谷龍飛

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

1 前言

隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視和可持續(xù)發(fā)展的要求，目前大部分的坑采礦山都采用充填開采法，既合理處理并利用了尾砂，更提高了采礦安全性和采礦回采率，保護(hù)了自然環(huán)境[1]。在此方法中，充填技術(shù)是核心問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)礦山充填是以連續(xù)充填工藝為主，從工藝控制角度分析，充填工藝相關(guān)設(shè)備具有滯后性和不確定性，相關(guān)參數(shù)相互耦合。由此可見，研發(fā)一套針對(duì)礦山尾砂充填的實(shí)用控制系統(tǒng)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。系統(tǒng)應(yīng)在保證可靠性的前提下，優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)的過(guò)程，提升生產(chǎn)效率和充填系統(tǒng)的易操作性。

2 充填工藝流程

充填工藝中，膠結(jié)連續(xù)充填法應(yīng)用最為廣泛，其工藝流程也相對(duì)比較復(fù)雜。以白象山鐵礦為例，選場(chǎng)產(chǎn)出的全尾砂泵入尾砂濃縮貯存裝置，同時(shí)在砂倉(cāng)進(jìn)口處加入有效的絮凝劑和助凝劑，經(jīng)過(guò)高效的沉淀提高了底流濃度。而尾砂濃縮貯存裝置的溢流水則通過(guò)濃密池返回選場(chǎng)循環(huán)利用，濃密池的底流泥沙則由泥沙泵重新泵入尾砂濃縮貯存裝置。水泥由水泥車直接加入水泥倉(cāng)，來(lái)自臥式砂倉(cāng)的干尾砂通過(guò)圓盤給料機(jī)和帶式輸送機(jī)加入干尾砂倉(cāng)中貯存。充填過(guò)程中，尾砂倉(cāng)底部經(jīng)過(guò)合理造漿，可控制底流濃度大小合適且穩(wěn)定，利用調(diào)節(jié)閥控制流入攪拌槽的底流流量，經(jīng)過(guò)合理配比后的水泥和干尾砂通過(guò)微粉秤、定量給料機(jī)加入攪拌槽，通過(guò)加水調(diào)節(jié)閥控制

加水量。充分?jǐn)嚢韬蟮臐{液經(jīng)過(guò)攪拌槽底部流入充填口，具體流程如圖1所示。

圖1 充填工藝流程圖

3 充填控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1)充填控制系統(tǒng)概述

充填控制系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，在充填攪拌站設(shè)置集中控制室，在集中控制室內(nèi)設(shè)置控制中心，采用遠(yuǎn)程子站形式采集充填工藝流程中現(xiàn)場(chǎng)儀表的檢測(cè)信號(hào)及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，最大限度地減少控制電纜的使用，簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)工藝配置、檢測(cè)儀表安裝位置及配電設(shè)備等情況，選擇設(shè)置多個(gè)遠(yuǎn)程子站，分別采集有關(guān)的檢測(cè)信號(hào)并控制相關(guān)執(zhí)行設(shè)備。

各個(gè)子站之間采用Genius現(xiàn)場(chǎng)總線通信。控制系統(tǒng)與配電設(shè)備(主要指調(diào)速設(shè)備)之間也采用現(xiàn)場(chǎng)總線通信，同時(shí)配合硬線控制電纜確保緊急停車的可靠性。

各個(gè)傳動(dòng)設(shè)備附近設(shè)置機(jī)旁控制箱，用于選擇設(shè)備運(yùn)行方式，控制系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)與礦計(jì)算機(jī)網(wǎng)銜接。

2)充填控制系統(tǒng)構(gòu)成

圖2所示是某充填攪拌站充填控制系統(tǒng)框圖。

該充填站共有4個(gè)充填系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中分別有OKP- 1主控制器負(fù)責(zé)控制1、3號(hào)充填系統(tǒng)和OKP- 2主控制器負(fù)責(zé)控制2、4號(hào)充填系統(tǒng)，當(dāng)某一系統(tǒng)需維護(hù)甚至停電也不會(huì)影響另一套系統(tǒng)的正常工作。4個(gè)人機(jī)接口可以任意接入各個(gè)充填系統(tǒng)中，可以互為冗余備份。

圖2 某充填攪拌站充填控制系統(tǒng)

3)充填控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線

充填控制系統(tǒng)采用了3種現(xiàn)場(chǎng)總線：Ethernet、 Genius、 Profibus。

Ethernet總線：采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)總線，用于人機(jī)接口、上位機(jī)、控制器之間通信，通過(guò)交換機(jī)可以方便與礦內(nèi)局域網(wǎng)連接。

Genius總線：Genius總線是GE-Fanuc的專用總線，其特點(diǎn)是工作可靠、傳輸距離遠(yuǎn)，最大距離達(dá)2 000m，此總線采用屏蔽雙絞線為通信介質(zhì)，施工方便，通信速率高，具有強(qiáng)大的抗干擾性能。

Profibus總線：目前國(guó)際上普遍使用的現(xiàn)場(chǎng)總線，具有非常好的使用效果，采用此種現(xiàn)場(chǎng)總線可以把變頻器及其他控制設(shè)備納入控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)控制柜完成控制范圍內(nèi)的信號(hào)采集和設(shè)備控制功能，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制柜還肩負(fù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的供電功能，控制柜與集中控制室主機(jī)采用總線連接，從而最大限度簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，把維護(hù)工作量降到最低水平。

4)控制系統(tǒng)中信號(hào)采集與調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)以遠(yuǎn)程子站的形式就近采集信號(hào)。以攪拌槽底部為例，此處需采集的信號(hào)較多，如攪拌槽液位、礦漿濃度、礦漿流量、添加水流量、調(diào)節(jié)閥開度等，可集中設(shè)置一個(gè)遠(yuǎn)程I/O站，以硬接線方式采集信號(hào)進(jìn)入子站中輸入模塊，同時(shí)也達(dá)到減少接線的目的。

調(diào)節(jié)控制的實(shí)現(xiàn)也通過(guò)遠(yuǎn)程子站的形式調(diào)節(jié)控制。仍以攪拌槽底部為例，控制系統(tǒng)需控制添加水調(diào)節(jié)閥、礦漿出口調(diào)節(jié)閥等，以硬接線的方式連入遠(yuǎn)程子站中輸出模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制。此部分輸出模塊與前面介紹的輸入模塊統(tǒng)一布置在一個(gè)遠(yuǎn)程子站中。

5)控制系統(tǒng)中的人機(jī)接口

在操作臺(tái)上采用觸摸屏作為人機(jī)接口，它操作方便可靠，除了可以取代傳統(tǒng)的信號(hào)燈、按鈕、開關(guān)、儀表，還具有計(jì)算機(jī)功能，可以適應(yīng)惡劣的工況環(huán)境，且不會(huì)受到計(jì)算機(jī)病毒的干擾。另外，人機(jī)接口可以同時(shí)連接多套系統(tǒng)的主控PLC，多套系統(tǒng)的人機(jī)接口可以互為冗余備份。

觸摸式人機(jī)接口的主要功能有以下幾個(gè)方面：

(1)取消傳統(tǒng)顯示儀表和減少按扭、信號(hào)燈。

(2)作為控制人員的操作窗口。

(3)可以觀測(cè)全部生產(chǎn)的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)。

(4)增加人機(jī)對(duì)話功能，便于各種事故的查找與維護(hù)。

(5)作為上位計(jì)算機(jī)的后備保護(hù)設(shè)備，不受計(jì)算機(jī)病毒的干擾。

(6)使用壽命長(zhǎng)，適應(yīng)充填。

6)控制系統(tǒng)中的上位機(jī)

上位機(jī)具有編程和監(jiān)控功能，通過(guò)上位機(jī)可以對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，同時(shí)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與控制系統(tǒng)連接。

通過(guò)上位機(jī)可以查找和打印各種事故報(bào)警和生產(chǎn)報(bào)表等。

傳統(tǒng)式計(jì)算機(jī)監(jiān)控的主要功能有以下幾個(gè)方面：

(1)程序修改和維護(hù)。

(2)充填工藝流程畫面。

(3)各種工藝參數(shù)顯示及有關(guān)操作。

(4)事故報(bào)警、記錄、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等。

(5)自動(dòng)記錄各個(gè)重要工藝參數(shù)，可以事后查看和分析，并可以用曲線形式顯示。

4 控制系統(tǒng)與配電系統(tǒng)及就地控制設(shè)備銜接

1)控制系統(tǒng)與配電系統(tǒng)的銜接

攪拌站高低壓配電室、回水泵房低壓配電室應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制柜，通過(guò)控制柜完成對(duì)攪拌站及回水泵房?jī)?nèi)的高低壓普通電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的采集，以及輸出控制信號(hào)完成電動(dòng)機(jī)的啟?？刂啤ａ槍?duì)需要變頻設(shè)備的電動(dòng)機(jī)，采用Profibus總線與主機(jī)通信方式，完成對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和啟?？刂啤?/p>

2)就地控制設(shè)備

就地控制設(shè)備采用每臺(tái)設(shè)備附近設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)控制箱，控制箱上設(shè)有按鈕、信號(hào)燈、集中/就地選擇開關(guān)，在控制箱上可以完成就地啟動(dòng)、停止、檢修等功能。在人身和設(shè)備安全方面，在控制箱上可以可靠切斷設(shè)備電源，而且無(wú)論該設(shè)備正處于什么樣的控制狀態(tài)。

5 總結(jié)

本文針對(duì)礦山充填自動(dòng)化控制領(lǐng)域，提出詳細(xì)的工藝控制要求，并且根據(jù)尾砂流量濃度、灰砂比、固化劑流量及攪拌槽液位等不同的被控對(duì)象設(shè)計(jì)出符合要求的控制系統(tǒng)[3]。經(jīng)過(guò)多年和不同實(shí)際生產(chǎn)情況下的連續(xù)應(yīng)用，已經(jīng)充分驗(yàn)證其可靠性和實(shí)用性，能夠在確保安全生產(chǎn)前提下，提高了充填生產(chǎn)的效率，減少了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了設(shè)備的使用壽命，進(jìn)而達(dá)到了提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益的目的與要求。