一鍵智能充填系統(tǒng)在張莊礦的應用

王南南 余 劍 王玉富 柳 明

（安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責任公司）

張莊礦是特大型地下鐵礦山，開采規(guī)模500萬t/a，礦山具有超細全尾砂大流量充填系統(tǒng)，于2016 年建設完成并投入使用。充填站投產(chǎn)以來，工藝生產(chǎn)穩(wěn)定、可靠，設備運行正常。充填站主體生產(chǎn)設備包括艾法史密斯φ20 m 深錐濃密機1 套、600 m3膠固粉倉2 套、φ2.6 m×3 m 立式攪拌桶及活化攪拌電機3 套，其他配套及附屬設施還有除塵系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、料漿輸送系統(tǒng)等，充填站二樓建有控制中心，包括PLC控制系統(tǒng)、配電系統(tǒng)和操作中心［1］。

然而，PLC控制系統(tǒng)的運行僅僅實現(xiàn)了對充填站設備的遠程啟停和監(jiān)視功能，無法做到對整體生產(chǎn)工藝流程的自動化控制，無法根據(jù)料漿濃度、流量、液位、灰砂配比等重要技術(shù)參數(shù)對生產(chǎn)進行自動調(diào)節(jié)，尤其是當工藝參數(shù)出現(xiàn)波動時無法及時有效的發(fā)現(xiàn)和處理問題。當前系統(tǒng)也存在現(xiàn)場操作人員偏多、勞動強度大的問題。

隨著國家智能制造戰(zhàn)略的實施和礦山智能化的發(fā)展，張莊礦響應寶武集團公司智能制造的號召，完成了充填站控制系統(tǒng)的改造升級。通過充填系統(tǒng)控制技術(shù)研究，充填系統(tǒng)根據(jù)充填任務，在設定充填配比及充填濃度等關(guān)鍵技術(shù)指標下，通過對濃密機底流流量、濃度、攪拌槽料位等關(guān)鍵參數(shù)實時監(jiān)測，系統(tǒng)后臺精確運算，實現(xiàn)一鍵啟動、一鍵停車及充填工藝設備間的連鎖保護，達到全流程多設備協(xié)同作業(yè)。

1 充填系統(tǒng)自動化控制存在的不足

充填站操作人員可以通過計算機遠程啟停大部分的設備及子系統(tǒng)，但是生產(chǎn)模式一直停留在遠程單機操作加現(xiàn)場人工配合的模式，主要存在的問題如下。

（1）深錐濃密機放礦濃度缺乏有效的檢測手段，無法實現(xiàn)充填干砂量的計算和統(tǒng)計，進而導致無法對用灰（膠固粉）量進行精確的控制，灰砂配比不穩(wěn)定會影響充填體強度的穩(wěn)定。

（2）攪拌桶制備系統(tǒng)缺乏有效的液位檢測和料位自動控制功能，生產(chǎn)時操作人員必須在設備近處監(jiān)控，此作業(yè)面內(nèi)粉塵和噪聲污染比較嚴重，威脅人員身體健康。

（3）攪拌制備后的充填料漿濃度缺乏有效的濃度檢測手段，生產(chǎn)管理層無法形成有效的監(jiān)督和管理，同時料漿濃度也是充填生產(chǎn)中的重要指標之一。

（4）攪拌桶料漿制備系統(tǒng)中缺少對補水量的自動化控制，無法對補水量進行計算和統(tǒng)計，導致料漿濃度高時無法有效做出調(diào)整。

（5）沒有形成完善的自動數(shù)據(jù)報表功能，還停留在操作人員隨時記錄的狀態(tài)，無法對數(shù)據(jù)形成有效的分析和判斷。

（6）控制系統(tǒng)不具備生產(chǎn)數(shù)據(jù)追溯功能，對設備及工藝流程無法形成事后鑒定和查詢。

（7）充填生產(chǎn)作為礦內(nèi)尾砂處理單位，系統(tǒng)生產(chǎn)未接入礦內(nèi)調(diào)度中心，不利于全面調(diào)度。

2 智能系統(tǒng)的實施及組成

2.1 硬件部分

張莊礦一鍵智能充填系統(tǒng)完善了底層關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集和重點工藝流程的控制，在原系統(tǒng)的基礎上，增加了深錐濃密機底流放礦濃度、攪拌桶出口充填管路濃度、攪拌桶液位的檢測體系［2］，同時增加了控制放砂流量以及水量的電動調(diào)節(jié)閥，新增主要設備見表1。

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建立獨立的PLC 分站，與原系統(tǒng)S7-400PLC 系統(tǒng)進行通訊，完成了充填站主控制系統(tǒng)與其他各子系統(tǒng)的整合，系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖見圖1。

2.2 軟件部分

智能管控系統(tǒng)對充填站邏輯控制進行了全面的改造升級。原系統(tǒng)控制邏輯已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)升級的需要，在增加部分硬件設施的基礎上，對邏輯控制進行重新編程，包含對除塵系統(tǒng)、絮凝劑制備添加系統(tǒng)的通訊接入，一鍵啟動/停止的順序控制，充填設備間的連鎖控制以及攪拌桶液位的自動控制等。

重新設計組態(tài)控制系統(tǒng)操作界面（見圖2），建立了更全面、直觀的操作系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)上以EIC、PLC為控制核心，整合了充填站所有的子系統(tǒng)控制。操作界面包含了所有設備和子系統(tǒng)，操作人員可以面對上位機對充填流程進行全面的監(jiān)控。同時上位機管理功能更加完善，增加了參數(shù)設定、報表、歷史趨勢、報警記錄、操作記錄等管理功能，為管理人員開辟了新的管理方式和思路。

2.3 手機APP軟件部分

建立了全面的大數(shù)據(jù)平臺，采集和歸納了充填站生產(chǎn)數(shù)據(jù)，配置獨立服務器負責數(shù)據(jù)的整理和交互工作。手機APP 軟件的開發(fā)，完成了生產(chǎn)流程、重要生產(chǎn)數(shù)據(jù)的手機端呈現(xiàn)，完成了生產(chǎn)報表、歷史趨勢、報警等管理功能的手機端呈現(xiàn)，智能手機的廣泛應用使得充填站手機APP 軟件成為最快捷、有效的生產(chǎn)管理平臺。

3 智能系統(tǒng)實現(xiàn)的功能內(nèi)容

3.1 充填生產(chǎn)一鍵啟停功能

充填生產(chǎn)的一鍵啟停功能包含各工藝設備的連鎖啟動控制、設備開停機時間控制、開機自動提示控制等功能。一鍵啟動“任務開始”后，系統(tǒng)自動檢測各儀表參數(shù)，根據(jù)順序控制邏輯，連鎖啟動相應的設備，直至充填生產(chǎn)穩(wěn)定開始。一鍵啟動操作界面如圖3 所示。充填生產(chǎn)結(jié)束時，具備一鍵停車功能，自動關(guān)停相應設備，并開啟沖洗水對充填管路進行沖洗，直至停車結(jié)束。

3.2 深錐濃密機底流放砂的自動控制

深錐濃密機底流放砂量的穩(wěn)定與否直接影響到料漿的制備質(zhì)量以及輸送系統(tǒng)的安全。張莊礦充填系統(tǒng)為自流充填系統(tǒng)，考慮到自流速度不可控的實際情況，深錐濃密機的放砂流量應保持與充填流量一致，才能保證生產(chǎn)的連續(xù)性。攪拌桶作為具有一定緩存能力的設備，其功能正好為深錐濃密機的放砂提供了可控條件。同時為了保證尾砂與膠固粉的充分混合，攪拌桶液位必須要保持在合理液位［3］。

所以，該控制以攪拌桶液位基本穩(wěn)定為控制目標，通過攪拌桶入口管路的電動管夾閥開度來控制管路的實時流量，通過對該工藝段設備的閉環(huán)控制達到自動調(diào)節(jié)深錐濃密機放砂流量的目的。其邏輯關(guān)系如圖4所示。

3.3 自動精確控灰控制

通過檢測深錐濃密機底流管路下砂濃度，同時結(jié)合管路的實時流量，利用這2個數(shù)據(jù)計算實時放砂干砂量，再依據(jù)設定的灰砂配比，就能得到實時的配灰（膠固粉）量。

此時，自動控制系統(tǒng)將該量反饋給螺旋輸送秤，實現(xiàn)實時調(diào)整螺旋輸送電機的工作頻率，達到自動控制下灰（膠固粉）、穩(wěn)定灰砂配比的目的。其邏輯關(guān)系如圖5所示。

3.4 其他功能

（1）實現(xiàn)了攪拌桶液位自動控制。通過安裝攪拌桶雷達料位計，實時檢測攪拌桶內(nèi)料位的高度，根據(jù)攪拌桶液位實時控制深錐濃密機的放砂流量，有效避免了冒槽、打空的情況。

（2）實現(xiàn)了充填濃度的檢測及穩(wěn)定控制。安裝了4 臺Na22 礦漿濃度計，對深錐濃密機放砂管路、攪拌桶出口充填管路進行濃度實時檢測，生產(chǎn)濃度值高于設定范圍時，控制系統(tǒng)將會開啟水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)當前的濃度、流量、攪拌桶料位等參數(shù)自動調(diào)節(jié)水閥開度，降低生產(chǎn)濃度，保證充填管路不堵管；當濃度值低于設定范圍時，系統(tǒng)會向操作人員發(fā)出報警，提示進行人工干預，暫?；蛘咄Ｖ钩涮钌a(chǎn)。

（3）實現(xiàn)了除塵器系統(tǒng)和絮凝劑制備添加系統(tǒng)的通訊接入。除塵器系統(tǒng)與主控系統(tǒng)實現(xiàn)Modbus RTU 通訊，并完成了與膠固粉添加系統(tǒng)的連鎖啟動；絮凝劑制備添加系統(tǒng)納入主控系統(tǒng)，根據(jù)選礦廠單/雙系列生產(chǎn)自動控制絮凝劑添加量。

（4）實現(xiàn)了生產(chǎn)報表統(tǒng)計功能。對生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集和存儲，并根據(jù)生產(chǎn)需要，自動生成生產(chǎn)明細報表、日報表、月報表和年報表，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的歷史趨勢曲線可查詢，幫助生產(chǎn)管理層把握充填生產(chǎn)，并制定相應的生產(chǎn)計劃。

（5）實現(xiàn)了操作記錄查詢和自動語音報警功能。生產(chǎn)過程中的所有操作都會在控制系統(tǒng)中進行記錄，可以作為生產(chǎn)事故、設備故障等異常情況的重要追溯途徑?？刂葡到y(tǒng)在生產(chǎn)參數(shù)超出安全值、設備故障或者生產(chǎn)異常時自動觸發(fā)語音報警，提示操作人員作出處理，同時生成報警記錄。

（6）實現(xiàn)了手機APP 軟件管理查詢功能。開發(fā)完成了充填系統(tǒng)APP 手機軟件，可以實時展示重要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并提供了報表查詢、報警等管理功能，使管理層可以更便捷的掌握生產(chǎn)情況，并對生產(chǎn)進行監(jiān)督和指導。

4 效益分析

（1）充填生產(chǎn)一鍵啟動、停車及連鎖控制功能減少了生產(chǎn)過程中的人為干預，避免了崗位工人不熟悉工藝可能造成的誤操作情況。并且提升了生產(chǎn)效率，降低了人員使用率，可在穩(wěn)定生產(chǎn)的基礎上達到減員增效的目的。按張莊礦充填站各工位情況，可減少工位人員7 名，其中攪拌桶工位3 人、絮凝劑工位1 人、除塵器工位1 人、濃度取樣工位2 人，直接降低了人工成本及安全成本。

（2）灰砂配比的實時控制，實現(xiàn)了根據(jù)深錐濃密機放砂濃度的變化，及時調(diào)整用灰量。充填灰砂配比更加合理、準確，保證了充填體的強度和穩(wěn)定性，使采空區(qū)充填效果更加穩(wěn)固。

（3）上位機歷史追溯功能能隨時輸出生產(chǎn)報表、歷史趨勢曲線、報警記錄、操作記錄，減少了人工記錄環(huán)節(jié)，同時還便于管理層對充填生產(chǎn)的管理和監(jiān)督。

（4）手機APP 軟件的開發(fā)，使得生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以隨身攜帶，管理人員可以隨時隨地的掌握生產(chǎn)數(shù)據(jù)，指導充填生產(chǎn)。APP軟件作為國內(nèi)充填領(lǐng)域的首創(chuàng)，使張莊礦業(yè)充填生產(chǎn)管理能力上了一個新臺階［4-5］。

5 結(jié) 語

張莊礦一鍵智能充填系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、順序控制、過程控制、參數(shù)指示、超限報警、設備狀態(tài)畫面顯示、數(shù)據(jù)存儲、生產(chǎn)報表打印等功能，構(gòu)成了一個功能分擔合理、層次清晰，集生產(chǎn)管理、過程控制為一體的智能化控制系統(tǒng)。先進的生產(chǎn)過程控制技術(shù)搭配高精度的檢測儀器設施，使得充填制備系統(tǒng)可根據(jù)采場不同部位差異化的充填體強度要求，精準計算物料給料配比，基于濃密機底流濃度和流量，實時動態(tài)調(diào)控膠凝材料給料量和調(diào)濃水量，實現(xiàn)“一鍵充填”的智能操作。