圖4 混合尾砂充填控制系統(tǒng)監(jiān)控界面

[6] 齊新會．尾砂充填自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J]．中國礦山工程，2009，38(4)：3-5． Qi Xinhui．Application of automatic control system in tailing filling[J]．China Mine Engineering，2009，38(4)：3-5．

[7] 胡尊杰，李 明，苗 強(qiáng)，等．充填料漿的配比試驗研究[J]．金屬礦山，2012(2)：45-47． Hu Zunjie，Li Ming，Miao Qiang，et al．Experimental study on the mixture ratio of backfilling pulp[J]．Metal Mine，2012(2)：45-47．

[8] 李冬青，楊承祥，施士虎．全尾砂高濃度充填技術(shù)在深井礦山應(yīng)用研究[J]．金屬礦山，2009(7)：13-15． Li Dongqing，Yang Chengxiang，Shi Shihu．Research of the application of total tailing high density backfilling technology in deep underground mine[J]．Metal Mine，2009(7)：13-15．

[9] 施士虎，楊黎升，李浩宇．全尾砂充填技術(shù)研究與應(yīng)用[J]．中國礦山工程，2009，38(6)：50-52． Shi Shihu，Yang Lisheng，Li Haoyu．Study and application of full tailings backfilling technique[J]．China Mine Enginering，2009，38(6)：50-52．

[10] 趙麗瓊，張應(yīng)平．尾砂充填技術(shù)在大紅山銅礦的運(yùn)用與研究[J]．環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2013，32(3)：58-60． Zhao Liqiong，Zhang Yingping.Application of tailings filling technology in Dahongshan Copper Mine[J]．Environmental Science Survey，2013，32(3)：58-60．

[11] 夏長念，孫學(xué)森．充填采礦法及充填技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．中國礦山工程，2014，43(1)：61-64． Xia Changnian，Sun Xuesen.Appllication and developing trend of filled stopes method and filling technology[J]．China Mine Engineering，2014，43(1)：61-64．

[12] 任少峰，張忠輝，楊紀(jì)光，等．全尾砂與分級尾砂膠結(jié)充填強(qiáng)度的試驗研究[J]．采礦技術(shù)，2014，14(2)：31-32． Ren Shaofeng，Zhang Guozhong，Yang Jiguang，et al．The experimental study on the strength of full tailings and classified tailings cemented filling [J]．Mining Technology，2014，14(2)：31-32．

[13] 徐 飛，褚洪濤，劉曉亮．某銅礦全尾砂充填體強(qiáng)度研究[J]．金屬礦山，2012(12)：37-39． Xu Fei，Chu Hongtao，Liu Xiaoliang．On the Full-tailings backfilling strength of a copper mine[J]．Metal Mine，2012(12)：37-39．

[14] 劉明泉．高效低成本尾砂充填系統(tǒng)的應(yīng)用[J]．有色金屬：礦山部分，2007，59(3)：50-51． Liu Mingquan．Application of high efficiency low cost tailings filling system[J]．Nonferrous Metals：Mining Section，2007，59(3)：50-51．

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Automatic Control System of Mixed Backfilling Tailings Slurry's Cemented Filing and its Concentration

Li Zhiyang Liu Chong

(SchoolofElectricalEngineering，UniversityofSouthChina，Hengyang421001，China)

The filling pattern of mixed slurry cementing composed of full tailings and classified tailings has been adopted to give full play to complementary advantage of full tailing mortar and classified tailing cemented in filling technology.To realize the rapid and accurate control for the field control parameters and ensure the system' stability and continuity，S7-300 type PLC has been employed as the controller.The PLC application program has been programmed according to intelligent algorithm which combined with classical control and intelligent control to monitor and control various operating parameters in system.By configuration software in the upper computer，the PC monitor interface has been designed to display the real time operating parameters.The experimental results show that the system parameters can be quickly and accurately measured，and the parameters，such as the concentration and the flow of filling tailings slurry be effectively controlled.The problems of large delay and low control precision have been well solved.It meets the requirements of process control，and has a good application prospect with producing cost greatly reducing.

Full tailings，Classified tailings，PLC，Composite control，Monitoring

2014-05-22

李志陽(1989—)，女，碩士研究生。通訊作者 劉 沖(1966—)，男，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。

TD853.34

A

1001-1250(2014)-09-112-04