宋雷震 曾 凱 段勝勝 蔡永彪 段弘宇

（長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012）

0 引言

隨著對(duì)環(huán)境治理要求的逐漸提高，尾礦庫(kù)堆存壓力的增大以及礦產(chǎn)資源回采率的提高，充填技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用。尾砂濃密作為充填工藝的第一環(huán)節(jié)，濃密效果的優(yōu)劣直接影響著充填作業(yè)過(guò)程的進(jìn)行，因此對(duì)尾砂進(jìn)行合理的濃密作業(yè)顯得尤為重要[1]。尾砂濃密過(guò)程常用絮凝劑作為外加劑，提高尾砂的沉降速度以及尾砂中水砂分離的能力，既保證了用于充填作業(yè)的尾砂量，又保證了溢流水的澄清程度。目前，絮凝劑的添加往往是由人工進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)操作人員憑借經(jīng)驗(yàn)觀察溢流水的澄清度，來(lái)調(diào)節(jié)絮凝劑添加量的多少，此過(guò)程不僅大大增加了操作人員的工作量，且易造成絮凝劑的浪費(fèi)。絮凝劑用量不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致尾砂濃密無(wú)法達(dá)到理想的效果，造成溢流水渾濁，影響其他工藝步驟對(duì)溢流水的循環(huán)使用；絮凝劑用量過(guò)多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致絮凝劑的浪費(fèi)，大大增加成本，造成經(jīng)濟(jì)損失，而且容易發(fā)生絮凝保護(hù)的反作用，絮凝劑物化反應(yīng)發(fā)生變化[2]，使尾砂濃密效果變差。因此，尾砂濃密過(guò)程中，絮凝劑添加系統(tǒng)的精確程度對(duì)保證溢流水澄清程度和充填系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要意義。

1 控制系統(tǒng)功能

尾砂濃密過(guò)程中絮凝劑用量取決于尾砂溶液中所含的干砂量[3-4]。由于多方面的因素，尾砂輸送過(guò)程中尾砂濃度與流量大小總是處于波動(dòng)的狀態(tài)下，即尾砂溶液中所含干砂量總是在不斷變化，則理論上絮凝劑的用量應(yīng)該根據(jù)干砂量的變化而時(shí)時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。而尾砂濃密的實(shí)際效果一般由溢流水的澄清度來(lái)判斷，因此，通過(guò)對(duì)尾砂濃密過(guò)程中的進(jìn)砂流量、進(jìn)砂濃度、絮凝劑流量以及溢流水濁度值等參數(shù)進(jìn)行采集和處理，實(shí)時(shí)調(diào)整絮凝劑添加量，以達(dá)到絮凝劑最優(yōu)使用量。絮凝劑添加工藝圖如圖1所示。

圖1 絮凝劑添加工藝圖

2 絮凝劑自動(dòng)添加系統(tǒng)組成

本文所設(shè)計(jì)的絮凝劑自動(dòng)添加裝置，其系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、絮凝劑供給模塊以及人機(jī)交互模塊。系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

由于工作過(guò)程中包含多種模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)，特選用S7-1200 PLC作為數(shù)據(jù)的采集和處理終端，通過(guò)PROFINET通信傳輸給LabVIEW人機(jī)交互終端，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、溢流水澄清超限預(yù)警及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理模塊

數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和S7-1200 PLC組成。流量數(shù)據(jù)使用基于高低頻混頻勵(lì)磁技術(shù)與漿液噪聲抑制和去除技術(shù)的電磁流量計(jì)采集，有效保證了漿液的測(cè)量能力，實(shí)現(xiàn)了流量信號(hào)的準(zhǔn)確采集；濃度數(shù)據(jù)采用Na-22濃度計(jì)采集；濁度數(shù)據(jù)采用濁度儀采集。

對(duì)于模擬信號(hào)，處理模塊采用SIMATIC S7-1200系列的SM1231模擬量輸入模塊接收，SM1231內(nèi)集成了A/D轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、補(bǔ)償電路、光隔離器等，具有高性能和低功耗的特點(diǎn)，有4路、8路、16路三種類型，且誤差極小，僅有滿量程的±0.1%/±0.2%，對(duì)于電壓信號(hào)±10 V和電流信號(hào)0～20 mA均可采集，故可以保證模擬信號(hào)的穩(wěn)定接收。經(jīng)控制系統(tǒng)對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，采用SIMATIC S7-1200系列的SM1232模擬量輸出模塊輸出模擬量，模擬值通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器按線性關(guān)系轉(zhuǎn)換為所需的模擬量信號(hào)，控制相應(yīng)的執(zhí)行器。

2.2 絮凝劑供給模塊

通過(guò)對(duì)進(jìn)砂流量數(shù)據(jù)和進(jìn)砂濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理，利用比例模型確定絮凝劑添加量，以絮凝劑添加量為參考值，調(diào)整泵送電機(jī)頻率來(lái)控制絮凝劑添加量實(shí)際值。為了確保絮凝劑添加量實(shí)際值較為穩(wěn)定地接近理論計(jì)算值，在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，引用PID控制邏輯來(lái)調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，推導(dǎo)出進(jìn)砂流量和進(jìn)砂濃度與絮凝劑添加量的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而確定泵送電機(jī)頻率，控制絮凝劑添加量在合理的供給范圍。

當(dāng)濁度儀反饋溢流水超過(guò)一定渾濁度一定時(shí)間，控制系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)程序增加絮凝劑添加量或降低進(jìn)砂流量，以實(shí)現(xiàn)尾砂快速濃密，保證溢流水澄清度。相反，當(dāng)濁度儀反饋溢流水低于一定濁度一定時(shí)間，控制系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)程序減少絮凝劑添加量或增加進(jìn)砂流量，既保證了尾砂濃密效果的最優(yōu)，又降低了絮凝劑的使用量，減少了經(jīng)濟(jì)成本。

2.3 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互是系統(tǒng)與用戶相互交流的窗口，工作人員通過(guò)人機(jī)交互界面了解被控對(duì)象的工作狀態(tài)，監(jiān)測(cè)工藝數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化。人機(jī)交互模塊主要包含用戶管理、參數(shù)設(shè)置、通信設(shè)置、信號(hào)曲線、報(bào)表查詢及數(shù)據(jù)管理等功能，具有良好的操作性和可維護(hù)性。人機(jī)交互界面組成如圖3所示。

圖3 人機(jī)交互界面部分框圖

LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，在LabVIEW編程環(huán)境中可以很容易地創(chuàng)建小型應(yīng)用程序，也可以用它來(lái)編寫復(fù)雜的算法或大規(guī)模的代碼，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受[5-6]，故本文基于LabVIEW開(kāi)發(fā)了人機(jī)交互界面。

在控制系統(tǒng)的主頁(yè)面內(nèi)完成控制模式的手自動(dòng)切換，手動(dòng)模式下，工作人員手動(dòng)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)和相關(guān)指令的操作；自動(dòng)模式下，控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)程序完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集與處理，并發(fā)出相關(guān)指令，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示進(jìn)砂流量、進(jìn)砂濃度、溢流水濁度、絮凝劑溶液液位、絮凝劑溶液流量以及泵送電機(jī)頻率等參數(shù)，保證了良好的可視化效果，便于工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。控制系統(tǒng)主界面如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)主界面

歷史數(shù)據(jù)查詢界面包含兩部分內(nèi)容，在信號(hào)曲線中，可以查詢進(jìn)砂流量、進(jìn)砂濃度、溢流水濁度、絮凝劑溶液液位、絮凝劑溶液流量以及泵送電機(jī)頻率等參數(shù)在一段時(shí)間內(nèi)的變化曲線，通過(guò)曲線的變化趨勢(shì)，判斷系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；在數(shù)據(jù)查詢中，記錄了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中各工藝參數(shù)，通過(guò)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的記錄，為后期系統(tǒng)的維護(hù)與升級(jí)提供了必要的數(shù)據(jù)支持。歷史數(shù)據(jù)查詢界面如圖5所示。

圖5 歷史數(shù)據(jù)查詢界面

3 結(jié)論

本文基于LabVIEW設(shè)計(jì)了絮凝劑自動(dòng)添加系統(tǒng)，可對(duì)進(jìn)砂流量、進(jìn)砂濃度、絮凝劑流量以及溢流水濁度值等參數(shù)進(jìn)行采集和處理，從而實(shí)時(shí)調(diào)整絮凝劑添加量，以達(dá)到絮凝劑最優(yōu)使用量。

（1）自動(dòng)添加系統(tǒng)采用PID算法調(diào)節(jié)泵送電機(jī)頻率，動(dòng)態(tài)調(diào)整絮凝劑流量，保證了尾砂濃密效果最優(yōu)。

（2）自動(dòng)添加系統(tǒng)嚴(yán)格根據(jù)工藝要求，依據(jù)控制程序調(diào)整絮凝劑添加量，減少了人為因素的干擾，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

（3）通過(guò)人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自動(dòng)添加系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)報(bào)警故障，保證了系統(tǒng)維護(hù)的高效性。