基于LabVI EW的絮凝劑自動添加系統設計

宋雷震 曾 凱 段勝勝 蔡永彪 段弘宇

（長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012）

0 引言

隨著對環境治理要求的逐漸提高，尾礦庫堆存壓力的增大以及礦產資源回采率的提高，充填技術得到了更廣泛的應用。尾砂濃密作為充填工藝的第一環節，濃密效果的優劣直接影響著充填作業過程的進行，因此對尾砂進行合理的濃密作業顯得尤為重要[1]。尾砂濃密過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行，現場操作人員憑借經驗觀察溢流水的澄清度，來調節絮凝劑添加量的多少，此過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。絮凝劑用量不足時，會導致尾砂濃密無法達到理想的效果，造成溢流水渾濁，影響其他工藝步驟對溢流水的循環使用；絮凝劑用量過多時，會導致絮凝劑的浪費，大大增加成本，造成經濟損失，而且容易發生絮凝保護的反作用，絮凝劑物化反應發生變化[2]，使尾砂濃密效果變差。因此，尾砂濃密過程中，絮凝劑添加系統的精確程度對保證溢流水澄清程度和充填系統的穩定具有重要意義。

1 控制系統功能

尾砂濃密過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，尾砂輸送過程中尾砂濃度與流量大小總是處于波動的狀態下，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該根據干砂量的變化而時時產生相應的變化。而尾砂濃密的實際效果一般由溢流水的澄清度來判斷，因此，通過對尾砂濃密過程中的進砂流量、進砂濃度、絮凝劑流量以及溢流水濁度值等參數進行采集和處理，實時調整絮凝劑添加量，以達到絮凝劑最優使用量。絮凝劑添加工藝圖如圖1所示。

圖1 絮凝劑添加工藝圖

2 絮凝劑自動添加系統組成

本文所設計的絮凝劑自動添加裝置，其系統主要包括數據采集模塊、數據處理模塊、絮凝劑供給模塊以及人機交互模塊。系統組成如圖2所示。

圖2 系統框圖

由于工作過程中包含多種模擬量信號和數字量信號，特選用S7-1200 PLC作為數據的采集和處理終端，通過PROFINET通信傳輸給LabVIEW人機交互終端，實現工藝參數實時顯示、溢流水澄清超限預警及監測數據存儲等功能。

2.1 數據采集與處理模塊

數據采集與處理模塊主要由傳感器、信號調理電路和S7-1200 PLC組成。流量數據使用基于高低頻混頻勵磁技術與漿液噪聲抑制和去除技術的電磁流量計采集，有效保證了漿液的測量能力，實現了流量信號的準確采集；濃度數據采用Na-22濃度計采集；濁度數據采用濁度儀采集。

對于模擬信號，處理模塊采用SIMATIC S7-1200系列的SM1231模擬量輸入模塊接收，SM1231內集成了A/D轉換器、轉換開關、補償電路、光隔離器等，具有高性能和低功耗的特點，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%，對于電壓信號±10 V和電流信號0～20 mA均可采集，故可以保證模擬信號的穩定接收。經控制系統對接收的信號進行邏輯運算后，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D/A轉換器按線性關系轉換為所需的模擬量信號，控制相應的執行器。

2.2 絮凝劑供給模塊

通過對進砂流量數據和進砂濃度數據進行采集與處理，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，調整泵送電機頻率來控制絮凝劑添加量實際值。為了確保絮凝劑添加量實際值較為穩定地接近理論計算值，在大量實驗數據的基礎上，引用PID控制邏輯來調整相應參數，推導出進砂流量和進砂濃度與絮凝劑添加量的相關關系，進而確定泵送電機頻率，控制絮凝劑添加量在合理的供給范圍。

當濁度儀反饋溢流水超過一定渾濁度一定時間，控制系統根據相應程序增加絮凝劑添加量或降低進砂流量，以實現尾砂快速濃密，保證溢流水澄清度。相反，當濁度儀反饋溢流水低于一定濁度一定時間，控制系統根據相應程序減少絮凝劑添加量或增加進砂流量，既保證了尾砂濃密效果的最優，又降低了絮凝劑的使用量，減少了經濟成本。

2.3 人機交互模塊

人機交互是系統與用戶相互交流的窗口，工作人員通過人機交互界面了解被控對象的工作狀態，監測工藝數據的實時變化。人機交互模塊主要包含用戶管理、參數設置、通信設置、信號曲線、報表查詢及數據管理等功能，具有良好的操作性和可維護性。人機交互界面組成如圖3所示。

圖3 人機交互界面部分框圖

LabVIEW是一種圖形化的編程語言和開發環境，被視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件，在LabVIEW編程環境中可以很容易地創建小型應用程序，也可以用它來編寫復雜的算法或大規模的代碼，它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受[5-6]，故本文基于LabVIEW開發了人機交互界面。

在控制系統的主頁面內完成控制模式的手自動切換，手動模式下，工作人員手動調節相關參數和相關指令的操作；自動模式下，控制系統根據預設程序完成對數據的采集與處理，并發出相關指令，同時實時顯示進砂流量、進砂濃度、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頻率等參數，保證了良好的可視化效果，便于工作人員實時監測系統的運行狀態。控制系統主界面如圖4所示。

圖4 控制系統主界面

歷史數據查詢界面包含兩部分內容，在信號曲線中，可以查詢進砂流量、進砂濃度、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頻率等參數在一段時間內的變化曲線，通過曲線的變化趨勢，判斷系統運行的穩定性；在數據查詢中，記錄了系統運行過程中各工藝參數，通過對運行數據的記錄，為后期系統的維護與升級提供了必要的數據支持。歷史數據查詢界面如圖5所示。

圖5 歷史數據查詢界面

3 結論

本文基于LabVIEW設計了絮凝劑自動添加系統，可對進砂流量、進砂濃度、絮凝劑流量以及溢流水濁度值等參數進行采集和處理，從而實時調整絮凝劑添加量，以達到絮凝劑最優使用量。

（1）自動添加系統采用PID算法調節泵送電機頻率，動態調整絮凝劑流量，保證了尾砂濃密效果最優。

（2）自動添加系統嚴格根據工藝要求，依據控制程序調整絮凝劑添加量，減少了人為因素的干擾，保證了系統運行的可靠性。

（3）通過人機交互界面實時監測自動添加系統的運行狀態，及時發現報警故障，保證了系統維護的高效性。