董培林 ，寇向宇 ，李向東 ，張翼翔

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

隨著國家環(huán)境保護力度的加大，國內(nèi)各大礦山都在逐步關閉尾礦庫，實現(xiàn)礦山生產(chǎn)“零排放”[1-3]，因此充填采礦法已成為最主流采礦方法。自動化充填系統(tǒng)在國內(nèi)開始逐漸應用[4-5]，而早年已建成的系統(tǒng)由于技術與硬件性能問題，功能不齊全且已出現(xiàn)了多種問題，甚至無法使用，無法滿足充填需求，為此各大礦山開始改造老舊系統(tǒng)。針對礦山充填自動化系統(tǒng)，國內(nèi)一些專家學者已對其進行了設計研究。例如吳迪等[6]研制了一套自動化充填料漿環(huán)管試驗系統(tǒng)，以實現(xiàn)礦山充填環(huán)管輸送工藝的自動化運行；冉濤等[7]在礦山膠結充填站運行過程中，通過操作網(wǎng)絡M-NET實現(xiàn)了對生產(chǎn)參數(shù)的實時采集，且可將采集參數(shù)與數(shù)據(jù)庫中的標準參數(shù)進行對比，及時發(fā)現(xiàn)問題；茶強華等[8]使用PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)了膏體充填配料自動化控制，通過上位機設定膏體配比及尾砂流量，系統(tǒng)可全自動配料，并可將工藝流程在電腦屏幕上進行動態(tài)顯示；呂世武等[9]在阿舍勒銅礦充填站建設了分層、分布式的自控系統(tǒng)，對充填料漿進行檢測、計量、控制和調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)改造關鍵在于控制預算成本，充分利用老舊系統(tǒng)中的設備。新系統(tǒng)與老舊設備要互相兼容，在此前提下實現(xiàn)功能的拓展與開發(fā)，使其可以滿足現(xiàn)代更為復雜的充填工藝要求。

1 礦山充填現(xiàn)狀

1.1 充填工藝

內(nèi)蒙古大中礦業(yè)書記溝充填站現(xiàn)設有3套充填系統(tǒng)，每套系統(tǒng)設有2個立式砂倉，1個水泥倉。尾砂自選廠輸送至砂倉中，經(jīng)手動測量控制尾砂高度，再由風水系統(tǒng)充分造漿，下放至雙軸攪拌機。水泥由水泥罐車吹入水泥倉，經(jīng)由螺旋給料機與螺旋電子秤進入雙軸攪拌機。攪拌機將砂漿與水泥混合并充分攪拌后，排入下料斗充填至井下。原先充填站設有二級高速活化攪拌機，后因其自身問題被拆除而停止使用。充填工藝及自動化設備安裝位置如圖1所示。

圖1 充填工藝流程

1.2 現(xiàn)存問題

充填站自動化程度較低，原先的自動化系統(tǒng)不僅控制的設備數(shù)量較少，并且絕大部分已無法工作，自控系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)，設備由人工操作，勞動強度大，控制效率低，一些重要區(qū)域，例如倉頂及進料斗，需要工人長時間輪班監(jiān)控，嚴重浪費勞動力，增加了充填站勞動成本。

此外，站內(nèi)只設有少量的測量儀表、傳感器，經(jīng)過長時間使用均有不同程度的損壞。充填過程中，各參數(shù)配比多由工人根據(jù)經(jīng)驗決定，沒有精確的測量數(shù)據(jù)作為參考，經(jīng)常有跑渾、堵管、溢漿等事故發(fā)生，嚴重影響充填質(zhì)量，更危害到工人的人身安全。因此需要設有配套測量用的傳感器、儀表，以精確測量灰砂比、水灰比、流量及濃度等重要充填參數(shù)，并以測量數(shù)據(jù)為依據(jù)控制閥門開度，達到控制參數(shù)的目的。

對生產(chǎn)管理來說，由于多數(shù)設備手動或就地控制，生產(chǎn)管理人員無法及時獲取設備狀態(tài)信息，在充填系統(tǒng)工藝段內(nèi)，由于缺乏生產(chǎn)設備的集中控制系統(tǒng)，無法實現(xiàn)工藝設備的全自動控制及統(tǒng)一調(diào)度和管理，給井下充填造成很大不便。

2 系統(tǒng)構成

鑒于原充填自動化系統(tǒng)采用西門子S7300搭建系統(tǒng)網(wǎng)絡，因此新系統(tǒng)也選用西門子S7300構建，采用“3+2”的多層結構，即3層設備+2層網(wǎng)絡。其中3層設備分為執(zhí)行層、控制層、管理層。執(zhí)行層主要包括傳感器、電動閥門等現(xiàn)場設備，控制層主要為 PLC站、控制箱等控制器件，管理層則為PC端、中控員等。2層網(wǎng)絡則分為控制網(wǎng)、管控網(wǎng)?？刂凭W(wǎng)連接執(zhí)行層與控制層，系統(tǒng)采用以太網(wǎng)、MODBUS、PROFIBUS等標準通用接口，方便實現(xiàn)與第三方設備、PLC系統(tǒng)、智能儀表、智能電氣設備的通信；管控網(wǎng)實現(xiàn)控制設備與管理層操作設備之間的通信連接，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)。層級結構如圖2所示。

圖2 自動化系統(tǒng)拓撲

3 自動化改造

3.1 泥層料位監(jiān)測

砂倉中泥層高度必須在合理范圍內(nèi)，進砂時如果砂位過高，砂漿濃度將過高，造成放砂口堵塞；放砂時如果砂位過低，放砂濃度將遠低于充填標準。原現(xiàn)場砂倉只裝有雷達料位計，可測得砂倉內(nèi)總液面高度，無法測量泥層高度與上覆水高度，此數(shù)據(jù)由工人通過量繩手動測得，效率低下。

鑒于現(xiàn)場已有設備情況，設計于砂倉底部安裝1臺壓力變送器，可測得砂倉整體壓強。砂倉底部壓強由兩部分組成，一部分由水體產(chǎn)生，其余由泥砂產(chǎn)生，即：

式中，ρ液取1 g/cm3，g為已知參數(shù)，h液、h泥可通過液位計與量繩測得，由此計算出泥砂密度ρ泥。此時將ρ泥作為常量，h泥作為所求變量，即可通過壓力變送器示數(shù)與砂倉頂部雷達料位計示數(shù)計算出泥層實時料位。

3.2 水泥自動配比

灰砂比是充填中非常重要的參數(shù)，灰砂比的大小直接影響到充填質(zhì)量與經(jīng)濟效益。最佳灰砂比要既可以滿足充填強度要求，又具備最佳的經(jīng)濟效益。原先充填時水泥用量全部由中控員根據(jù)經(jīng)驗進行配比，在砂漿濃度與流量均不穩(wěn)定的情況下，造成水泥嚴重浪費或者充填質(zhì)量低下，每月水泥用量超標30%，影響充填的經(jīng)濟效益。

充填站現(xiàn)場已配備電磁流量計與射線濃度計檢測砂漿流量與濃度，在自控系統(tǒng)中增加算法，根據(jù)此兩項數(shù)據(jù)與最佳灰砂比，計算出水泥的及時給料量。根據(jù)研究，確定灰砂比為1:8時充填體強度與經(jīng)濟效益最佳。通過計算與優(yōu)化，得出最終水泥用料量計算公式：

式中，WS為水泥重量，kg；Qj為砂漿流量，m3/h，由放砂管路中流量計取得；C為砂漿濃度，%，由濃度計取得；Pg為干砂密度，kg/m3，由充填站試驗取得；C/S為灰砂比，%。

根據(jù)算法與現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)，自控系統(tǒng)可自動調(diào)整水泥用量，精準穩(wěn)定控制灰砂比。由于砂漿流量與濃度瞬時變化大，為避免水泥螺旋給料機變頻速率過快導致故障，對水泥給料量設置一段“死區(qū)”，計算值在死區(qū)內(nèi)發(fā)生變化時給料量保持不變。

3.3 濃度自動控制

在原充填系統(tǒng)中，放砂管路與充填料漿管路上均設置有射線濃度計與電磁流量計，供中控員查看砂漿與充填料漿的濃度與流量，如果濃度過高，中控員通過對講機指揮工人現(xiàn)場手動操作閥門進行稀釋，但效率低下。涉及濃度控制的閥門有：放砂管路沖洗閥、砂倉反沖洗閥、砂漿調(diào)節(jié)管夾閥及調(diào)濃水調(diào)節(jié)閥，設計將其更換為電動閥門，并接入自控系統(tǒng)，根據(jù)管路中的濃度自動調(diào)節(jié)閥門開關與開度，可有效減少勞動力并提高控制質(zhì)量。

在自控系統(tǒng)中寫入算法，開啟放砂閥后，若放砂管路濃度計與流量計示數(shù)為0或過低，代表砂倉放砂口堵塞，砂漿無法流下，則關閉砂漿調(diào)節(jié)管夾閥，打開砂倉反沖洗閥，待5 min后復原；若濃度計示數(shù)過高，則打開放砂管路沖洗閥，使?jié)舛缺３衷谡７秶鷥?nèi)。若充填料漿輸送管路濃度計示數(shù)過高，則根據(jù)料漿濃度計算調(diào)濃水流量，控制調(diào)節(jié)閥調(diào)整開度，使料漿濃度控制在合理的范圍內(nèi)。

3.4 控制方式優(yōu)化

由于之前自動化系統(tǒng)已處于癱瘓狀態(tài)，控制手段均為單一的手動調(diào)節(jié)，靈活性差，效率低下。在自控系統(tǒng)中，可實現(xiàn)3種調(diào)節(jié)方式：本地控制、遠程半自動控制、全自動控制，可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇不同的控制方式。本地控制使用機旁控制箱操作，人員可通過現(xiàn)場實際情況控制閥門、泵的啟?；蜻\轉頻率，此時PC端不可干預。遠程半自動控制在中控室使用自控系統(tǒng)，以視頻監(jiān)控與反饋參數(shù)為輔助，對各設備進行手動遙控，現(xiàn)場只需派 1名巡視員巡查，可極大減少勞動力。使用遠程全自動控制時，只需通過自控系統(tǒng)手動設置充填量、灰砂比及尾砂濃度，點擊自動充填即可全自動運行，按順序開啟各閥門、電機，根據(jù)算法與現(xiàn)場實際情況自動調(diào)整各調(diào)節(jié)閥開度，使各流程參數(shù)維持在設定的一定范圍內(nèi)，全過程不需人工干預。

3.5 井下管道壓力監(jiān)測

充填料漿濃度難以保持持續(xù)穩(wěn)定，當濃度突然變得極高時，井下充填管路有時會發(fā)生堵管、爆管現(xiàn)象，造成嚴重危害。因此在各中段充填管道首末端安裝壓力計，對充填管道內(nèi)的料漿壓力進行全過程檢測，數(shù)據(jù)實時傳回地表自控系統(tǒng)，并將壓力值顯示在井下組態(tài)界面中。如果首末端壓力計壓差過大并持續(xù)較長時間，地表發(fā)生堵管、爆管現(xiàn)象，系統(tǒng)會第一時間自動報警，地表操作人員發(fā)現(xiàn)報警后立即進行停機處理，并安排井下人員查看問題進行處理。

4 結束語

該自動化系統(tǒng)建成后，自動化控制可代替大部分人工操作，現(xiàn)場只需1名系統(tǒng)中控員負責充填系統(tǒng)運行，1名巡視員負責現(xiàn)場巡查和1名機修工負責維護設備，優(yōu)化了現(xiàn)場人員崗位，解決過去人工操作繁瑣、工作量大、效率低下的問題。所有重要充填參數(shù)均顯示在系統(tǒng)界面中，并可由自控系統(tǒng)精準控制，大大提高了充填質(zhì)量與穩(wěn)定性，降本增效效果明顯。