于昕(中藍(lán)連海設(shè)計(jì)研究院，江蘇 連云港 22004)

自動(dòng)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(jì)研究院，江蘇 連云港 22004)

介紹了磷礦企業(yè)在開(kāi)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(diǎn)說(shuō)明了尾礦充填的自動(dòng)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(zhǎng)期以來(lái)，現(xiàn)有的磷礦企業(yè)在地下開(kāi)采過(guò)程中未對(duì)采空區(qū)進(jìn)行任何處理，加之部分礦房間柱不對(duì)稱，受地壓作用和波動(dòng)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(lái)愈頻繁，已經(jīng)對(duì)采礦安全帶來(lái)了極大的威脅，同時(shí)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)出大量的尾礦，在傳統(tǒng)的處理方法就是修建尾礦庫(kù)露天堆放，這不但占用大量土地，還對(duì)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(wèn)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(jì)并建成了一座尾礦充填站。為了滿足對(duì)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(duì)整個(gè)工藝過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。在專業(yè)人員的努力下，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)軟件組態(tài)、調(diào)試、聯(lián)動(dòng)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(jì)量后的膠固材料（水泥）、骨料（細(xì)沙）和尾礦漿通過(guò)攪拌機(jī)強(qiáng)制攪拌后，由充填泵通過(guò)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(jì)量；二是骨料（細(xì)沙）的給料和計(jì)量，三是尾礦漿的添加和計(jì)量，四是攪拌系統(tǒng)。尾礦充填系統(tǒng)的主要檢測(cè)、控制儀表的設(shè)置見(jiàn)圖1。

對(duì)自控系統(tǒng)工藝提出以下主要要求：水泥倉(cāng)的下料量的監(jiān)測(cè)，采用微粉秤裝置作為計(jì)量裝置，輸出信號(hào)顯示于儀表柜相應(yīng)的顯示器上并將輸出信號(hào)以4～20mA的形式傳送至PLC的AI卡件內(nèi)，通過(guò)PLC內(nèi)部運(yùn)算來(lái)調(diào)節(jié)水泥倉(cāng)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(cè)量，采用電磁流量計(jì)，電磁流量計(jì)的輸出信號(hào)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(lái)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(cè)，用皮帶秤測(cè)量皮帶上細(xì)沙給料量，其監(jiān)測(cè)信號(hào)上傳至PLC系統(tǒng)，在上位計(jì)算機(jī)上監(jiān)測(cè)細(xì)沙給料量，采用調(diào)節(jié)圓盤給料機(jī)的變頻器來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)沙給料量。在尾礦漿儲(chǔ)槽上設(shè)雷達(dá)液位計(jì)來(lái)測(cè)量液位，水泥倉(cāng)的料位測(cè)量采用導(dǎo)波雷達(dá)料位計(jì)，其監(jiān)測(cè)信號(hào)顯示于上位計(jì)算機(jī)上。

2 尾礦充填系統(tǒng)自動(dòng)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(gè)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(duì)PLC控制系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)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(shí)，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(jí)普通水泥。PLC系統(tǒng)具備兩種控制方式:自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，自動(dòng)控制和手動(dòng)控制切換無(wú)擾動(dòng)。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(gè)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(lái)說(shuō)，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(diǎn)在砂石計(jì)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(chǎng)測(cè)量的儀表基礎(chǔ)上，重點(diǎn)保證自控系統(tǒng)運(yùn)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(jì)算出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(gè)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(yùn)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?？刂扑惴ú捎帽戎的：刂?，即在4個(gè)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(shí)控制信號(hào)保持不變的不控策略。當(dāng)實(shí)際誤差大于設(shè)定的誤差時(shí)，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(dòng)。當(dāng)實(shí)際誤差長(zhǎng)時(shí)間大于系統(tǒng)要求的精度時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)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(yùn)行后，對(duì)各控制量的控制采取以充填砂漿流量為實(shí)測(cè)值，在系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)，來(lái)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(guò)調(diào)節(jié)尾礦漿流量和充填砂漿出漿量來(lái)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(dòng)，可使各控制回路保持獨(dú)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(shí)顯示和累積顯示、尾礦漿濃度、攪拌槽液位、水泥倉(cāng)料位實(shí)時(shí)顯示。上位機(jī)的主界面為充填工藝流程圖，在流程圖上實(shí)時(shí)顯示工藝設(shè)備的工作狀態(tài)及操作參數(shù)。尾礦漿儲(chǔ)槽、水泥倉(cāng)料位低于或高于設(shè)定值時(shí)，流程圖畫面中報(bào)警顯示。在上位機(jī)軟件中設(shè)置相應(yīng)報(bào)警來(lái)防止尾礦漿儲(chǔ)槽、水泥倉(cāng)中料量過(guò)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(shí)時(shí)顯示，對(duì)于尾礦漿流量顯示瞬時(shí)量和累積量。對(duì)于攪拌桶液位和充填料漿出漿量不僅在流程圖畫面上實(shí)時(shí)顯示，也有相應(yīng)的報(bào)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(yùn)行狀態(tài)、部分電流信號(hào)、變頻電機(jī)調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行集中采集，顯示、記錄、報(bào)警、控制、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)流程畫面顯示、設(shè)定參數(shù)的在線修改等，并可對(duì)電氣設(shè)備實(shí)行遙控啟/停，使操作人員能及時(shí)掌握和監(jiān)控生產(chǎn)進(jìn)度和各項(xiàng)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(chǎng)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(chǎng)儀表為全天候型，防護(hù)等級(jí)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(yǔ)

磷礦漿尾礦充填自控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)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(shí)現(xiàn)充填工藝的自動(dòng)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(dòng)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.