新型地下矿用乳化炸药现场混装车控制系统的设计与应用

田惺哲，张 鑫

（1.北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.北京北矿亿博科技有限责任公司，北京 100160）

随着科学技术的发展和进步，在地下金属矿山开采的穿孔、爆破、铲装、运输四个主要环节中，爆破环节的机械化、自动化水平不断提升，爆破作业开始向规模化、自动化、少人化、智能化方向发展[1]。新型地下矿用乳化炸药现场混装车开始逐步进入地下矿山，取代原有的人工装药模式。为了实现爆破装药过程中的自动化、少人化、智能化，并适应地下矿山现场恶劣的工作环境，本文针对地下矿用乳化炸药现场混装车控制系统的需求进行研究和分析，并提出相应的设计思路，最终完成混装车控制系统的全新设计，满足了现场使用需求[2]。

1 混装车控制系统需求分析

新型地下矿用乳化炸药现场混装车包括液压动力系统、原材料输送系统、电液比例控制系统、自动送退管系统、多自由度工作臂五部分[3]，其控制系统包括以下功能需求：①考虑到地下矿装药过程中空气流通较差，混装车采用1140V电压作为动力电源，驱动液压系统工作，控制系统需要设计完备的电机控制和保护回路，确保使用过程的电气安全；②为确保装药过程中乳化基质与敏化剂计量精确，控制系统需要选用高精度流量计对乳化基质和敏化剂分别计量，确保所装填的乳化炸药性能稳定、计量精确；③针对装药过程中压力变化导致的物料流速变化问题，混装车选用电液比例控制系统对物料输送泵进行控制，控制系统需要根据物料流量实时调节输送泵转速，确保物料流量与配比稳定；④针对大分段采矿方法中出现的中深孔装药问题，混装车设计了自动送退管系统，控制系统需要精确测量输药管长度，并确保送管器与卷筒速度匹配，防止使用过程中出现输药管卡管、打滑等现象；⑤为解决现场装药过程中上向孔对孔问题，混装车设计了多自由度工作臂，控制系统需设计无线遥控功能，提高操作人员工作过程中的视野范围，降低寻孔和对孔难度，提高装药效率；⑥为确保乳化炸药现场混装过程中无安全隐患，控制系统需要设计完备的安全连锁保护系统，对装药流程实时监控，实现异常报警和连锁停机功能，并记录各项生产历史数据供操作人员查询。

2 混装车控制系统设计

针对以上需求，地下矿用乳化炸药现场混装车控制系统采用PLC（可编程控制器）作为控制核心，嵌入式触摸屏作为人机交互界面，手持无线遥控器作为操作终端，工业车载计算机作为数据存储终端，各类仪表和传感器作为数据采集单元，包括高压配电系统、流程控制系统和无线遥控系统三部分。

（1）高压配电系统。高压配电系统主要由高压配电柜构成，在控制系统中负责液压动力系统控制功能，为混装车液压系统和控制系统提供动力和低压电源。该系统选用多功能断路器和电机保护器构建完整的电气保护功能，具备短路保护、过载保护、相序保护、缺相保护、漏电保护、接地故障保护等功能。

（2）流程控制系统。流程控制系统的核心包括过程数据实时采集单元、工艺参数自动计算单元、电液比例控制单元、安全连锁单元、历史数据记录与查询单元。过程数据实时采集单元分别采用高精度流量计测量乳胶流量和敏化剂流量，采用高精度旋转编码器测量输药管输送量和输送速度，采用压力变送器和温度变送器测量乳胶输送泵出口压力与温度，实现装药过程各数据的精确测量。

工艺参数自动计算单元调用提前设置好的各项孔网参数和工艺数据，自动计算所装炮孔需求药量以及装药过程所需的乳胶流量、敏化剂流量、退管速度等参数，提供给电液比例控制单元进行控制。电液比例控制单元对各个液压设备进行稳定控制，使其运转速度与所需的系统速度相匹配。在控制过程中，主要体现在送管器与卷筒的速度匹配和敏化剂泵与乳胶泵的速度匹配上。为了保证速度匹配稳定可靠，该单元采用PID控制方法配合电液比例液压阀组实现各设备的负反馈自动控制，确保装药过程中物料流量与退管速度互相匹配，实现炮孔内连续耦合装药，防止掉药情况的发生。PID控制流程图如图1（以乳胶泵为例）。

图1 乳胶泵PID控制流程图

安全连锁单元调取过程数据实时采集单元采集的各类数据，实现乳胶断流报警、乳胶压力报警、乳胶温度报警、乳胶泵超速报警、敏化剂断流报警、系统压力报警、液压油温度报警等安全联锁功能，确保系统工作安全。

历史数据记录与查询单元实时记录装药流程中的各项数据和报警记录，以表格方式进行存储，并提供乳胶与敏化剂流量曲线图和送管器与卷筒速度曲线图供操作人员调阅查询，确保系统工作过程中的问题可以快速分析解决。

（3）无线遥控系统。无线遥控系统由无线遥控器、信号处理器、PLC控制单元和上位机构成。通过在无线遥控器上进行操作，经过高频信号调制，将控制信号附加在高频载波上传送给信号处理器，由信号处理器进行信号解调，将控制信号解析出来并生成对应的模拟量或数字量信号，传递给PLC控制单元完成控制功能；PLC控制单元与上位机通过RS422端口实时通讯，由上位机将需要在无线遥控器上显示的数据通过RS232端口发送到信号处理器，并由信号处理器对数据进行调制处理发送给无线遥控器终端解析显示。其具备工作臂控制、装药控制、关键参数监控等功能，实现操作人员可在任意位置操作工作臂寻孔、对孔并完成装药，单孔装药完成后控制系统自动将工艺参数调整至下一炮孔，操作人员可在炮孔附近连续操作，大幅降低工人劳动强度，提高工作效率。

3 结论

本文通过对地下矿用乳化炸药现场混装车控制系统在实际应用中的需求进行分析，研发设计出新型地下矿用乳化炸药现场混装车控制系统，有效减少了现场工作人员的劳动强度，提高了工作效率，实现新型地下矿用乳化炸药现场混装车在装药过程中自动化、智能化控制，在首钢集团杏山铁矿、酒钢集团镜铁山铁矿等地实际应用中达到了预期效果。