控制系统在白象山铁矿充填搅拌站的应用

谷龙飞

(中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038)

1 前言

随着对环境保护的重视和可持续发展的要求，目前大部分的坑采矿山都采用充填开采法，既合理处理并利用了尾砂，更提高了采矿安全性和采矿回采率，保护了自然环境[1]。在此方法中，充填技术是核心问题，目前国内矿山充填是以连续充填工艺为主，从工艺控制角度分析，充填工艺相关设备具有滞后性和不确定性，相关参数相互耦合。由此可见，研发一套针对矿山尾砂充填的实用控制系统有着重要的现实意义[2]。系统应在保证可靠性的前提下，优化生产作业的过程，提升生产效率和充填系统的易操作性。

2 充填工艺流程

充填工艺中，胶结连续充填法应用最为广泛，其工艺流程也相对比较复杂。以白象山铁矿为例，选场产出的全尾砂泵入尾砂浓缩贮存装置，同时在砂仓进口处加入有效的絮凝剂和助凝剂，经过高效的沉淀提高了底流浓度。而尾砂浓缩贮存装置的溢流水则通过浓密池返回选场循环利用，浓密池的底流泥沙则由泥沙泵重新泵入尾砂浓缩贮存装置。水泥由水泥车直接加入水泥仓，来自卧式砂仓的干尾砂通过圆盘给料机和带式输送机加入干尾砂仓中贮存。充填过程中，尾砂仓底部经过合理造浆，可控制底流浓度大小合适且稳定，利用调节阀控制流入搅拌槽的底流流量，经过合理配比后的水泥和干尾砂通过微粉秤、定量给料机加入搅拌槽，通过加水调节阀控制

加水量。充分搅拌后的浆液经过搅拌槽底部流入充填口，具体流程如图1所示。

图1 充填工艺流程图

3 充填控制系统的设计

1)充填控制系统概述

充填控制系统采用分布式控制结构，在充填搅拌站设置集中控制室，在集中控制室内设置控制中心，采用远程子站形式采集充填工艺流程中现场仪表的检测信号及设备的运行状态，最大限度地减少控制电缆的使用，简化控制系统结构。

根据工艺配置、检测仪表安装位置及配电设备等情况，选择设置多个远程子站，分别采集有关的检测信号并控制相关执行设备。

各个子站之间采用Genius现场总线通信。控制系统与配电设备(主要指调速设备)之间也采用现场总线通信，同时配合硬线控制电缆确保紧急停车的可靠性。

各个传动设备附近设置机旁控制箱，用于选择设备运行方式，控制系统通过以太网与矿计算机网衔接。

2)充填控制系统构成

图2所示是某充填搅拌站充填控制系统框图。

该充填站共有4个充填系统，在控制系统的设计中分别有OKP- 1主控制器负责控制1、3号充填系统和OKP- 2主控制器负责控制2、4号充填系统，当某一系统需维护甚至停电也不会影响另一套系统的正常工作。4个人机接口可以任意接入各个充填系统中，可以互为冗余备份。

图2 某充填搅拌站充填控制系统

3)充填控制系统现场总线

充填控制系统采用了3种现场总线：Ethernet、 Genius、 Profibus。

Ethernet总线：采用标准的工业以太网总线，用于人机接口、上位机、控制器之间通信，通过交换机可以方便与矿内局域网连接。

Genius总线：Genius总线是GE-Fanuc的专用总线，其特点是工作可靠、传输距离远，最大距离达2 000m，此总线采用屏蔽双绞线为通信介质，施工方便，通信速率高，具有强大的抗干扰性能。

Profibus总线：目前国际上普遍使用的现场总线，具有非常好的使用效果，采用此种现场总线可以把变频器及其他控制设备纳入控制系统。

控制系统采用现场控制柜完成控制范围内的信号采集和设备控制功能，同时现场控制柜还肩负对现场仪表和执行机构的供电功能，控制柜与集中控制室主机采用总线连接，从而最大限度简化控制系统的结构，提高了控制系统的可靠性，把维护工作量降到最低水平。

4)控制系统中信号采集与调节实现

控制系统以远程子站的形式就近采集信号。以搅拌槽底部为例，此处需采集的信号较多，如搅拌槽液位、矿浆浓度、矿浆流量、添加水流量、调节阀开度等，可集中设置一个远程I/O站，以硬接线方式采集信号进入子站中输入模块，同时也达到减少接线的目的。

调节控制的实现也通过远程子站的形式调节控制。仍以搅拌槽底部为例，控制系统需控制添加水调节阀、矿浆出口调节阀等，以硬接线的方式连入远程子站中输出模块实现对调节阀的控制。此部分输出模块与前面介绍的输入模块统一布置在一个远程子站中。

5)控制系统中的人机接口

在操作台上采用触摸屏作为人机接口，它操作方便可靠，除了可以取代传统的信号灯、按钮、开关、仪表，还具有计算机功能，可以适应恶劣的工况环境，且不会受到计算机病毒的干扰。另外，人机接口可以同时连接多套系统的主控PLC，多套系统的人机接口可以互为冗余备份。

触摸式人机接口的主要功能有以下几个方面：

(1)取消传统显示仪表和减少按扭、信号灯。

(2)作为控制人员的操作窗口。

(3)可以观测全部生产的各种运行数据。

(4)增加人机对话功能，便于各种事故的查找与维护。

(5)作为上位计算机的后备保护设备，不受计算机病毒的干扰。

(6)使用寿命长，适应充填。

6)控制系统中的上位机

上位机具有编程和监控功能，通过上位机可以对程序进行调试，同时对整个控制系统的设备进行监控，上位机通过以太网与控制系统连接。

通过上位机可以查找和打印各种事故报警和生产报表等。

传统式计算机监控的主要功能有以下几个方面：

(1)程序修改和维护。

(2)充填工艺流程画面。

(3)各种工艺参数显示及有关操作。

(4)事故报警、记录、报表统计等。

(5)自动记录各个重要工艺参数，可以事后查看和分析，并可以用曲线形式显示。

4 控制系统与配电系统及就地控制设备衔接

1)控制系统与配电系统的衔接

搅拌站高低压配电室、回水泵房低压配电室应设置相应的控制系统现场控制柜，通过控制柜完成对搅拌站及回水泵房内的高低压普通电动机运行状态的采集，以及输出控制信号完成电动机的启停控制。针对需要变频设备的电动机，采用Profibus总线与主机通信方式，完成对电动机运行状态和启停控制。

2)就地控制设备

就地控制设备采用每台设备附近设置现场控制箱，控制箱上设有按钮、信号灯、集中/就地选择开关，在控制箱上可以完成就地启动、停止、检修等功能。在人身和设备安全方面，在控制箱上可以可靠切断设备电源，而且无论该设备正处于什么样的控制状态。

5 总结

本文针对矿山充填自动化控制领域，提出详细的工艺控制要求，并且根据尾砂流量浓度、灰砂比、固化剂流量及搅拌槽液位等不同的被控对象设计出符合要求的控制系统[3]。经过多年和不同实际生产情况下的连续应用，已经充分验证其可靠性和实用性，能够在确保安全生产前提下，提高了充填生产的效率，减少了人工劳动强度，提高了设备的使用寿命，进而达到了提升企业的竞争力和经济效益的目的与要求。