基于DCS控制技術的充填自動化系統設計

施躍新

(南京寶地梅山產城發展有限公司礦業分公司， 江蘇 南京 210039)

0 引言

隨著國家環境保護力度的加大，為了響應國家“十二五”號召，國內各大礦山都在逐步關閉尾礦庫，實現礦山生產“零排放”。在此基礎上，充填采礦法的重要性越來越高。然而，原先的傳統采礦法效率較低，人力物力投入大，難以進行系統化管理。對此，礦山充填自動化系統管理成為必然趨勢。

針對礦山充填自動化系統，國內一些專家學者已對其進行了設計研究。例如吳迪等[1]研制了一套自動化充填料漿環管實驗系統，以實現礦山充填環管輸送工藝的自動化運行；冉濤等[2]在礦山膠結充填站運行過程中，通過操作網絡M-NET實現了對生產參數的實時采集，并將采集參數與數據庫中的標準參數進行對比，以及時發現問題；茶強華[3]使用PLC控制系統實現了膏體充填配料自動化控制，通過上位機設定膏體配比及尾砂流量，系統可全自動配料，并可將工藝流程在電腦屏幕上動態顯示；呂世武等[4]在阿舍勒銅礦充填站建設了分層、分布式的自控系統，對充填料漿進行檢測、計量、控制和調節。

目前，一般的充填系統自動控制大多采用PLC控制系統，不具備統一顯示操作和分散控制功能[5]。根據某礦山現有充填設備與工藝，設計一套采用冗余DCS控制系統的充填自動化系統。DCS系統支持分布式部署[6]，具備安全可靠雙冗余的高速通信網絡，自帶冗余CPU，可以實現對采集及輸出信號品質的判斷與標量變換、故障帶電拔、隨機變化，系統的拓展性與開放性良好。系統具備三維展示操作、一鍵連鎖啟停、故障連鎖停車、設備運行狀態監控、報警等功能。系統建設成功后，將極大地降低勞動力成本，提高充填質量與充填效率，確保充填體的穩定性與回采的安全性[7]。

1 總體設計

系統設計采用 3+2的多層結構，即三層設備+兩層網絡，層級結構如圖1所示。

圖1 系統層級結構

三層設備包括：

（1）執行層：現場設備（傳感器、執行器、機電一體化大型設備）；

（2）控制層：控制設備（控制器等）；

（3）管理層：操作設備（操作員站、工程師站）。

兩層網絡包括：

（1）控制網：現場設備與控制器之間的通信連接，系統采用以太網、MODBUS、PROFIBUS等標準通用接口，方便實現與第三方設備、PLC系統、智能儀表、智能電氣設備的通信；

（2）管控網：控制設備與管理層操作設備之間的通信連接，通過以太網實現。

主干網絡和下層控制網絡采用 IP網絡的結構模式，運行協議為以太網相關協議，其他傳感器信息采集網絡符合抗干擾和傳輸距離規范。網絡連接架構選用星形和環網混合結構，所有網絡交換機應至少預留3個以上接口，以便擴充應用。

2 充填工藝參數控制與監測

由于整個充填工藝需要多個流程相互配合才可實現，根據某礦山的充填總體工藝流程，將系統劃分為：中控室主控站，分級脫水車間、分級尾砂堆場與充填系列3大分控站。主控站與分控站均設有PLC柜與觸摸面板，各自管控相應流程運行。

2.1 中控室主控站

2.1.1 主控站設備

與主控站連接的設備主要為通用輔助設備設施，以及機電一體化設備，包括：深錐濃密機、絮凝劑制備系統、空壓機、廢水池液位計與潛污泵、事故池潛污泵、充填站設備開車警鈴與運行警示燈。

2.1.2 控制監測內容

與深錐濃密機、架凝劑制備控制系統、充填站空壓機、廢水池潛污泵PLC控制系統對接，實現設備遠程控制啟停，并通過標準協議獲取深錐濃密機的啟、停、故障等工作狀態，以及各工作參數。

在1000 m和500 m的高位水池安裝液位傳感器，對高位水池的水位進行監測；

在充填站旁邊廢水池內設置液位計，檢測廢水池液位，廢水池液位異常時進行報警。

2.2 分級脫水車間分控站

2.2.1 系統工藝

分級脫水車間主要負責選廠全尾砂的濃密分級以及粗砂脫水。其工藝流程為：選礦廠出來的尾礦由泵站揚送至濃密機，濃密機的底流由泵揚送至水力旅流器組，旋流器組的粗粒級底流自流至陶瓷過濾機過濾。濃密機的溢流利用泵揚送至新深錐濃密機進行再次濃密。

其對應的設備主要為濃密機、濃密機底流泵、濃密機溢流泵、陶瓷過濾機。

2.2.2 控制監測內容

在選廠尾砂輸送管道上安裝射線濃度計與電磁流量計，監測選廠尾砂的濃度、流量。

遠程控制濃密機及其底流泵、溢流泵啟停及工作參數，在底流泵出口管路安裝壓力變送器和射線濃度計，監測底流泵出口壓力和出口砂漿濃度，此參數可以通過改變底流泵電機來運行參數控制。

陶瓷過濾機由于其顯著的節能、高產、濾餅水份低、超群的回收率及水資源利用率高，廣泛用于地下礦山[8]，但因其材質容易損壞，需要遠程控制，并實時監測其內部運行參數，保證其穩定運行，并在其附近布置警鈴與警示燈，在機器運作前及運作時報警提示。

2.3 分級尾砂堆場分控站

2.3.1 系統工藝

尾砂堆場主要負責分級尾砂的輸送、儲存和供料。分級尾砂由陶瓷過濾機過濾后，通過帶式輸送機輸送至堆場并進行堆場布料，經尾漿沉淀場沉淀后，通過汽車運送至分級尾砂堆場。充填作業時，尾砂由鏟車或帶式輸送機輸送至砂倉，通過砂倉底部振動給料機、布料帶式輸送機，由布料帶式輸送機上的犁式卸料器對緩沖尾砂倉進行卸料。本分控站對應的設備包括：5條帶式輸送機、1條布料帶式輸送機、4臺犁式卸料器。

2.3.2 控制監測內容

在陶瓷過濾機下與受砂倉下帶式輸送機上安裝皮帶秤，對運輸物料進行自動稱重，系統對接皮帶秤實時獲取計量數據；

受砂倉頂部安裝雷達料位計，監測砂倉內的物料高度；

遠程連鎖控制 5條帶式輸送機啟停及工作參數，啟動順序原則上按原物料走向的逆向順序依次啟動，正常停機的順序按照物料走向的正向順序依次延時停車，啟停時間間隔應足夠處理該設備上的剩余物料，其中每條輸送機的各個拉繩開關、輕跑偏開關、重跑偏開關的信號獨立接入系統，可實現對故障地點進行精確定位，且每條輸送機兩側分別布置警示燈，堆場車間內布置警鈴，由系統自動控制，在設備作業啟動前進行報警提示。

其中三號輸送機需要能夠正反向移動，正向移動輸送物料至四號輸送機，反向移動輸送至尾漿沉淀場，并可自動控制其他輸送機的啟停。為此，在三號輸送機配置自動布料系統，運行人員只需在上位機設置相關卸料參數，系統根據皮帶定位系統和料位監測系統自動控制皮帶的移動和卸料。自動布料系統分為以下子系統。

（1）皮帶定位系統。通過RFID定位方式，對皮帶的布料位置進行定位。在皮帶軌道一側間隔安裝RFID射頻卡/磁釘，在皮帶布料口側面安裝RFID讀卡器/磁釘識別器，用于對皮帶位置進行定位。

（2）料位測量系統。在皮帶布料位置下方，設置下方開口的防震、不銹鋼箱，箱內安裝高精度雷達物位計，對布料位置下方的物料高度進行測量。

（3）電控系統。將帶式輸送機供電的接觸器改為常閉狀態，同時接入兩端限位開關，當帶式輸送機行走至限定位置觸發限位開關時，斷開系統供電，實現帶式輸送機的緊急停車。電控系統同時需要為帶式輸送機上其他子系統進行供電。

（4）安全保障系統。自動布料系統具備 3層安全保障：第一，智能控制系統+定位系統程序保障。在帶式輸送機上設定皮帶可移動區域，控制系統根據皮帶的實時定位進行判斷，當皮帶移動超出可移動區域時，控制系統控制皮帶停機并進行反向移動。第二，預警限位裝置。在帶式輸送機上安裝2個限位開關作為預警限位，當皮帶移動至相應位置觸發開關時，信號立刻傳輸至控制系統，由系統控制皮帶停機并開始進行反向移動。第三，停車限位裝置。在帶式輸送機上安裝2個限位開關作為停車限位，當皮帶移動至相應位置觸發開關時，限位開關直接控制帶式輸送機的供電電路斷電，使皮帶由于停電停車。

（5）通訊系統。控制系統、皮帶定位系統、料位測量系統、電控系統、預警限位系統、停車限位系統與上位機、服務器的通訊，使用無線+光立式，在皮帶兩端分別設置無線通訊設備發射端，在軌道兩端分別設置無線通訊接收墻，并通過光纖與現場分站連接安全保障系統。

2.4 充填系列分控站

2.4.1 系統工藝

由分級尾砂緩沖倉下方的計量皮帶給料機向過料斗輸送分級尾砂；由深錐濃密機底流泵向過料斗輸送細尾砂料漿；水泥倉內水泥通過穩流裝置、螺旋給料機、螺旋秤輸送至過料斗；通過管道泵將高位水池中清水輸送至過料斗；過料斗內物料進入攪拌系統后，通過一級臥式攪拌機和二級臥式攪拌機進行充分攪拌，形成高濃度料漿自流進入充填工業泵的料斗，泵送至充填鉆孔儲料斗后自流進入井下充填管網。充填工業泵的出口設置切換閥組系統，實現充填工業泵與充填管路的切換功能，保證每臺充填工業泵都有相鄰近的充填工業泵可以用作備用泵，并可以實現自動切換。

充填系列分控站對應的主要設備包括：分級尾砂緩沖倉底的計量皮帶給料機；深錐濃密機的底流泵及相應的截斷閥，細尾砂料漿輸送管路上的電磁流量計、濃度計、調節閥；水泥倉頂部的雷達料位計，水泥倉底部的穩流裝置、氣動破拱裝置、螺旋給料機、螺旋秤；調濃水給水管路上的管道泵、電磁流量計、調節閥；一級攪拌機、二級攪拌機、攪拌機料斗處的雷達料位計、攪拌機出料口的調節閥；充填泵料斗頂部雷達料位計，充填系統事故池管路切換閥門組；出口管路閥門切換系統閥門組。

2.4.2 控制檢測內容

在分級尾砂緩沖倉頂部安裝雷達料位計，對緩沖倉中尾砂料位高度進行監測；遠程控制其下方帶式輸送機啟停，并安裝皮帶秤，監測下料量，實現尾砂精確配給。

遠程控制深錐濃密機底流泵啟停；在細尾砂料漿輸送管路上安裝超聲波流量計和射線濃度計，監測料漿流量、濃度；通過遠程控制流量調節閥，實現細尾砂料漿的精確配給。

遠程控制水泥倉頂部除塵器的啟停，并監測其電機運行參數，防止發生爆倉；在水泥倉頂部安裝雷達料位計，對水泥倉內部水泥料位高度進行監測；遠程控制水泥倉底部破拱裝置、空壓機啟停，保證水泥可以連續出料；遠程控制水泥倉底部穩料器、螺旋給料機、螺旋秤啟停，并監測螺旋給料機運行頻率、螺旋稱示數，通過調整螺旋給料機頻率控制出料速度及出料量。

遠程控制調濃水管路上管道泵、調節閥啟停，并在管路上安裝電磁流量計，監測調濃水流量，根據充填需求調整調節閥，以控制流量大小。

遠程控制2臺臥式攪拌機及對應出口調節閥的啟停，每臺均安裝料位計以監測料斗中料位；對于二級攪拌機，需要在其料漿出口管路安裝電磁流量計、射線濃度計，以實時監測料漿流量、濃度，并可通過調整調節閥控制出料流量。

遠程控制充填泵、管路切換閥門組，以根據充填需求隨時切換出料口；在充填泵儲料斗安裝雷達料位計，監測儲料斗中料位高度；在充填泵出口管路安裝壓力變送器，監測充填泵出口的料漿壓力。

2.4.3 控制邏輯

根據分級尾砂緩沖倉的料位、累計充填流量、充填目標流量，與尾砂堆場分控站聯動，控制相關設備對緩沖倉給料。根據分級尾砂計量皮帶的下料量、細尾砂料漿輸送管路的流量、濃度、供水管路的流量、水泥螺旋給料機、螺旋秤計量數據、二級攪拌機料漿出口管路流量、濃度的監測數據，結合充填目標濃度和流量自動調節分級尾砂計量皮帶下料量、細尾砂料漿輸送流量、供水管路流量、水泥螺旋給料機給料量；當系統監測到設備發生故障需要終止充填時，自動停止充填工作，并將管路切換到事故池，排空充填管路中的料漿。

3 系統功能

由于井下充填量波動較大，每天充填作業的采場數多，對充填料漿的要求不同，這對充填系統的自動化和智能化提出了較高的要求。因此，設計配套建設智能充填管控系統，搭建集三維綜合展示、生產調度、設備管理、運營管理、視頻監控、安全管理等功能于一體的生產運營管理平臺，實現充填站的可視化、一體化綜合管控，全面提升充填站的生產、管理、運營水平。

智能充填管控系統是生產指揮的重要信息樞紐，面向生產管理、安全環保管理和經濟決策，具有嚴格的時間性和連續性，系統能夠實時監控、協調、管理、指揮尾礦資源綜合回收和充填全生產過程，保證企業按計劃安全完成充填任務，也給企業領導提供最全面、直接、準確、及時的安全和生產方面的信息，實現過程監控、成本控制、安全監測，為企業的科學管理和決策保駕護航。

采用 WebGL標準協議，以工業圖形標準OPenGL ES 2.0為底層，構建二三維一體化地圖系統，利用數字化工具構建分級脫水車間、分級尾砂堆場和充填站實景三維模型，將工藝數據、設備運行數據、監測數據、視頻監控數據進行統一歸集，并在系統上進行可視化展示，建立一個面向尾礦資源綜合回收和充填全工藝流程的三維可視化物聯網智能充填管控系統。系統可通過采集的數據對生產情況進行分析，實現技術裝備智能化、信息傳輸網絡化、生產過程自動化、管理信息化、決策科學化。

智能充填管控系統的用戶為生產運行過程中的管理人員、操作人員，不同的人員登錄后根據各自不同的權限，可以進入不同的功能模塊，系統同時設計有移動端APP。各模塊主要功能設計如下。

3.1 三維綜合展示

（1）建立分級尾砂脫水、分級尾砂堆場和充填站的實景三維模型，模型中按照真實比例和實際位置，標定設備(濃密機、帶式輸送機、振動給料機、監控攝像頭、攪拌機、充填泵等)的位置，展示重點設備實時運行狀態及參數。

（2）在頁面上方固定信息欄顯示時間、當日充填量、當月累計充填量、水泥消耗量、設備故障提醒等信息，可根據用戶重點關注內容，設置顯示信息種類及順序。

（3）界面中選擇相應設備，可展示所選設備信息面板，面板中顯示設備基本信息、設備運行狀況、設備運行記錄。設置維護保養信息鏈接，點擊顯示所選設備保養記錄、維修記錄及備件更換記錄。

（4）界面中選擇攝像頭，可展示相應攝像頭的實時監控畫面。

（5）界面中選擇堆場，可展示堆場的物料高度情況。

3.2 生產調度

（1）一鍵充填。通過可視化界面制定充填任務，選定充填區域和計劃作業時間后，系統自動根據充填區域的強度要求、工藝設計，結合設備運行信息，確定料漿制備參數、設備和閥門的啟動順序和間隔，實現不同區域的定制化充填，同時將指令信息發送給自動控制系統，實現一鍵充填。

（2）采充平衡。通過建立采充動態平衡分析模型，實現對回采和充填環節的動態仿真，為制定充填計劃和優化回采計劃提供數據支撐，實現采充平衡。

（3）設備運行監測。系統對接DCS自控系統，采集濃密機、帶式輸送機、振動給料機、攪拌機、充填泵等設備的實時運行數據。在界面內選中設備時，展示該設備實時運行數據，包括設備運行時長、開停記錄、關鍵運行參數（如皮帶轉速、軸溫等）、報警信息等，并可按時間范圍（起始年月日—結束年月日）、設備種類所屬車間來查詢設備運行時長、累計時長、開停記錄等歷史信息。

（4）報警查詢。系統對接DCS自控系統，采集設備實時報警信息，信息包括設備名稱、設備位置、運行狀態、報警時間等，并可按時間范圍、報警分類、設備種關、處理結果等條件查詢設備報警信息。

3.3 設備管理

（1）設備信息管理。管理員或特定用戶將所需設備信息錄入數據庫，并可編輯信息，可上傳紙質資料以及圖紙資料。所有用戶均可按設備名稱、設備編號、設備位置、設備廠家、設備型號，進行單一或組合條件查詢。

（2）設備巡檢。巡檢人員對設備進行巡檢時，使用手機 APP掃描二維碼獲取巡檢區域信息和相應巡檢項目表（可離線操作），按要求完成巡檢后，上報巡檢情況。有不合格巡檢項目時，系統根據巡檢結果，自動發起設備維修流程。在巡檢點無手機信號的情況下支持離線巡檢，巡檢信息在有網絡信號時自動上傳。特定用戶可按設備類型、巡檢人員、巡檢時間范圍、巡檢級別、巡檢周期等條件，進行單一或組合條件查詢，以列表形式展示巡檢記錄。

（3）設備維修。設備維修與設備巡檢模塊進行聯動，巡檢時發現問題，系統自動根據巡檢結果發起設備維修流程，無需人員對本流程節點進行操作。

具備相應權限用戶通過手機 APP錄入設備隱患及故障信息：發現時間（手動選擇，默認為當前時間，精確到分鐘），設備類型、設備編號（可掃描巡檢二維碼獲取） ，級別（手動選擇，分為一般、急、緊急三個級別），類型（手動選擇，根據設備名稱彈出選項），故障描述情況。

經專人現場檢查后，將檢查信息上報指定部門；部門人員處理反饋后，現場人員進行現場整改。所有用戶均可查看維修記錄。

3.4 運營管理

系統會自動根據流量計、螺旋秤、皮帶秤等儀表采集水、水泥、尾砂等充填材料的消耗量并保存。用戶可按時間范圍查詢各月、各車間的水、電能耗和水泥、尾砂用量，以列表形式展示。

系統將生產計劃、實際充填量、設備維護管理、運行能耗、生產成本等相關數據進行優化整合，以日常生產報表、多維數據統計、關聯分析、多維度分析圖等方式，為管理者提供準確高效的決策依據。

4 結論

該系統基于 DCS控制技術，實現了充填工藝的自動化檢測與控制。由計算機代替人工，自動控制充填設備，實時監控充填參數，極大降低人工勞動成本，優化操作人員崗位，達到減員增效的目的，而且提高了充填質量與效率，確保了充填體的穩定性與回采的安全性。系統的三維展示、生產調度、設備與運營管理功能可以幫助管理部門更加精準管理，科學控制。