长期以来, 现有的磷矿企业在地下开采过程中未对采空区进行任何处理, 加之部分矿房间柱不对称, 受地压作用和波动影响, 部分矿房间柱失稳引发矿房顶柱垮塌, 上部山体垮塌废石逐步充填空区, 导致原留设的矿房顶柱不足以支撑上部压力, 引起矿房顶柱垮塌, 随着采深的加大, 地压显现愈来愈频繁, 已经对采矿安全带来了极大的威胁, 同时导致矿石的回采率降低, 资源损失较大, 矿石的贫化率增大。而在磷矿选矿过程中会产出大量的尾矿, 在传统的处理方法就是修建尾矿库露天堆放, 这不但占用大量土地, 还对环境造成污染。使用尾矿胶结充填技术不仅解决了尾矿堆积的污染和占地问题, 更重要的是保障矿井的安全生产, 提高了资源的回收率。我院利用尾矿胶结充填技术在瓮福磷矿大塘矿区设计并建成了一座尾矿充填站。为了满足对尾矿浆、细沙、水泥等3种物料在不同充填周期进行不同配比的复杂要求, 我们采用了可编程控制系统 (PLC系统) , 对整个工艺过程进行监测和控制。在专业人员的努力下, 经过系统软件组态、调试、联动试车一系列工作后, 取得了工业生产的成功。
充填浆体由胶固材料 (水泥) 、骨料 (细沙) 和尾矿浆组成。搅拌系统将计量后的胶固材料 (水泥) 、骨料 (细沙) 和尾矿浆通过搅拌机强制搅拌后, 由充填泵通过充填管道泵送到待充采空区。
搅拌系统由四部分组成:一是胶固材料 (水泥) 的给料和计量;二是骨料 (细沙) 的给料和计量, 三是尾矿浆的添加和计量, 四是搅拌系统。尾矿充填系统的主要检测、控制仪表的设置见图1。
对自控系统工艺提出以下主要要求:水泥仓的下料量的监测, 采用微粉秤装置作为计量装置, 输出信号显示于仪表柜相应的显示器上并将输出信号以4~20m A的形式传送至PLC的AI卡件内, 通过PLC内部运算来调节水泥仓进料螺旋电机的转速, 从而保证水泥的给料稳定。尾矿浆的流量测量, 采用电磁流量计, 电磁流量计的输出信号传送至PLC的AI卡件内。PLC系统在上位操作站上显示数据并采用调节输送泵的变频器来调节流量, 从而保证尾矿浆流量的稳定。细沙给料量监测, 用皮带秤测量皮带上细沙给料量, 其监测信号上传至PLC系统, 在上位计算机上监测细沙给料量, 采用调节圆盘给料机的变频器来调节细沙给料量。在尾矿浆储槽上设雷达液位计来测量液位, 水泥仓的料位测量采用导波雷达料位计, 其监测信号显示于上位计算机上。
自控方案以PLC控制系统为核心。整个充填控制系统包括砂石上料系统、水泥上料系统、搅拌系统以及充填砂浆输送系统。对PLC控制系统主要有以下几个方面的要求:砂浆的充填能力及砂浆充填的精度要求。尾矿浆给料流量80立方每小时, 尾矿浆PH值为4-5;尾矿浆重量浓度:55%;矿浆密度1.53t/m:尾矿干基度:2.7t/m;尾矿粒度-200目占75%~90%。破碎砂给料量为55.5t/h。水泥给料流量为0~18.4t/h, 水泥为42.5级普通水泥。PLC系统具备两种控制方式:自动控制和手动控制, 自动控制和手动控制切换无扰动。砂石、水泥上料、尾矿浆添加、出浆等环节应保持连续、平稳, 保证整个充填系统工作的可靠和平稳。从充填砂浆的控制精度方面来说, 砂石、水泥及尾矿浆的配比精度较高。稳态工作下水泥、砂石配比误差在5%以内。系统控制采用定值控制。系统控制的难点在砂石计量回路存在滞后性。本PLC系统控制的思路是在选取技术先进适于现场测量的仪表基础上, 重点保证自控系统运行的稳定性和可靠性。具体的控制方案根据已知的系统充填能力、水泥砂石比、尾矿浆浓度计算出系统运行时所需的砂石上料量、水泥上料量、尾矿浆流量及充填砂浆出浆量, 作为每个控制回路的初始值。首先稳定尾矿浆的流量, 然后稳定砂石及水泥的给料量。在运行中, 调节搅拌槽充填砂浆的浓度、充填砂浆的出浆量和搅拌槽的液位在系统要求的精度之内。控制方案的主要内容是砂石上料量控制、水泥上料量控制、尾矿浆的流量控制和搅拌槽的液位控制。控制算法采用比值模糊控制, 即在4个回路控制中, 以尾矿浆流量为基值调节砂石进料量及水泥给料量。各控制参数在给定的误差内, 小于系统要求的精度时控制信号保持不变的不控策略。当实际误差大于设定的误差时, 采取微调各控制参数, 弱化各控制量滞后产生的调节波动。当实际误差长时间大于系统要求的精度时, 系统进行报警处理, 要求人工进行干预。另外, 从系统稳定性考虑, 系统在正常运行后, 对各控制量的控制采取以充填砂浆流量为实测值, 在系统要求的范围内, 来控制尾矿浆添加量和砂石及水泥量。搅拌桶内充填料浆浓度和液位的控制通过调节尾矿浆流量和充填砂浆出浆量来保持在系统要求的精度范围内。上述方法弱化了控制回路的滞后性, 减少了控制回路采用PID算法造成的调节波动, 可使各控制回路保持独立性, 减少相互影响, 保证系统的稳定性和可靠性。
PLC系统的上位操作软件选用INTOUCH组态软件。砂石进料量、尾矿浆添加量、水泥进料量进行瞬时显示和累积显示、尾矿浆浓度、搅拌槽液位、水泥仓料位实时显示。上位机的主界面为充填工艺流程图, 在流程图上实时显示工艺设备的工作状态及操作参数。尾矿浆储槽、水泥仓料位低于或高于设定值时, 流程图画面中报警显示。在上位机软件中设置相应报警来防止尾矿浆储槽、水泥仓中料量过多溢出和备料不足。尾矿浆的浓度和流量在相应工艺段同步实时显示, 对于尾矿浆流量显示瞬时量和累积量。对于搅拌桶液位和充填料浆出浆量不仅在流程图画面上实时显示, 也有相应的报警功能和工艺处理措施。
控制系统采用施耐德Premium系列PLC系统, 在尾矿充填站系统控制室进行监控。分别将压力、流量、液位、密度等工艺参数和电气设备的运行状态、部分电流信号、变频电机调频信号进行集中采集, 显示、记录、报警、控制、实时动态流程画面显示、设定参数的在线修改等, 并可对电气设备实行遥控启/停, 使操作人员能及时掌握和监控生产进度和各项指标, 有效地保证工艺流程操作的安全、稳定, 提高效率、降低能耗。
现场仪表的选型均选用4~20m A+HART协议的智能型仪表。所有现场仪表为全天候型, 防护等级为IP65, 都带显示表头, 中/英文组态, 中文优先, 操作界面中文优先。
磷矿浆尾矿充填自控系统通过对充填工艺中存在的纯滞后、控制稳定性和可靠性上进行优化以及实现充填工艺的自动控制。尾矿充填自控系统保证了充填工艺的工作效率, 提高充填工艺的生产效率有着重大意义。
摘要：介绍了磷矿企业在开采中使用尾矿浆充填技术的自控需求, 及PLC在尾矿充填站的应用。重点说明了尾矿充填的自动化控制方案及软件硬件选型。尾矿充填自控系统投用后保证了充填工艺的工作效率, 提高充填工艺的生产效率.
关键词：尾矿充填,PLC,自控方案
[1] 王新绥《膏体充填新工艺的自动化仪表及DCS控制系统》[J]恩菲科技论坛-2003学术论文集冶金工业出版社.
[2] 廖常初PLC编程及应用[M]北京机械工业出版社, 2002.
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