自動控制系統在磷礦尾礦充填系統中的應用

于昕(中藍連海設計研究院，江蘇 連云港 22004)

自動控制系統在磷礦尾礦充填系統中的應用

于昕(中藍連海設計研究院，江蘇 連云港 22004)

介紹了磷礦企業在開采中使用尾礦漿充填技術的自控需求，及PLC在尾礦充填站的應用。重點說明了尾礦充填的自動化控制方案及軟件硬件選型。尾礦充填自控系統投用后保證了充填工藝的工作效率，提高充填工藝的生產效率.

尾礦充填；PLC；自控方案

長期以來，現有的磷礦企業在地下開采過程中未對采空區進行任何處理，加之部分礦房間柱不對稱，受地壓作用和波動影響，部分礦房間柱失穩引發礦房頂柱垮塌，上部山體垮塌廢石逐步充填空區，導致原留設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，地壓顯現愈來愈頻繁，已經對采礦安全帶來了極大的威脅，同時導致礦石的回采率降低，資源損失較大，礦石的貧化率增大。而在磷礦選礦過程中會產出大量的尾礦，在傳統的處理方法就是修建尾礦庫露天堆放，這不但占用大量土地，還對環境造成污染。使用尾礦膠結充填技術不僅解決了尾礦堆積的污染和占地問題，更重要的是保障礦井的安全生產，提高了資源的回收率。我院利用尾礦膠結充填技術在甕福磷礦大塘礦區設計并建成了一座尾礦充填站。為了滿足對尾礦漿、細沙、水泥等3種物料在不同充填周期進行不同配比的復雜要求，我們采用了可編程控制系統(PLC系統),對整個工藝過程進行監測和控制。在專業人員的努力下，經過系統軟件組態、調試、聯動試車一系列工作后，取得了工業生產的成功。

1 尾礦充填系統描述

充填漿體由膠固材料（水泥）、骨料（細沙）和尾礦漿組成。攪拌系統將計量后的膠固材料（水泥）、骨料（細沙）和尾礦漿通過攪拌機強制攪拌后，由充填泵通過充填管道泵送到待充采空區。

攪拌系統由四部分組成：一是膠固材料（水泥）的給料和計量；二是骨料（細沙）的給料和計量，三是尾礦漿的添加和計量，四是攪拌系統。尾礦充填系統的主要檢測、控制儀表的設置見圖1。

對自控系統工藝提出以下主要要求：水泥倉的下料量的監測，采用微粉秤裝置作為計量裝置，輸出信號顯示于儀表柜相應的顯示器上并將輸出信號以4～20mA的形式傳送至PLC的AI卡件內，通過PLC內部運算來調節水泥倉進料螺旋電機的轉速,從而保證水泥的給料穩定。尾礦漿的流量測量，采用電磁流量計，電磁流量計的輸出信號傳送至PLC的AI卡件內。PLC系統在上位操作站上顯示數據并采用調節輸送泵的變頻器來調節流量，從而保證尾礦漿流量的穩定。細沙給料量監測，用皮帶秤測量皮帶上細沙給料量，其監測信號上傳至PLC系統，在上位計算機上監測細沙給料量，采用調節圓盤給料機的變頻器來調節細沙給料量。在尾礦漿儲槽上設雷達液位計來測量液位，水泥倉的料位測量采用導波雷達料位計，其監測信號顯示于上位計算機上。

2 尾礦充填系統自動控制方案

2.1 自控方案

自控方案以PLC控制系統為核心。整個充填控制系統包括砂石上料系統、水泥上料系統、攪拌系統以及充填砂漿輸送系統。對PLC控制系統主要有以下幾個方面的要求：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，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級普通水泥。PLC系統具備兩種控制方式:自動控制和手動控制，自動控制和手動控制切換無擾動。砂石、水泥上料、尾礦漿添加、出漿等環節應保持連續、平穩，保證整個充填系統工作的可靠和平穩。從充填砂漿的控制精度方面來說，砂石、水泥及尾礦漿的配比精度較高。穩態工作下水泥、砂石配比誤差在5%以內。系統控制采用定值控制。系統控制的難點在砂石計量回路存在滯后性。 本PLC系統控制的思路是在選取技術先進適于現場測量的儀表基礎上，重點保證自控系統運行的穩定性和可靠性。具體的控制方案根據已知的系統充填能力、水泥砂石比、尾礦漿濃度計算出系統運行時所需的砂石上料量、水泥上料量、尾礦漿流量及充填砂漿出漿量，作為每個控制回路的初始值。首先穩定尾礦漿的流量，然后穩定砂石及水泥的給料量。在運行中，調節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要求的精度之內。控制方案的主要內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。控制算法采用比值模糊控制，即在4個回路控制中，以尾礦漿流量為基值調節砂石進料量及水泥給料量。各控制參數在給定的誤差內，小于系統要求的精度時控制信號保持不變的不控策略。當實際誤差大于設定的誤差時，采取微調各控制參數，弱化各控制量滯后產生的調節波動。當實際誤差長時間大于系統要求的精度時，系統進行報警處理，要求人工進行干預。另外，從系統穩定性考慮，系統在正常運行后，對各控制量的控制采取以充填砂漿流量為實測值，在系統要求的范圍內，來控制尾礦漿添加量和砂石及水泥量。攪拌桶內充填料漿濃度和液位的控制通過調節尾礦漿流量和充填砂漿出漿量來保持在系統要求的精度范圍內。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算法造成的調節波動，可使各控制回路保持獨立性，減少相互影響，保證系統的穩定性和可靠性。

2.2 系統軟件

PLC系統的上位操作軟件選用INTOUCH組態軟件。砂石進料量、尾礦漿添加量、水泥進料量進行瞬時顯示和累積顯示、尾礦漿濃度、攪拌槽液位、水泥倉料位實時顯示。上位機的主界面為充填工藝流程圖，在流程圖上實時顯示工藝設備的工作狀態及操作參數。尾礦漿儲槽、水泥倉料位低于或高于設定值時，流程圖畫面中報警顯示。在上位機軟件中設置相應報警來防止尾礦漿儲槽、水泥倉中料量過多溢出和備料不足。尾礦漿的濃度和流量在相應工藝段同步實時顯示，對于尾礦漿流量顯示瞬時量和累積量。對于攪拌桶液位和充填料漿出漿量不僅在流程圖畫面上實時顯示，也有相應的報警功能和工藝處理措施。

2.3 硬件選型

控制系統采用施耐德Premium系列PLC系統，在尾礦充填站系統控制室進行監控。分別將壓力、流量、液位、密度等工藝參數和電氣設備的運行狀態、部分電流信號、變頻電機調頻信號進行集中采集，顯示、記錄、報警、控制、實時動態流程畫面顯示、設定參數的在線修改等，并可對電氣設備實行遙控啟/停，使操作人員能及時掌握和監控生產進度和各項指標，有效地保證工藝流程操作的安全、穩定，提高效率、降低能耗。

現場儀表的選型均選用4～20mA+HART協議的智能型儀表。所有現場儀表為全天候型，防護等級為IP65，都帶顯示表頭，中/英文組態，中文優先，操作界面中文優先。

3 結語

磷礦漿尾礦充填自控系統通過對充填工藝中存在的純滯后、控制穩定性和可靠性上進行優化以及實現充填工藝的自動控制。尾礦充填自控系統保證了充填工藝的工作效率，提高充填工藝的生產效率有著重大意義。

[1]王新綏《膏體充填新工藝的自動化儀表及DCS控制系統》[J]恩菲科技論壇-2003學術論文集冶金工業出版社.

[2]廖常初PLC編程及應用[M]北京機械工業出版社，2002.