田惺哲，張 鑫

（1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.北京北礦億博科技有限責(zé)任公司，北京 100160）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，在地下金屬礦山開采的穿孔、爆破、鏟裝、運(yùn)輸四個(gè)主要環(huán)節(jié)中，爆破環(huán)節(jié)的機(jī)械化、自動(dòng)化水平不斷提升，爆破作業(yè)開始向規(guī)?；⒆詣?dòng)化、少人化、智能化方向發(fā)展[1]。新型地下礦用乳化炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車開始逐步進(jìn)入地下礦山，取代原有的人工裝藥模式。為了實(shí)現(xiàn)爆破裝藥過程中的自動(dòng)化、少人化、智能化，并適應(yīng)地下礦山現(xiàn)場(chǎng)惡劣的工作環(huán)境，本文針對(duì)地下礦用乳化炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車控制系統(tǒng)的需求進(jìn)行研究和分析，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)思路，最終完成混裝車控制系統(tǒng)的全新設(shè)計(jì)，滿足了現(xiàn)場(chǎng)使用需求[2]。

1 混裝車控制系統(tǒng)需求分析

新型地下礦用乳化炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車包括液壓動(dòng)力系統(tǒng)、原材料輸送系統(tǒng)、電液比例控制系統(tǒng)、自動(dòng)送退管系統(tǒng)、多自由度工作臂五部分[3]，其控制系統(tǒng)包括以下功能需求：①考慮到地下礦裝藥過程中空氣流通較差，混裝車采用1140V電壓作為動(dòng)力電源，驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)工作，控制系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)完備的電機(jī)控制和保護(hù)回路，確保使用過程的電氣安全；②為確保裝藥過程中乳化基質(zhì)與敏化劑計(jì)量精確，控制系統(tǒng)需要選用高精度流量計(jì)對(duì)乳化基質(zhì)和敏化劑分別計(jì)量，確保所裝填的乳化炸藥性能穩(wěn)定、計(jì)量精確；③針對(duì)裝藥過程中壓力變化導(dǎo)致的物料流速變化問題，混裝車選用電液比例控制系統(tǒng)對(duì)物料輸送泵進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)需要根據(jù)物料流量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸送泵轉(zhuǎn)速，確保物料流量與配比穩(wěn)定；④針對(duì)大分段采礦方法中出現(xiàn)的中深孔裝藥問題，混裝車設(shè)計(jì)了自動(dòng)送退管系統(tǒng)，控制系統(tǒng)需要精確測(cè)量輸藥管長(zhǎng)度，并確保送管器與卷筒速度匹配，防止使用過程中出現(xiàn)輸藥管卡管、打滑等現(xiàn)象；⑤為解決現(xiàn)場(chǎng)裝藥過程中上向孔對(duì)孔問題，混裝車設(shè)計(jì)了多自由度工作臂，控制系統(tǒng)需設(shè)計(jì)無線遙控功能，提高操作人員工作過程中的視野范圍，降低尋孔和對(duì)孔難度，提高裝藥效率；⑥為確保乳化炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝過程中無安全隱患，控制系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)完備的安全連鎖保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)裝藥流程實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)異常報(bào)警和連鎖停機(jī)功能，并記錄各項(xiàng)生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)供操作人員查詢。

2 混裝車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)以上需求，地下礦用乳化炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車控制系統(tǒng)采用PLC（可編程控制器）作為控制核心，嵌入式觸摸屏作為人機(jī)交互界面，手持無線遙控器作為操作終端，工業(yè)車載計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)終端，各類儀表和傳感器作為數(shù)據(jù)采集單元，包括高壓配電系統(tǒng)、流程控制系統(tǒng)和無線遙控系統(tǒng)三部分。

（1）高壓配電系統(tǒng)。高壓配電系統(tǒng)主要由高壓配電柜構(gòu)成，在控制系統(tǒng)中負(fù)責(zé)液壓動(dòng)力系統(tǒng)控制功能，為混裝車液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)提供動(dòng)力和低壓電源。該系統(tǒng)選用多功能斷路器和電機(jī)保護(hù)器構(gòu)建完整的電氣保護(hù)功能，具備短路保護(hù)、過載保護(hù)、相序保護(hù)、缺相保護(hù)、漏電保護(hù)、接地故障保護(hù)等功能。

（2）流程控制系統(tǒng)。流程控制系統(tǒng)的核心包括過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集單元、工藝參數(shù)自動(dòng)計(jì)算單元、電液比例控制單元、安全連鎖單元、歷史數(shù)據(jù)記錄與查詢單元。過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集單元分別采用高精度流量計(jì)測(cè)量乳膠流量和敏化劑流量，采用高精度旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量輸藥管輸送量和輸送速度，采用壓力變送器和溫度變送器測(cè)量乳膠輸送泵出口壓力與溫度，實(shí)現(xiàn)裝藥過程各數(shù)據(jù)的精確測(cè)量。

工藝參數(shù)自動(dòng)計(jì)算單元調(diào)用提前設(shè)置好的各項(xiàng)孔網(wǎng)參數(shù)和工藝數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算所裝炮孔需求藥量以及裝藥過程所需的乳膠流量、敏化劑流量、退管速度等參數(shù)，提供給電液比例控制單元進(jìn)行控制。電液比例控制單元對(duì)各個(gè)液壓設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)定控制，使其運(yùn)轉(zhuǎn)速度與所需的系統(tǒng)速度相匹配。在控制過程中，主要體現(xiàn)在送管器與卷筒的速度匹配和敏化劑泵與乳膠泵的速度匹配上。為了保證速度匹配穩(wěn)定可靠，該單元采用PID控制方法配合電液比例液壓閥組實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)控制，確保裝藥過程中物料流量與退管速度互相匹配，實(shí)現(xiàn)炮孔內(nèi)連續(xù)耦合裝藥，防止掉藥情況的發(fā)生。PID控制流程圖如圖1（以乳膠泵為例）。

圖1 乳膠泵PID控制流程圖

安全連鎖單元調(diào)取過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集單元采集的各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)乳膠斷流報(bào)警、乳膠壓力報(bào)警、乳膠溫度報(bào)警、乳膠泵超速報(bào)警、敏化劑斷流報(bào)警、系統(tǒng)壓力報(bào)警、液壓油溫度報(bào)警等安全聯(lián)鎖功能，確保系統(tǒng)工作安全。

歷史數(shù)據(jù)記錄與查詢單元實(shí)時(shí)記錄裝藥流程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄，以表格方式進(jìn)行存儲(chǔ)，并提供乳膠與敏化劑流量曲線圖和送管器與卷筒速度曲線圖供操作人員調(diào)閱查詢，確保系統(tǒng)工作過程中的問題可以快速分析解決。

（3）無線遙控系統(tǒng)。無線遙控系統(tǒng)由無線遙控器、信號(hào)處理器、PLC控制單元和上位機(jī)構(gòu)成。通過在無線遙控器上進(jìn)行操作，經(jīng)過高頻信號(hào)調(diào)制，將控制信號(hào)附加在高頻載波上傳送給信號(hào)處理器，由信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，將控制信號(hào)解析出來并生成對(duì)應(yīng)的模擬量或數(shù)字量信號(hào)，傳遞給PLC控制單元完成控制功能；PLC控制單元與上位機(jī)通過RS422端口實(shí)時(shí)通訊，由上位機(jī)將需要在無線遙控器上顯示的數(shù)據(jù)通過RS232端口發(fā)送到信號(hào)處理器，并由信號(hào)處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制處理發(fā)送給無線遙控器終端解析顯示。其具備工作臂控制、裝藥控制、關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控等功能，實(shí)現(xiàn)操作人員可在任意位置操作工作臂尋孔、對(duì)孔并完成裝藥，單孔裝藥完成后控制系統(tǒng)自動(dòng)將工藝參數(shù)調(diào)整至下一炮孔，操作人員可在炮孔附近連續(xù)操作，大幅降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)地下礦用乳化炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的需求進(jìn)行分析，研發(fā)設(shè)計(jì)出新型地下礦用乳化炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車控制系統(tǒng)，有效減少了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)新型地下礦用乳化炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝車在裝藥過程中自動(dòng)化、智能化控制，在首鋼集團(tuán)杏山鐵礦、酒鋼集團(tuán)鏡鐵山鐵礦等地實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了預(yù)期效果。