某水隔離礦漿泵全自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究

金玉雪

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院)

某水隔離礦漿泵全自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究

金玉雪

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院)

尾礦一般通過水隔離礦漿泵(水隔離泵)輸送至尾礦庫進(jìn)行處理，以減少其所含的重金屬離子和選礦藥劑對(duì)環(huán)境的污染。針對(duì)水隔離泵傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用人工調(diào)整操作參數(shù)所導(dǎo)致的設(shè)備壽命低、耗水量大、操作勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，在介紹水隔離泵硬件組成和全自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，分析了排漿與吸漿、礦漿漿位、水箱水位自動(dòng)平衡等智能控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)常見的故障提出了解決辦法。該水隔離泵全自動(dòng)控制系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)及時(shí)、準(zhǔn)確、簡便地實(shí)現(xiàn)尾礦輸送，還具有降低耗水量、提高設(shè)備使用壽命、便于操作控制等優(yōu)點(diǎn)。

水隔離泵 排漿 耗水量 全自動(dòng)控制

尾礦一般含有大量選礦藥劑和重金屬離子，若不妥善處理，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。因此需將尾礦輸送到尾礦庫并進(jìn)行貯存、處理，以有效降低尾礦污染的殘留量，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型生產(chǎn)。

水隔離泵作為尾礦礦漿管道輸送的加壓設(shè)備，以較高的性價(jià)比在尾礦管道輸送領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。但由于缺乏制約，設(shè)備各組分不能緊密連接。一般通過控制系統(tǒng)對(duì)水隔離泵各組分進(jìn)行連接和制約。在尾礦輸送過程中，傳統(tǒng)水隔離泵控制系統(tǒng)一般通過人工操作調(diào)整工作參數(shù)，以使設(shè)備處于最佳工作狀態(tài)，對(duì)人工操作水平依賴度很高。

在尾礦智能輸送系統(tǒng)方面，黃曉云[1]等研究了全自動(dòng)水隔離泵控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行過程進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)，控制穩(wěn)定，運(yùn)行狀態(tài)清晰，對(duì)水隔離泵系統(tǒng)的發(fā)展具有促進(jìn)作用。汪賽琪[2]對(duì)小流量高揚(yáng)程尾礦輸送系統(tǒng)的選型計(jì)算進(jìn)行了改進(jìn)和完善，使尾礦輸送系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行效果，對(duì)有色金屬礦山尾礦輸送系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理有一定的借鑒意義。馬艷晶[3]等介紹了尾礦漿在采用中長距離管道自流輸送時(shí)的設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)參數(shù)的確定，可為尾礦高濃度自流輸送提供參考。李健[4]針對(duì)大顆粒鐵尾礦輸送系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了研究與探討，經(jīng)過研究改造，使高揚(yáng)程漿體泵成功地應(yīng)用在大顆粒鐵尾礦輸送系統(tǒng)中。

在傳統(tǒng)水隔離泵控制的基礎(chǔ)上，通過繼承其結(jié)構(gòu)模式和運(yùn)行理論，對(duì)新型水隔離泵控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)和智能化改進(jìn)。全自動(dòng)控制系統(tǒng)作為核心技術(shù)，決定著水隔離泵工作性能的好壞，對(duì)于減少耗水量、提高設(shè)備使用壽命、降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要作用。

1 水隔離泵的組成

主要部件有清水進(jìn)水和回水調(diào)節(jié)閥、清水進(jìn)水和回水液動(dòng)閥、隔離罐、浮球、接近開關(guān)、入漿和排漿止回閥及其它閥門。

清水進(jìn)水和回水調(diào)節(jié)閥的主要作用是調(diào)節(jié)隔離罐的進(jìn)水量和回水量，間接調(diào)節(jié)入漿和排漿量；清水進(jìn)水和回水液動(dòng)閥的作用是控制隔離罐是進(jìn)水還是回水，從而控制礦漿的進(jìn)入和排出；每臺(tái)水隔離泵有3個(gè)隔離罐，隔離罐實(shí)現(xiàn)清水和礦漿動(dòng)力傳遞，它是一個(gè)密閉容器，其中浮球和隔離罐內(nèi)腔有間隙，可以上下自由運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)清水和礦漿的隔離及動(dòng)力傳遞；入漿和排漿止回閥用來防止礦漿倒流；每個(gè)隔離罐安裝有4個(gè)接近開關(guān)，它們通過信號(hào)傳輸，在工控機(jī)上顯示浮球的運(yùn)動(dòng)位置。

2 全自動(dòng)控制系統(tǒng)及工作原理

水隔離泵全自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 全自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件組成示意

圖1中，程序控制單元是核心部件，承擔(dān)信號(hào)采集、時(shí)間控制、數(shù)據(jù)運(yùn)算和實(shí)時(shí)通訊的作用。浮球檢測(cè)傳感器用來檢測(cè)浮球的位置，根據(jù)設(shè)定的距離，測(cè)量浮球經(jīng)過某個(gè)傳感器的時(shí)間間隔，進(jìn)而得到吸漿和排漿速度。當(dāng)浮球到達(dá)傳感器時(shí)，傳感器向程序控制單元發(fā)出接通信號(hào)，傳遞到驅(qū)動(dòng)模塊，通過電磁換向閥對(duì)吸漿速度調(diào)節(jié)閥、清水閥和補(bǔ)水閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。此時(shí)，狀態(tài)顯示單元顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào)，上機(jī)位通過動(dòng)畫圖形和曲線直觀顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。同時(shí)通過D/A模塊將水位、漿位和壓力變送器的電流輸入程序控制單元。變頻器的作用是協(xié)調(diào)水泵流量和礦漿輸送量。操作模塊可以實(shí)現(xiàn)人對(duì)設(shè)備的控制，并及時(shí)將設(shè)備信息反饋給操作者。

3 全自動(dòng)控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 排漿與吸漿的自動(dòng)平衡

水耗主要由兩方面產(chǎn)生：一是水隔離泵自帶的、不可避免的部分，是由于浮球和隔離罐之間存在縫隙，縫隙流中的水由礦漿側(cè)向清水側(cè)流動(dòng)，與浮球本身的磨損程度成正比，但流量很少，不易改進(jìn)，可以忽略；二是由于無法保持排漿和吸漿的平衡，兩者速度存在差異造成的(即排漿速度大于吸漿速度)。

如果吸漿與排漿速度不相等，就會(huì)增加耗水量的；兩者速度相差過大，浮球會(huì)強(qiáng)烈撞擊罐底，造成損壞。因此，吸漿與排漿的平衡有利于水隔離泵降低耗水量、保持高效穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)排漿速度大于吸漿速度時(shí)，浮球受沖擊力作用移動(dòng)至隔離罐低端，使大量清水混合礦漿，增加耗水量；當(dāng)排漿速度遠(yuǎn)大于吸漿速度時(shí)，浮球以較大速度沖撞隔離罐，容易造成浮球損壞，破壞性較強(qiáng)。前者稱為控制性水耗，可通過合理的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，降低耗水量。因此，根據(jù)吸漿速度調(diào)節(jié)排漿速度，通過智能控制系統(tǒng)自動(dòng)保持排漿與吸漿的平衡尤為重要。吸、排漿平衡自動(dòng)閉環(huán)控制見圖2。

圖2 吸、排漿平衡自動(dòng)閉環(huán)控制

吸、排漿平衡自動(dòng)閉環(huán)控制采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)，可在一定程度上提高水隔離泵的工作效率和工作可靠度。另外，可以在隔離罐上相隔一定距離設(shè)置傳感器，測(cè)量浮球經(jīng)過某兩個(gè)傳感器的時(shí)間間隔，進(jìn)而計(jì)算出吸漿和排漿速度。對(duì)于一些運(yùn)動(dòng)特性復(fù)雜的浮球，可利用流體力學(xué)理論計(jì)算吸、排漿速度。吸、排漿速度的檢測(cè)通過數(shù)字PID和D/A轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過變頻器調(diào)速控制，達(dá)到控制水泵輸出流量的目的。在此過程中，要注意正確估計(jì)清水泵的工作頻率和變頻器的工作參數(shù)，設(shè)置較小的PID比例系數(shù)和較大的時(shí)間常數(shù)。

3.2 礦漿漿位的自動(dòng)平衡

保持礦漿倉的漿位平衡對(duì)于提高設(shè)備的使用壽命、節(jié)省人力具有重要作用。選廠尾礦量并不恒定，一般通過調(diào)整礦漿輸出來保持礦漿倉漿位平衡。礦漿倉的漿位具有一定的自我調(diào)節(jié)能力。在高差作用下，吸漿量瞬間增大，漿位上升，水隔離泵喂料系統(tǒng)(喂料系統(tǒng)的高度增加帶動(dòng)輸出量增加)輸出量隨之增加，使?jié){位高度不變，達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)；當(dāng)吸漿量瞬間減小時(shí)，水隔離泵喂料系統(tǒng)輸出量隨之減小，同樣使?jié){位高度達(dá)到平衡。但在礦漿輸入量變化較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的漿位平衡點(diǎn)。當(dāng)該點(diǎn)低于吸漿口或高于排漿口時(shí)，漿位就無法進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。通過安裝速度調(diào)節(jié)閥來調(diào)整吸漿量，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出量，達(dá)到自動(dòng)控制漿位平衡的目的。吸、排漿漿位平衡自動(dòng)閉環(huán)控制見圖3。

圖3 吸、排漿漿位平衡自動(dòng)閉環(huán)控制

一般通過液位變送器對(duì)漿位點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字PID調(diào)節(jié)，經(jīng)D/A模塊輸出電壓信號(hào)V。程序根據(jù)電信信號(hào)調(diào)節(jié)吸漿速度調(diào)節(jié)閥，完成漿位平衡的調(diào)節(jié)。

圖3中hj為原漿位高度，計(jì)算公式為：

式中，hj為漿位，mm；QL為料倉流量，m3/h；QX為水隔離泵吸漿流量，m3/h；hj0為初始漿位，mm；kj為礦漿倉的截面系數(shù)。

3.3 水箱水位的自動(dòng)平衡

水箱水位的相對(duì)穩(wěn)定影響清水泵的工作性能。水箱中的水經(jīng)清水進(jìn)水閥被清水泵抽入隔離罐，再經(jīng)清水回水閥流回水箱。在整個(gè)循環(huán)過程中，清水會(huì)產(chǎn)生流失。

水箱水位的計(jì)算公式為：

式中，hw為水箱水位，mm；Qb為清水補(bǔ)水流量， m3/h；Qh為水耗流量，m3/h；hw0為初始水位，mm；kw為水箱截面面積系數(shù)。

水的流失使水箱水位不會(huì)自己保持平衡，需對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。水位閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖見圖4。

圖4 水位閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖

圖4中，hW是預(yù)先設(shè)定的水位，mm。D/A模塊將水位的檢測(cè)值傳輸?shù)絇LC中進(jìn)行PD數(shù)據(jù)運(yùn)算，輸出電壓信號(hào)V，由程序控制單元調(diào)節(jié)電磁閥組，完成對(duì)補(bǔ)水調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)。

4 主要故障及處理

(1)吸漿和排漿流量不平衡，水隔離泵容易撞擊上封頭。可通過逐漸關(guān)小清水回水調(diào)節(jié)閥解決該問題，直至聽不到撞擊聲。若浮球仍遠(yuǎn)離下封頭，可以同時(shí)調(diào)大清水進(jìn)水調(diào)節(jié)閥。

(2)由于入漿和排漿流量不匹配，水隔離泵撞擊下封頭，可逐漸關(guān)小清水進(jìn)水調(diào)節(jié)閥，直至聽不到撞擊聲。若浮球仍遠(yuǎn)離上封頭，則可以加大清水回水調(diào)節(jié)閥。

(3)回水混漿現(xiàn)象嚴(yán)重，產(chǎn)生原因?yàn)槿霛{和排漿流量不匹配或浮球卡住，或清水進(jìn)水閥無法打開，應(yīng)檢查浮球和清水進(jìn)水閥。

(4)由于入漿和排漿流量不匹配或浮球卡住，或無法打開清水回水閥，造成清水流失嚴(yán)重。應(yīng)檢查浮球和清水回水閥。

(5)系統(tǒng)壓力周期性大幅波動(dòng)。礦漿止回閥被異物卡住，或清水進(jìn)水、出水閥短時(shí)同開導(dǎo)致短路，均會(huì)出現(xiàn)該現(xiàn)象。應(yīng)檢查PLC是否遭受到強(qiáng)干擾，或檢查止回閥工作狀態(tài)是否正常。

(6)清水閥漏水漏油是由于密封圈或活塞桿閥桿損壞造成的，必須拆開進(jìn)行更換。上述入漿和排漿流量不匹配造成的故障也可以在保持清水進(jìn)水閥全開狀態(tài)時(shí)通過調(diào)節(jié)清水泵電動(dòng)機(jī)的頻率以調(diào)節(jié)進(jìn)水量和壓力，可以降低電機(jī)的功率，從而達(dá)到節(jié)能效果。

5 結(jié) 論

(1)基于傳統(tǒng)水隔離泵的結(jié)構(gòu)模式和運(yùn)行理論，在智能方面對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，建立了全自動(dòng)控制系統(tǒng)。程序控制單元是核心部件，承擔(dān)著信號(hào)采集、時(shí)間控制、數(shù)據(jù)運(yùn)算和實(shí)時(shí)通訊的任務(wù)。

(2)通過數(shù)字PID和D/A模塊，將檢測(cè)到的工作參數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，通過變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)吸、排漿速度平衡的自動(dòng)調(diào)節(jié)。礦漿漿位和水箱水位平衡的調(diào)節(jié)類似，主要是通過數(shù)字PID和A/D模塊，分別將漿位、水位和壓力變送器采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化、電壓信號(hào)化，再由程序控制單元調(diào)節(jié)電磁閥組，最終完成平衡調(diào)節(jié)。

(3)水隔離泵智能控制系統(tǒng)通過控制吸漿和排漿速度平衡，減少清水耗用量；在礦漿倉自我調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，可通過調(diào)整礦漿輸出來實(shí)現(xiàn)保持漿位平衡；保持水箱水位的相對(duì)穩(wěn)定，補(bǔ)充清水的流失。全自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)維持清水泵的工作性能具有重要作用，有助于建立智能化的尾礦自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和綜合性的應(yīng)用管理系統(tǒng)。

[1] 黃曉云，田玉才，孫 萍.全自動(dòng)水隔離泵控制系統(tǒng)[J].金屬礦山，2010，407(5):136-139.

[2] 汪賽琪.小流量高揚(yáng)程尾礦輸送設(shè)備選型與計(jì)算[J].有色設(shè)備，2014(1):32-35.

[3] 馬艷晶，李 甲.高濃度尾礦中長距離管道自流輸送設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].中國礦山工程，2015(5)：66-68.

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2015-11-30)

金玉雪(1995—)，女，266590 山東省青島市黃島區(qū)前灣港路579號(hào)。