智能化充填技術(shù)研究與應(yīng)用

段銀聯(lián)，李 濤

（山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司 三山島金礦，山東 萊州 261440）

1 引言

在礦山充填中，充填質(zhì)量主要取決于充填料漿的濃度與灰砂配比。傳統(tǒng)充填料漿濃度與灰砂配比系統(tǒng)采用常規(guī)儀表進行控制，配料成分不穩(wěn)定，直接影響充填效果。長期以來，充填過程的控制（包括濃度控制）主要靠手工操作來完成的。存在著工人的勞動強度大、工作枯燥、易出現(xiàn)工作失誤和產(chǎn)生較大的誤差、難以對充填濃度和灰砂比做到實時控制等缺點。

智能化充填技術(shù)是集工藝、設(shè)備、智能控制等技術(shù)高度融合并通過實踐提升的生產(chǎn)技術(shù)，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、總線技術(shù)、智能管理技術(shù)建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫為研究對象，提高對原料性質(zhì)、設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)狀態(tài)的識別能力，提高控制決策的準確性和適應(yīng)性，用精細化和知識型的生產(chǎn)操作模式代替粗放的經(jīng)驗式的生產(chǎn)模式［1］。

2 充填工藝流程、過程特性及控制要求

2.1 工藝流程概述

新立充填系統(tǒng)包括充填攪拌站和充填溢流水處理站，由中國恩菲工程技術(shù)有限公司設(shè)計。由山東工大中能科技有限公司負責(zé)自動化工程的施工和調(diào)試。充填攪拌站主要包括攪拌站和砂倉兩大部分，建筑面積約為2220m2。充填設(shè)施主要包括地面充填制備站、充填鉆孔和輸送管路等設(shè)施。充填料漿經(jīng)過地面充填制備站制備成充填料漿后，通過充填鉆孔和充填管路自流輸送至井下充填采場。

對充填工藝系統(tǒng)設(shè)計如下：三山島金礦充填系統(tǒng)設(shè)4套1000m3儲量分級尾礦充填系統(tǒng)，直徑9m，高度34m，2個水泥倉，4個高濃度攪拌槽，其中2套為膠結(jié)充填系統(tǒng)，2套為非膠結(jié)充填制備系統(tǒng)（見圖1）。

圖1 充填系統(tǒng)工藝流程圖

充填過程中，對于個別充填倍線比較大時難以自流輸送的充填作業(yè)地點，采用柱塞泵將充填料漿輸送到井下。

2.2 控制工藝要求

根據(jù)現(xiàn)場工藝及生產(chǎn)需要，充填攪拌站及溢流水處理站控制檢測并控制以下信號：

（1）砂倉料位檢測控制及報警；

（2）水泥倉料位檢測及報警；

（3）攪拌桶液位自動控制；

（4）高壓水池液位自動控制；

（5）攪拌槽砂漿濃度控制；

（6）石灰量控制、灰砂比控制；

（7）灰砂比控制；

（8）砂倉造漿風(fēng)量及水量控制；

（9）充填尾礦干礦量計量；

（10）保證水泥給料通暢，防止結(jié)塊；

（11）保證砂倉放砂管路通暢；

（12）實現(xiàn)砂倉造漿水、沖洗水、頂起水的自動控制；

（13）實現(xiàn)1#、2#砂倉放砂管路切換控制，3#、4#砂倉放砂管路切換控制［2］。

2.3 控制系統(tǒng)方案及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲

根據(jù)充填系統(tǒng)工藝整體要求，基于動態(tài)監(jiān)控、優(yōu)化工況，實用便捷、開放冗余，安全高效、穩(wěn)定可靠的原則，利用先進的自動化控制技術(shù)，設(shè)計充填料漿的濃度與灰砂配比系統(tǒng)自動控制方案：針對充填工藝流程及攪拌系統(tǒng)本身存在大滯后、非線性的特點，分析了料漿濃度、料漿配比及水倉液位的現(xiàn)場特性；根據(jù)料漿濃度、灰砂比及水倉液位等參數(shù)不同的控制需求，開發(fā)符合要求的專家PID控制、雙閉環(huán)比值控制及帶死區(qū)的PID控制策略，以保證充填質(zhì)量符合現(xiàn)場的各項要求；通過intouch軟件將專家控制算法在GE RX3I軟件中進行實現(xiàn)，采用結(jié)構(gòu)化編程方法對料漿濃度的專家控制規(guī)則進行梯形圖編程，最終給出料漿濃度的現(xiàn)場運行曲線并達到較為理想的控制效果［3］。

采用美國GE Fanuc，PAC RX3i系列產(chǎn)品，應(yīng)用intouch組態(tài)軟件。PLC總站設(shè)在充填攪拌站，充填攪拌站主站；控制中心置于充填攪拌站，在溢流水處理站設(shè)一套操作員站。

2.4 控制功能、控制策略及算法、組態(tài)軟件功能

2.4.1 控制功能

三山島金礦新立礦區(qū)充填系統(tǒng)屬選礦分級尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)，選礦尾砂經(jīng)分級后，粗粒尾砂作為充填骨料進入立式砂倉，采用風(fēng)動造漿、水動造漿獲得合適的造漿濃度，尾礦在攪拌桶中與水泥按照一定比例混合，攪拌成漿后通過自吸式或柱塞泵輸送進入井下充填。由于礦脈與礦石性質(zhì)決定，充填存在充填次數(shù)頻繁、充填量大的特點。

以“系統(tǒng)穩(wěn)定可靠”為主線，以“濃度控制”為中心，采用切實可行的控制方法，實現(xiàn)充填系統(tǒng)的連續(xù)性、穩(wěn)定性、均勻性，達到貼近工藝、服務(wù)工藝的目的。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2.4.2 控制策略及算法

根據(jù)需實現(xiàn)的料漿配比濃度、灰砂比，將該系統(tǒng)按照工藝流程分為立式砂倉風(fēng)水造漿、灰砂配比均衡可調(diào)、攪拌系統(tǒng)砂水均衡以及溢流水處理系統(tǒng)。

（1）立式砂倉造漿及濃度控制。充填系統(tǒng)采用風(fēng)水聯(lián)動造漿方式。水調(diào)節(jié)造漿濃度，風(fēng)調(diào)節(jié)造漿效果。立式砂倉造漿系統(tǒng)的自動控制包括兩部分：一部分是造漿前的準備工作，采用順序邏輯控制；另一部分是造漿濃度的控制，采用現(xiàn)場人工經(jīng)驗與經(jīng)典的PID閉環(huán)控制相結(jié)合的模糊控制系統(tǒng)。

圖3 風(fēng)水造漿工藝流程圖

圖4 風(fēng)水造漿控制圖

造漿前的準備工作：活化砂倉、頂起水控制、放砂管路沖洗等，保證下砂系統(tǒng)的順暢，該部分順序邏輯控制。

造漿濃度不能僅通過調(diào)節(jié)造漿水量來簡單控制，還需通過控制膠管閥的大小來控制放砂量。控制系統(tǒng)對放砂管路濃度值與流量值進行合理判斷，得出放砂系統(tǒng)的各種工況，同時結(jié)合現(xiàn)場人工操作經(jīng)驗，通過模糊控制進行相應(yīng)的操作，控制造漿濃度。造漿系統(tǒng)是一個大滯后系統(tǒng)和濃度大滯后系統(tǒng)，系統(tǒng)的響應(yīng)時間長，控制系統(tǒng)需考慮變化周期，調(diào)節(jié)不能太頻繁，否則容易造成濃度大震蕩。

（2）灰砂配比均衡控制。灰砂系統(tǒng)包括2個水泥倉、2臺雙管螺旋給料機等構(gòu)成，水泥由水泥倉底部漏斗放出，經(jīng)雙管螺旋給料機均勻給料，沖板流量計計量后進入灰漿攪拌桶。雙管螺旋給料機根據(jù)設(shè)定的灰砂比由變頻器控制給料。調(diào)節(jié)礦漿濃度用水經(jīng)電動調(diào)節(jié)閥進入攪拌桶，設(shè)定的灰漿濃度制成漿體，經(jīng)自吸或柱塞泵送入井下管網(wǎng)充填。

圖5 灰砂配比控制圖

（3）攪拌系統(tǒng)砂水配比控制。攪拌站主要保證充填濃度控制和攪拌桶液位自動化控制。

影響攪拌桶液位的因素有下砂量和井下充填漿液量，下砂管路安裝電動調(diào)節(jié)型膠管閥，利用上位機PID邏輯控制調(diào)節(jié)膠管閥的開度，以此來控制攪拌桶液位。通過充填管路上的濃度計，控制攪拌槽中的調(diào)節(jié)水量。

圖6 充填濃度控制圖

該項目中的其他控制：充填尾礦干礦量計量與控制、砂倉造漿水、沖洗水、頂起水的自動控制、砂倉放砂管路切換控制、蓄水池液位自動控制、調(diào)節(jié)水池液位控制等。

3 儀表及PLC硬件選型

3.1 配合工藝設(shè)備和管路的儀表［4-5］

配合工藝設(shè)備和管路的儀表閥門清單見表1。

表1 充填自動化工程儀表閥門清單

（續(xù)表）

3.2 PLC系統(tǒng)選型

FCS系統(tǒng)主PLC選型推薦品牌及產(chǎn)品系列：美國GE Fanuc，PAC RX系列產(chǎn)品。

PLC控制器應(yīng)支持網(wǎng)絡(luò)通訊功能，保證充填系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與礦級調(diào)度中心系統(tǒng)遠程通訊，充填系統(tǒng)接入礦級綜合自動化平臺。采用網(wǎng)絡(luò)冗余，保證系統(tǒng)的可靠性［6］。

4 經(jīng)濟效益分析

采用的智能化充填系統(tǒng)在國內(nèi)同行業(yè)處于技術(shù)領(lǐng)先水平，可有效地提高充填系統(tǒng)中設(shè)備的運行效率、大幅降低能耗，減少人為因素所產(chǎn)生的誤操作和操作滯后等問題，更將確保充填料漿的準確濃度，全面提高充填系統(tǒng)的生產(chǎn)能力和充填質(zhì)量，取得可觀的經(jīng)濟效益。

具體體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）充填質(zhì)量提高。把充填自動化控制的重點定位在提高充填產(chǎn)品質(zhì)量上，在穩(wěn)定充填濃度的前提下盡可能提高充填系統(tǒng)的可靠程度，料漿濃度控制在設(shè)計濃度的±3%范圍內(nèi)。相比傳統(tǒng)工藝來說，濃度得到了控制，充填質(zhì)量效果變好。有以下幾點好處：提高充填體強度，確保充填質(zhì)量，從而降低礦石的損失率和貧化率；為下一部回采打下堅實的基礎(chǔ)；減少水倉的清理費用。

（2）節(jié)約用灰量。舊充填系統(tǒng)中，對水泥的添加憑借人工經(jīng)驗。水泥的給定是根據(jù)各中段經(jīng)驗下砂量進行手動控制與調(diào)節(jié)的，導(dǎo)致給料量上存在誤差，從而影響充填體質(zhì)量。新系統(tǒng)通過對下砂量（濃度和流量的檢測）和下灰量（沖板流量計檢測）的比例控制，使得給料更加合理、有效地控制了下灰量。按現(xiàn)有充填車間1000m3，每年水泥用量4.8萬t；現(xiàn)建設(shè)的4臺充填系統(tǒng)為4000m3，按照每年水泥用量19.2萬t計算，加裝自動化系統(tǒng)后可減少水泥誤差2%（與人工對比），即0.384萬t水泥，水泥的價格按照419元/t計算，年可節(jié)約成本0.384×419=160.896萬元。

（3）生產(chǎn)異常減少。智能化充填方法各項技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用使得充填生產(chǎn)的前后流程更加匹配：生產(chǎn)流程的穩(wěn)定無疑可減少企業(yè)的意外損失，將帶來可觀的經(jīng)濟效益。

（4）崗位優(yōu)化精簡。通過各種先進檢測技術(shù)、優(yōu)化控制技術(shù)以及信息平臺的應(yīng)用，充填系統(tǒng)生產(chǎn)崗位可精簡50%，按常規(guī)配置16人計算，即可縮減8人的人力成本，節(jié)省數(shù)38.4萬元開支。

（5）生產(chǎn)組織管理模式優(yōu)化。數(shù)據(jù)平臺的應(yīng)用使得管理人員能夠在第一時間獲得生產(chǎn)狀況的統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，提升了管理水平。維護人員借助故障診斷系統(tǒng)可以快速定位故障點，所有的維護提醒、操作等過程均記錄入數(shù)據(jù)庫，管理更加規(guī)范。

綜上所述，智能化充填技術(shù)可為企業(yè)每年增加近200萬元的直接收入，其中避免經(jīng)濟損失160.896萬元以上。間接帶來的經(jīng)濟效益也相當可觀，而且隨著該技術(shù)的進一步發(fā)展，企業(yè)能夠獲得更大收益。

［1］彭倩. 礦山充填的自動控制研究與應(yīng)用[M]. 陜西: 西安科技大學(xué),2011.

［2］崔剛, 陳文楷. 充填料漿濃度控制方式的選擇[J]. 有色金屬,2004(2):7-8.

［3］鄭偉, 劉立. 集散控制系統(tǒng)在大嶺礦充填系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 礦業(yè)研究與發(fā)展, 2006(5):55-58.

［4］馮和平, 劉文. 銅綠山礦山砂倉充填系統(tǒng)的自動控制設(shè)計[J]. 采礦技術(shù), 2009(11):70-72.

［5］胡敏, 黃旭偉, 張?zhí)旒t. 礦山充填系統(tǒng)的儀電控一體化方案設(shè)計[J].冶金自動化, 2007(4):54-56.

［6］劉武團. 充填系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與測試[J]. 有色金屬(礦山部分),2003(6):8-10.