控制系統在白象山鐵礦充填攪拌站的應用

谷龍飛

(中國恩菲工程技術有限公司, 北京 100038)

1 前言

隨著對環境保護的重視和可持續發展的要求，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，保護了自然環境[1]。在此方法中，充填技術是核心問題，目前國內礦山充填是以連續充填工藝為主，從工藝控制角度分析，充填工藝相關設備具有滯后性和不確定性，相關參數相互耦合。由此可見，研發一套針對礦山尾砂充填的實用控制系統有著重要的現實意義[2]。系統應在保證可靠性的前提下，優化生產作業的過程，提升生產效率和充填系統的易操作性。

2 充填工藝流程

充填工藝中，膠結連續充填法應用最為廣泛，其工藝流程也相對比較復雜。以白象山鐵礦為例，選場產出的全尾砂泵入尾砂濃縮貯存裝置，同時在砂倉進口處加入有效的絮凝劑和助凝劑，經過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濃密池返回選場循環利用，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，來自臥式砂倉的干尾砂通過圓盤給料機和帶式輸送機加入干尾砂倉中貯存。充填過程中，尾砂倉底部經過合理造漿，可控制底流濃度大小合適且穩定，利用調節閥控制流入攪拌槽的底流流量，經過合理配比后的水泥和干尾砂通過微粉秤、定量給料機加入攪拌槽，通過加水調節閥控制

加水量。充分攪拌后的漿液經過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 充填控制系統的設計

1)充填控制系統概述

充填控制系統采用分布式控制結構，在充填攪拌站設置集中控制室，在集中控制室內設置控制中心，采用遠程子站形式采集充填工藝流程中現場儀表的檢測信號及設備的運行狀態，最大限度地減少控制電纜的使用，簡化控制系統結構。

根據工藝配置、檢測儀表安裝位置及配電設備等情況，選擇設置多個遠程子站，分別采集有關的檢測信號并控制相關執行設備。

各個子站之間采用Genius現場總線通信。控制系統與配電設備(主要指調速設備)之間也采用現場總線通信，同時配合硬線控制電纜確保緊急停車的可靠性。

各個傳動設備附近設置機旁控制箱，用于選擇設備運行方式，控制系統通過以太網與礦計算機網銜接。

2)充填控制系統構成

圖2所示是某充填攪拌站充填控制系統框圖。

該充填站共有4個充填系統，在控制系統的設計中分別有OKP- 1主控制器負責控制1、3號充填系統和OKP- 2主控制器負責控制2、4號充填系統，當某一系統需維護甚至停電也不會影響另一套系統的正常工作。4個人機接口可以任意接入各個充填系統中，可以互為冗余備份。

圖2 某充填攪拌站充填控制系統

3)充填控制系統現場總線

充填控制系統采用了3種現場總線：Ethernet、 Genius、 Profibus。

Ethernet總線：采用標準的工業以太網總線，用于人機接口、上位機、控制器之間通信，通過交換機可以方便與礦內局域網連接。

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

Profibus總線：目前國際上普遍使用的現場總線，具有非常好的使用效果，采用此種現場總線可以把變頻器及其他控制設備納入控制系統。

控制系統采用現場控制柜完成控制范圍內的信號采集和設備控制功能，同時現場控制柜還肩負對現場儀表和執行機構的供電功能，控制柜與集中控制室主機采用總線連接，從而最大限度簡化控制系統的結構，提高了控制系統的可靠性，把維護工作量降到最低水平。

4)控制系統中信號采集與調節實現

控制系統以遠程子站的形式就近采集信號。以攪拌槽底部為例，此處需采集的信號較多，如攪拌槽液位、礦漿濃度、礦漿流量、添加水流量、調節閥開度等，可集中設置一個遠程I/O站，以硬接線方式采集信號進入子站中輸入模塊，同時也達到減少接線的目的。

調節控制的實現也通過遠程子站的形式調節控制。仍以攪拌槽底部為例，控制系統需控制添加水調節閥、礦漿出口調節閥等，以硬接線的方式連入遠程子站中輸出模塊實現對調節閥的控制。此部分輸出模塊與前面介紹的輸入模塊統一布置在一個遠程子站中。

5)控制系統中的人機接口

在操作臺上采用觸摸屏作為人機接口，它操作方便可靠，除了可以取代傳統的信號燈、按鈕、開關、儀表，還具有計算機功能，可以適應惡劣的工況環境，且不會受到計算機病毒的干擾。另外，人機接口可以同時連接多套系統的主控PLC，多套系統的人機接口可以互為冗余備份。

觸摸式人機接口的主要功能有以下幾個方面：

(1)取消傳統顯示儀表和減少按扭、信號燈。

(2)作為控制人員的操作窗口。

(3)可以觀測全部生產的各種運行數據。

(4)增加人機對話功能，便于各種事故的查找與維護。

(5)作為上位計算機的后備保護設備，不受計算機病毒的干擾。

(6)使用壽命長，適應充填。

6)控制系統中的上位機

上位機具有編程和監控功能，通過上位機可以對程序進行調試，同時對整個控制系統的設備進行監控，上位機通過以太網與控制系統連接。

通過上位機可以查找和打印各種事故報警和生產報表等。

傳統式計算機監控的主要功能有以下幾個方面：

(1)程序修改和維護。

(2)充填工藝流程畫面。

(3)各種工藝參數顯示及有關操作。

(4)事故報警、記錄、報表統計等。

(5)自動記錄各個重要工藝參數，可以事后查看和分析，并可以用曲線形式顯示。

4 控制系統與配電系統及就地控制設備銜接

1)控制系統與配電系統的銜接

攪拌站高低壓配電室、回水泵房低壓配電室應設置相應的控制系統現場控制柜，通過控制柜完成對攪拌站及回水泵房內的高低壓普通電動機運行狀態的采集，以及輸出控制信號完成電動機的啟停控制。針對需要變頻設備的電動機，采用Profibus總線與主機通信方式，完成對電動機運行狀態和啟停控制。

2)就地控制設備

就地控制設備采用每臺設備附近設置現場控制箱，控制箱上設有按鈕、信號燈、集中/就地選擇開關，在控制箱上可以完成就地啟動、停止、檢修等功能。在人身和設備安全方面，在控制箱上可以可靠切斷設備電源，而且無論該設備正處于什么樣的控制狀態。

5 總結

本文針對礦山充填自動化控制領域，提出詳細的工藝控制要求，并且根據尾砂流量濃度、灰砂比、固化劑流量及攪拌槽液位等不同的被控對象設計出符合要求的控制系統[3]。經過多年和不同實際生產情況下的連續應用，已經充分驗證其可靠性和實用性，能夠在確保安全生產前提下，提高了充填生產的效率，減少了人工勞動強度，提高了設備的使用壽命，進而達到了提升企業的競爭力和經濟效益的目的與要求。