混合尾砂胶结充填及其浓度控制自动控制系统

李志阳 刘 冲

(南华大学电气工程学院，湖南 衡阳 421001)

·机电与自动化·

混合尾砂胶结充填及其浓度控制自动控制系统

李志阳 刘 冲

(南华大学电气工程学院，湖南 衡阳 421001)

采用一种由全尾砂和分级尾砂构成的混合料浆胶结的充填方式，以充分发挥全尾砂浆和分级尾砂浆在胶结充填工艺中的优势互补，实现现场参数的快速和准确控制，确保系统的稳定性和连续性。该系统采用西门子S7-300型PLC作为控制器，以经典控制和智能控制相结合的智能控制算法，设计PLC应用程序，实现对系统的各种运行参数进行监测和控制。在上位机上运用组态软件，绘制上位机的监控界面以实时显示工况参数。测试结果表明，系统可以对现场参数进行迅速、准确测量，实现了对充填尾砂浆浓度、流量等参数的有效控制，很好地解决了系统的大延迟和控制精度低的问题，满足了工艺控制的各项指标要求，极大地降低了生产成本，具有较好的应用前景。

全尾砂 分级尾砂 PLC 复合控制 监控

目前我国采用的最普遍的充填方式有分级尾砂充填、全尾砂充填、高浓度全尾砂充填等[1]。无论是何种尾砂充填方式，其对充填体的浓度(质量浓度，下同)控制是非常关键的。浓度过低，会流失大量的尾砂，并且达不到水泥胶结的作用，容易造成充填体的强度不够，从而导致塌陷和板块化，会给生产工作带来危险；浓度过高，则会造成生产、输送设备的堵塞，也会造成原材料的浪费和生产成本的增加[2]。经研究与实践发现，充填体的质量浓度一般为65%～85%。

1 混合尾砂充填工艺流程

分级尾砂充填技术目前已非常成熟，其尾砂渗透性好，极易混合均匀，达到饱和状态。但是，尾砂分级会导致一部分尾砂被遗弃，并且细尾砂不容易沉降，极微细部分将沉落在料浆表层，对水流起到封堵作用，不利于渗透。全尾砂充填方式是目前充填效果最好的充填方式，能增大充填体的强度，然而要制备高浓度的全尾砂浆，需经过高速搅拌、沉淀、溢流、压缩、浓密后才能成浆，这就对生产设备、输送设备和生产工艺的要求更高，且生产成本也随着增大[3-5]。若将两者结合起来，则既能提高充填体的强度和渗透性，又能增强充填体的沉降性；既能节约生产成本，又可以提高系统的稳定性。

混合尾砂充填工艺流程如图1所示。充填尾砂浆主要是由水、水泥、全尾砂浆与分级尾砂浆4个部分混合制成。水泥由压缩空气吹入水泥仓，作为充填浆的胶凝材料。从尾砂口排出的全尾砂浆浓度约为20%，导入自然沉降池，经过沉淀、脱水变为所需的高浓度全尾砂浆。分级的尾砂经过圆盘给料机给料和电子皮带称的称量，与脱水后的全尾砂浆、水、定量的水泥在混合中间槽进行深度搅拌，再经由搅拌输送机，送至充填井[8-12]。

图1 混合尾砂充填工艺流程

在生产过程中一般会适当地加入一些特殊物质，如絮凝剂、减水剂、减阻剂等来提高充填体的物理性能，包括强度、可输送性等。

2 系统设计方案

2.1 控制器

系统采用西门子公司生产的S7-300作为控制器，实现对气动阀开度，圆盘给料机磁阀开闭时间、电磁阀开闭时间，螺旋输送给料机、双轴叶片搅拌机、双螺旋搅拌输送机的速度等的控制[13-14]，并接收来自电磁流量计、电子皮带秤、核子密度计、料位计等的模拟信号。同时通过RS485与上位机相连，采用组态王软件kingview6.55作为系统的人机交互界面。PLC控制策略如图2所示。

2.2 控制方案

本设计以控制充填浆的浓度为主，为使浓度控制快速和精确，采用复合控制的方式。控制方案选择原则为，当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主要目的；当误差较小时，选择控制量以防止超调，以系统的稳定性为主要目的。

图2 PLC控制策略

2.2.1 模糊控制

对于浓度误差e，在|e|≤10%时，采取模糊控制的方式，建立多输入多输出模型。对输入输出进行模糊化，将输入部分量化分级成7级(NB-NM-NS-ZE-PS-PM-PB)，将3个输出部分量化分级为5级(NB-NS-ZE-PS-PB)，采用三角形的隶属函数，得到其模糊控制规则，如表1所示。采用扎德(Zadeh)的模糊决策算法，以最大隶属度的方式进行解模糊，确定控制量的精确值。

其中，ρ，ρd分别为实际浓度和设定浓度；ek，ek-1分别是当前时刻和前一时刻的浓度误差；T是采样时间。

表1 K1K2K3的模糊控制规则

2.2.2 PID控制

当|e|>10%时，采用PID的控制方式，对偏差较大的情况，进行最快速的调整。其传递函数G(s)为

(1)

式中，KP，KI，KD分别为比例系数，积分系数，微分系数；s为复数变量。

当e>10%时，浓度远远超过设定值，适当地降低KP，增大KI。当e<-10%时，浓度远远小于设定值，适当地增大KP，增大KI。

3 程序设计

主程序主要是对系统进行初始化设定，模式选择、数据获取、模数转换、信息判断、报警设置以及信息的处理。偏差变化率要经过2次采样才能得到，而从模糊控制的角度出发，输入的偏差和偏差变化率要有明显的变化，才能得到较精确的控制。对本系统而言，管道的运输，搅拌过程会造成很大程度的延时，故而采样周期要适当地长一些为好。这里取T为2 min，以确保系统数据的有效性。模糊控制子程序，主要是对模糊算法的实现，包括是对主程序转化过来的数字信号的量化、隶属度的赋值、模糊规则的确立以及解模糊，将模糊语言转化为计算机语言。PID控制子程序是对PID算法的实现。本系统程序流程图如图3所示。

图3 系统程序设计流程

4 监控系统设计

监控系统采用专业PC机，用RS485总线与PLC连接，用组态王(kingview)软件实现系统的人机互动界面,主要包括权限管理，现场参数显示，参数设定，以及超限报警显示等。其监控界面如图4所示。

5 结 语

本系统能迅速地对测得的现场参数进行处理和响应，能确保充填作业的稳定性和连续性，并能很好地节省充填费用，能够满足中小型矿山对尾砂充填工艺的要求，具有一定的实用价值。

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图4 混合尾砂充填控制系统监控界面

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(责任编辑 徐志宏)

Automatic Control System of Mixed Backfilling Tailings Slurry's Cemented Filing and its Concentration

Li Zhiyang Liu Chong

(SchoolofElectricalEngineering，UniversityofSouthChina，Hengyang421001，China)

The filling pattern of mixed slurry cementing composed of full tailings and classified tailings has been adopted to give full play to complementary advantage of full tailing mortar and classified tailing cemented in filling technology.To realize the rapid and accurate control for the field control parameters and ensure the system' stability and continuity，S7-300 type PLC has been employed as the controller.The PLC application program has been programmed according to intelligent algorithm which combined with classical control and intelligent control to monitor and control various operating parameters in system.By configuration software in the upper computer，the PC monitor interface has been designed to display the real time operating parameters.The experimental results show that the system parameters can be quickly and accurately measured，and the parameters，such as the concentration and the flow of filling tailings slurry be effectively controlled.The problems of large delay and low control precision have been well solved.It meets the requirements of process control，and has a good application prospect with producing cost greatly reducing.

Full tailings，Classified tailings，PLC，Composite control，Monitoring

2014-05-22

李志阳(1989—)，女，硕士研究生。通讯作者 刘 冲(1966—)，男，副教授，硕士研究生导师。

TD853.34

A

1001-1250(2014)-09-112-04