喻 甜 曾 露 尹 勝

（飛翼股份有限公司）

某金屬礦于2021 年進(jìn)行了充填試運(yùn)行后，充填系統(tǒng)制備輸送能力為80～100 m3/h，膏體濃度77%～79%，最長連續(xù)運(yùn)行時間6～8 h，系統(tǒng)工藝流程較為順暢，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)基本達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，同時該系統(tǒng)也出現(xiàn)濃密機(jī)壓耙、充填料漿輸送管道堵塞、充填料漿制備參數(shù)控制精度較差、操作較為不便等問題，需要對該系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，以保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，并平穩(wěn)達(dá)產(chǎn)。

1 系統(tǒng)存在的技術(shù)問題和難點

（1）尾砂給料濃度及流量的穩(wěn)定性。尾砂給料采用的工藝流程［1］：選廠尾砂經(jīng)深錐濃密機(jī)濃密后，其底流由渣漿泵輸送至攪拌機(jī)。在試運(yùn)行過程中輸送至攪拌機(jī)的全尾砂漿濃度及流量波動較大，特別是在開機(jī)階段其流量可在60～100 m3/h波動，最大甚至超過120 m3/h，雖可由渣漿泵電機(jī)頻率及電動夾管閥開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，但受多因素影響，其自動調(diào)控作用有限。由于濃度特別是流量的波動導(dǎo)致尾砂干量的波動，從而給后續(xù)各材料的配比控制造成影響，進(jìn)而影響膏體質(zhì)量。

（2）配比控制精度及信號滯后問題?，F(xiàn)水泥給料量及廢石給料量采用定量控制模式。當(dāng)尾砂干量波動時，水泥給料量及廢石給料量并不隨之自動調(diào)節(jié)，加之膏體濃度檢測布置于膏體輸送泵出口的充填管道上，由于攪拌機(jī)自身容積等因素影響，膏體料漿濃度及配比精度得不到及時自動調(diào)節(jié)，從而影響到膏體質(zhì)量及輸送性能。

（3）充填料漿濃度及管道壓力波動。各物料配比的波動必然導(dǎo)致充填料漿濃度及粒級組成的變化，從而使膏體充填料漿的輸送性能產(chǎn)生變化。由于輸送管道長度超過2 500 m，且向下輸送高差達(dá)500 m以上，當(dāng)充填料漿濃度較低或-20 μm極細(xì)顆粒含量＜15%時，易于產(chǎn)生離析、輸送阻力變化較大等現(xiàn)象，增加堵管風(fēng)險。

2 解決方案

針對充填系統(tǒng)存在的問題，提出如下解決方案。

（1）全尾砂廢石膏體泵送充填系統(tǒng)整體控制架構(gòu)設(shè)計及軟件開發(fā)。在對充填工藝［2］、控制參數(shù)及其邏輯關(guān)系［3］進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計覆蓋膏體充填料漿制備、輸送全工藝過程的控制系統(tǒng)架構(gòu)，開發(fā)相應(yīng)的控制軟件，從而使充填系統(tǒng)運(yùn)行得到有效調(diào)控。

（2）膏體制備過程的智能控制技術(shù)及一鍵充填。在實現(xiàn)多回路自動控制［4］的基礎(chǔ)上，將尾砂干砂量作為主控參數(shù)，對其他配比物料流量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)；針對信號滯后影響，采用先進(jìn)的PID、RC 濾波、數(shù)據(jù)濾波等算法和比例曲率等函數(shù)，實現(xiàn)膏體配比的智能控制；將系統(tǒng)所有設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、儀表信號等接入中控室，編制合理的開停機(jī)程序，實現(xiàn)一鍵充填。

（3）工藝保障技術(shù)研究及設(shè)備工藝改進(jìn)。對現(xiàn)有造漿水路、沖洗水路、濃密機(jī)自循環(huán)管路等進(jìn)行適當(dāng)改造，加裝相應(yīng)檢測儀表，同時對系統(tǒng)核心設(shè)備設(shè)置與充填工藝相適應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)，為充填系統(tǒng)穩(wěn)定及設(shè)備安全運(yùn)行提供保障。

（4）基于充填管道壓力檢測的膏體充填泵運(yùn)行參數(shù)調(diào)控及防堵管技術(shù)。于充填管道主中段布置多組壓力轉(zhuǎn)感器并將其信號傳輸至中控室，在分析管道壓力變化趨勢及充填系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)上，對充填料漿配比及膏體充填泵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)膏體充填料漿的順利輸送，防止堵管事故的發(fā)生。

（5）數(shù)據(jù)庫建立、主控畫面優(yōu)化及功能延伸。建立充填系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、報警記錄、事故處理等數(shù)據(jù)庫，設(shè)置邏輯關(guān)系清晰、層次分明的主控畫面并具備延伸功能。

3 智能化控制系統(tǒng)改造

3.1 總體方案

智能化控制系統(tǒng)［5］負(fù)責(zé)實現(xiàn)整個充填系統(tǒng)的一鍵式自動化運(yùn)行，包括全尾砂濃密系統(tǒng)+廢石上料計量系統(tǒng)+水泥給料系統(tǒng)+調(diào)濃水系統(tǒng)+攪拌泵送系統(tǒng)+管路閥組系統(tǒng)等環(huán)節(jié)的自動化控制和異常報警等環(huán)節(jié)的自動化控制。整個智能化控制系統(tǒng)分現(xiàn)場操作箱手動控制和計算機(jī)自動控制兩部分?，F(xiàn)場安裝就地控制操作箱，設(shè)備現(xiàn)場控制可以在控制箱上完成，避免因PLC電氣故障影響系統(tǒng)的正常使用。操作室遠(yuǎn)程操作和現(xiàn)場控制箱就地操作可以進(jìn)行無擾動切換。

采用多原料充填系統(tǒng)連續(xù)配料的復(fù)雜工藝，充填體強(qiáng)度要求高且需穩(wěn)定，連續(xù)穩(wěn)定精確配比是保證充填質(zhì)量的關(guān)鍵，要求控制系統(tǒng)更加自動化、智能化，使生產(chǎn)作業(yè)流程安全高效、充填質(zhì)量穩(wěn)定。

飛翼股份憑借在尾砂膠結(jié)充填領(lǐng)域強(qiáng)勁的研發(fā)能力和豐富的實踐經(jīng)驗，設(shè)計開發(fā)了“全尾砂膠結(jié)智能化控制系統(tǒng)”，以保證尾砂膠結(jié)充填的持續(xù)生產(chǎn)能力和充填質(zhì)量為目標(biāo)，針對充填系統(tǒng)各工藝過程設(shè)計可靠的控制方案，采用全景狀態(tài)監(jiān)測對工藝過程和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和分析，持續(xù)改進(jìn)工藝過程的控制，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)和設(shè)備的異常表現(xiàn)并進(jìn)行預(yù)案處理，形成一個智能化充填系統(tǒng)［6］。

3.2 總體架構(gòu)

按照網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（圖1）［7］將自動化系統(tǒng)分為濃密機(jī)耙架控制（采用S7-1200 成品機(jī)柜）、絮凝控制（采用S7-1200成品機(jī)柜）、濃密機(jī)底流（采用S7-300成品機(jī)柜）［8］、攪拌機(jī)子系統(tǒng)（采用S7-1200成品機(jī)柜）、新增廢石子系統(tǒng)（采用S7-1500成品機(jī)柜［9］）、泵送子系統(tǒng)（采用S7-300成品機(jī)柜）、水泥子系統(tǒng)共7個子系統(tǒng)，6個子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)實現(xiàn)控制系統(tǒng)組網(wǎng)，水泥子系統(tǒng)通過硬接線接入到中控PLC柜［10］。子系統(tǒng)分別就地安裝于現(xiàn)場的各指定機(jī)柜中，每個機(jī)柜只安裝一個站點，用于完成就近儀器儀表的數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行結(jié)構(gòu)的過程控制及就近子系統(tǒng)的工藝流程控制。

根據(jù)現(xiàn)場工藝流程要求，實現(xiàn)全流程整體自動控制。通過對充填過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲和分析，挖掘隱藏在數(shù)據(jù)中的有價值信息，幫助優(yōu)化充填工藝和提高生產(chǎn)效率。數(shù)據(jù)分析技術(shù)能夠識別出充填過程中的關(guān)鍵參數(shù)和影響因素，找到最佳的控制策略和優(yōu)化方案，保證充填系統(tǒng)輸出質(zhì)量穩(wěn)定。

3.3 智能控制

3.3.1 一鍵充填

在礦山開采過程中，為了確保礦山的穩(wěn)定性和安全性，通常需要進(jìn)行填充處理。傳統(tǒng)的填充方式可能需要大量的人力和時間，而一鍵充填則能夠提高填充的效率和準(zhǔn)確性。一鍵充填通常指的是按照充填工藝和配方，操作員點擊“一鍵充填”后，充填自動控制系統(tǒng)依照充填任務(wù)單，自動運(yùn)行，若運(yùn)行過程中有異常情況，則可以按下“一鍵充填停止”鍵，系統(tǒng)則按照流程自動停止。所有過程全靠智能化程序和邏輯運(yùn)算、算法來運(yùn)行。具體的軟件架構(gòu)和硬件架構(gòu)見圖2和圖3。

該階段充填自動控制系統(tǒng)以配方和泵送能力確定各物料（尾砂、廢石、水泥、調(diào)濃水、絮凝劑等）的目標(biāo)給料能力，實時監(jiān)控物料實際能力，對比分析實際數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)的偏差，根據(jù)模型算法自動調(diào)整設(shè)備進(jìn)行能力糾偏，使得各物料實際數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)的偏差在允許誤差范圍內(nèi)。對充填過程中溫度、液壓油位、充填方量、充填濃度、充填流量、充填液位等參數(shù)實時監(jiān)測和控制。采用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和模型預(yù)測等算法，通過對歷史充填數(shù)據(jù)的分析和建模，預(yù)測充填過程中的最佳參數(shù)配置和最優(yōu)化控制策略。這些算法能夠根據(jù)實際情況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，提高充填過程的穩(wěn)定性和效率。整個系統(tǒng)自動運(yùn)行，運(yùn)行到累計充填方量達(dá)到設(shè)定充填參數(shù)后，系統(tǒng)自動停止配料，進(jìn)入下一個階段。

當(dāng)系統(tǒng)停止配料后，自動進(jìn)入充填管路清洗階段，系統(tǒng)按照工藝參數(shù)里面的清洗管路時間，自動給水至攪拌機(jī)清洗設(shè)備，清洗水經(jīng)底流輸送泵泵送，清洗整個充填管路，待達(dá)到設(shè)定的清洗管路時間，停止給水，最終啟動風(fēng)水聯(lián)動裝置，清洗管路，充填結(jié)束。

3.3.2 狀態(tài)監(jiān)測

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在一鍵充填系統(tǒng)之外對工藝過程和設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)測和預(yù)警分析，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。系統(tǒng)運(yùn)行中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集并形成數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)主要有進(jìn)砂流量、濃度，濃密機(jī)油壓，泥層高度，絮凝劑溶液添加流量，底流循環(huán)流量，濃度，至攪拌機(jī)的尾砂漿輸送流量、濃度，水泥給料量，廢石給料量，補(bǔ)充水流量，第二級攪拌機(jī)料位，充填膏體輸送泵油壓，井下沿程壓力傳感器壓力等信號。通過對工藝過程的運(yùn)行控制參數(shù)和監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，提前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)工藝過程異常征兆，并進(jìn)行預(yù)警報警處理，保證工藝過程穩(wěn)定可靠。在整個充填過程中，運(yùn)行數(shù)據(jù)保存在服務(wù)器中并始終在分析系統(tǒng)和設(shè)備的狀態(tài)，為系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行提供有力的保障。

3.3.3 3D數(shù)字孿生系統(tǒng)

某金屬礦一鍵智能充填平臺（圖4）正是基于數(shù)字孿生技術(shù)，使企業(yè)遠(yuǎn)程智能化控制成為可能，企業(yè)遠(yuǎn)程智能化控制的實現(xiàn)可以大大減少現(xiàn)場人員配置，降低現(xiàn)場智能化控制成本，提高服務(wù)效率。智能充填平臺包含了充填系統(tǒng)的操作和遠(yuǎn)程監(jiān)控，主要是以充填無人化為特征的設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，還包含了遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)保養(yǎng)和遠(yuǎn)程專家數(shù)據(jù)分析決策等。不論工廠工程師和工藝專家身在何處，都可以使用遠(yuǎn)程智能化控制來監(jiān)控生產(chǎn)過程，提供智能化控制支持，并根據(jù)需要快速排除問題。數(shù)字孿生是充填數(shù)字化轉(zhuǎn)型快速有效的使能技術(shù)，基于數(shù)字孿生建立礦山智能管控系統(tǒng)，對充填設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控，便于技術(shù)人員和專家為礦山提供更好的遠(yuǎn)程服務(wù)，對采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，優(yōu)化充填運(yùn)營。在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建適用于充填的數(shù)據(jù)分析算法，使海量數(shù)據(jù)可以有效地被用于分析決策。通過算法逐步提高系統(tǒng)自主分析決策能力，實現(xiàn)充填高水準(zhǔn)可視化運(yùn)維、智能化運(yùn)轉(zhuǎn)，為充填任務(wù)降本增效，保證充填任務(wù)高效、安全地進(jìn)行，有效延長設(shè)備使用壽命，增強(qiáng)充填安全保障，提高生產(chǎn)經(jīng)營效益，向建設(shè)本質(zhì)安全型無人化智能充填模式邁進(jìn)，是實現(xiàn)智能充填的核心競爭力。

4 結(jié) 論

采用一鍵充填技術(shù)實現(xiàn)了多個參數(shù)的單回路自動控制或多參數(shù)聯(lián)動控制。如水箱自動補(bǔ)水，絮凝劑自動添加，干砂量、水泥、廢石定量給料的自動調(diào)節(jié)，二段攪拌機(jī)料位與膏體輸送泵的聯(lián)動控制等。實現(xiàn)了系統(tǒng)一鍵順序開機(jī)及順序停機(jī)，充填正常作業(yè)過程中，膏體制備及輸送參數(shù)得到了有效的調(diào)控，從而使系統(tǒng)在設(shè)定參數(shù)下穩(wěn)定運(yùn)行。建立了充填系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)庫?？蓪ο到y(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)（包括報警記錄等）進(jìn)行歷史曲線查詢，同時還設(shè)立了生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表，以便于生產(chǎn)管理。

某金屬礦采用一鍵充填技術(shù)可以提高填充作業(yè)的效率和安全性，減少人力和時間成本。同時，它還可以確保礦山開采后的空區(qū)得到合理填補(bǔ)，防止地表塌陷和資源浪費(fèi)。通過遠(yuǎn)程監(jiān)測可以直接查看現(xiàn)場設(shè)備當(dāng)前的情況。系統(tǒng)應(yīng)用后，減少工位人員12名，包括中控操作人員、機(jī)電人員、維護(hù)保養(yǎng)人員、實驗人員以及檢修工作人員等，在改善原來控制系統(tǒng)的同時，達(dá)到了降本增效的效果。

智能化控制系統(tǒng)通過對底流泵頻率和夾管閥的調(diào)節(jié)，同時引入濃度因素，使用專有控制算法，達(dá)到統(tǒng)一調(diào)度、混合控制的目的。實際調(diào)節(jié)分正常工控、不穩(wěn)定工況及異常工況3 種模式，穩(wěn)定工況下，干砂流量控制比較平穩(wěn)，平均偏差在3%以內(nèi)；不穩(wěn)定工況下流量會有上下波動，平均偏差在5%以內(nèi)。異常工況下，在短時間的大幅波動過后，快速將流量拉回至正常值，可實現(xiàn)全程自動控制的要求。通過對調(diào)濃閥調(diào)節(jié)，將濃度控制在穩(wěn)定狀態(tài)，防止?jié)舛韧蛔儗?dǎo)致的干砂流量不穩(wěn)。通過進(jìn)砂流量濃度啟動絮凝劑制備系統(tǒng)及投加泵，同時計算對應(yīng)投加泵頻率，實現(xiàn)絮凝劑系統(tǒng)的無人值守。