新型地下礦用乳化炸藥現場混裝車控制系統的設計與應用

田惺哲，張 鑫

（1.北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.北京北礦億博科技有限責任公司，北京 100160）

隨著科學技術的發展和進步，在地下金屬礦山開采的穿孔、爆破、鏟裝、運輸四個主要環節中，爆破環節的機械化、自動化水平不斷提升，爆破作業開始向規模化、自動化、少人化、智能化方向發展[1]。新型地下礦用乳化炸藥現場混裝車開始逐步進入地下礦山，取代原有的人工裝藥模式。為了實現爆破裝藥過程中的自動化、少人化、智能化，并適應地下礦山現場惡劣的工作環境，本文針對地下礦用乳化炸藥現場混裝車控制系統的需求進行研究和分析，并提出相應的設計思路，最終完成混裝車控制系統的全新設計，滿足了現場使用需求[2]。

1 混裝車控制系統需求分析

新型地下礦用乳化炸藥現場混裝車包括液壓動力系統、原材料輸送系統、電液比例控制系統、自動送退管系統、多自由度工作臂五部分[3]，其控制系統包括以下功能需求：①考慮到地下礦裝藥過程中空氣流通較差，混裝車采用1140V電壓作為動力電源，驅動液壓系統工作，控制系統需要設計完備的電機控制和保護回路，確保使用過程的電氣安全；②為確保裝藥過程中乳化基質與敏化劑計量精確，控制系統需要選用高精度流量計對乳化基質和敏化劑分別計量，確保所裝填的乳化炸藥性能穩定、計量精確；③針對裝藥過程中壓力變化導致的物料流速變化問題，混裝車選用電液比例控制系統對物料輸送泵進行控制，控制系統需要根據物料流量實時調節輸送泵轉速，確保物料流量與配比穩定；④針對大分段采礦方法中出現的中深孔裝藥問題，混裝車設計了自動送退管系統，控制系統需要精確測量輸藥管長度，并確保送管器與卷筒速度匹配，防止使用過程中出現輸藥管卡管、打滑等現象；⑤為解決現場裝藥過程中上向孔對孔問題，混裝車設計了多自由度工作臂，控制系統需設計無線遙控功能，提高操作人員工作過程中的視野范圍，降低尋孔和對孔難度，提高裝藥效率；⑥為確保乳化炸藥現場混裝過程中無安全隱患，控制系統需要設計完備的安全連鎖保護系統，對裝藥流程實時監控，實現異常報警和連鎖停機功能，并記錄各項生產歷史數據供操作人員查詢。

2 混裝車控制系統設計

針對以上需求，地下礦用乳化炸藥現場混裝車控制系統采用PLC（可編程控制器）作為控制核心，嵌入式觸摸屏作為人機交互界面，手持無線遙控器作為操作終端，工業車載計算機作為數據存儲終端，各類儀表和傳感器作為數據采集單元，包括高壓配電系統、流程控制系統和無線遙控系統三部分。

（1）高壓配電系統。高壓配電系統主要由高壓配電柜構成，在控制系統中負責液壓動力系統控制功能，為混裝車液壓系統和控制系統提供動力和低壓電源。該系統選用多功能斷路器和電機保護器構建完整的電氣保護功能，具備短路保護、過載保護、相序保護、缺相保護、漏電保護、接地故障保護等功能。

（2）流程控制系統。流程控制系統的核心包括過程數據實時采集單元、工藝參數自動計算單元、電液比例控制單元、安全連鎖單元、歷史數據記錄與查詢單元。過程數據實時采集單元分別采用高精度流量計測量乳膠流量和敏化劑流量，采用高精度旋轉編碼器測量輸藥管輸送量和輸送速度，采用壓力變送器和溫度變送器測量乳膠輸送泵出口壓力與溫度，實現裝藥過程各數據的精確測量。

工藝參數自動計算單元調用提前設置好的各項孔網參數和工藝數據，自動計算所裝炮孔需求藥量以及裝藥過程所需的乳膠流量、敏化劑流量、退管速度等參數，提供給電液比例控制單元進行控制。電液比例控制單元對各個液壓設備進行穩定控制，使其運轉速度與所需的系統速度相匹配。在控制過程中，主要體現在送管器與卷筒的速度匹配和敏化劑泵與乳膠泵的速度匹配上。為了保證速度匹配穩定可靠，該單元采用PID控制方法配合電液比例液壓閥組實現各設備的負反饋自動控制，確保裝藥過程中物料流量與退管速度互相匹配，實現炮孔內連續耦合裝藥，防止掉藥情況的發生。PID控制流程圖如圖1（以乳膠泵為例）。

圖1 乳膠泵PID控制流程圖

安全連鎖單元調取過程數據實時采集單元采集的各類數據，實現乳膠斷流報警、乳膠壓力報警、乳膠溫度報警、乳膠泵超速報警、敏化劑斷流報警、系統壓力報警、液壓油溫度報警等安全聯鎖功能，確保系統工作安全。

歷史數據記錄與查詢單元實時記錄裝藥流程中的各項數據和報警記錄，以表格方式進行存儲，并提供乳膠與敏化劑流量曲線圖和送管器與卷筒速度曲線圖供操作人員調閱查詢，確保系統工作過程中的問題可以快速分析解決。

（3）無線遙控系統。無線遙控系統由無線遙控器、信號處理器、PLC控制單元和上位機構成。通過在無線遙控器上進行操作，經過高頻信號調制，將控制信號附加在高頻載波上傳送給信號處理器，由信號處理器進行信號解調，將控制信號解析出來并生成對應的模擬量或數字量信號，傳遞給PLC控制單元完成控制功能；PLC控制單元與上位機通過RS422端口實時通訊，由上位機將需要在無線遙控器上顯示的數據通過RS232端口發送到信號處理器，并由信號處理器對數據進行調制處理發送給無線遙控器終端解析顯示。其具備工作臂控制、裝藥控制、關鍵參數監控等功能，實現操作人員可在任意位置操作工作臂尋孔、對孔并完成裝藥，單孔裝藥完成后控制系統自動將工藝參數調整至下一炮孔，操作人員可在炮孔附近連續操作，大幅降低工人勞動強度，提高工作效率。

3 結論

本文通過對地下礦用乳化炸藥現場混裝車控制系統在實際應用中的需求進行分析，研發設計出新型地下礦用乳化炸藥現場混裝車控制系統，有效減少了現場工作人員的勞動強度，提高了工作效率，實現新型地下礦用乳化炸藥現場混裝車在裝藥過程中自動化、智能化控制，在首鋼集團杏山鐵礦、酒鋼集團鏡鐵山鐵礦等地實際應用中達到了預期效果。