CN112275165A - 一种变结构尾矿充填搅拌桶液位控制装置及方法 - Google Patents

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马贺
戚克明
周兵
赵裕斌
孙卫东
邓鹏浩
安红伟
王怡力
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王晓琨
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Abstract

本发明公开了一种变结构尾矿充填搅拌桶液位控制装置及方法，用于在充填过程中，对胶结材料和砂浆两种物质形成的料浆液位进行控制。该系统从硬件和软件两个方面对液位进行设计和控制，使液位始终保持在一个恒定范围内。应用效果表明，变结构的充填搅拌桶液位控制策略能利用搅拌桶的容积进行充分搅拌,保证搅拌桶不空不溢，提高充填系统的稳定性，避免充填管路发生堵塞。

Description

一种变结构尾矿充填搅拌桶液位控制装置及方法
技术领域
本发明属于矿山充填设备控制技术领域，尤其是一种尾矿充填搅拌桶的液位进行控制的装置及方法。
背景技术
矿山开采过程中会产生大量的尾矿，粗放型开采对环境的破坏很大，可能引起地表塌陷，同时也可能引起尾矿库溃坝泥石流，对周边环境造成危害。国家对尾矿的排放监管也越来越严，提倡绿色矿山建设，最好是“无尾无费”排放。越来越多的矿山企业选择将尾砂用于采空区充填。采空区充填法具有矿床整体开采、安全性好的特点，可有效控制围岩崩落和地表下沉，能够充分回收矿石资源。
用于砂浆和胶结材料的搅拌桶的液位检测和控制是确保尾矿胶结质量的关键因素。在现有技术中，对搅拌桶液位的检测控制主要有两类缺陷：
第一、原液位计在搅拌桶上方安装，电机在搅拌矿浆和胶结体过程中，经常会将部分矿浆甩到料位计的检测面上，造成液位忽高，造成DCS自动化控制系统无法正常判断液位，致使系统失灵。遇到这种情况，往往需要现场操作工迅速到达现场进行清理液位计，才不会造成现场失控。
第二、搅拌桶液位直接影响充填质量，如果液位过低，则会断流，起不到搅拌效果，液位过高则导致矿浆溢出，加大操作人员清理现场的难度。但目前控制不够精确。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术所存在的不足，提供一种变结构尾矿充填搅拌桶液位控制装置及方法，准确检测和控制搅拌桶液位。
本发明的技术方案如下：
一种变结构的尾矿充填搅拌桶液位控制装置，包括带有搅拌机构的搅拌桶，其特征在于：在搅拌桶一侧安装有副桶，副桶与搅拌桶组成连通器；副桶通过与水平方向呈30°夹角的连接管连接到搅拌桶底部；搅拌桶与连接管之间加装有纵向隔离栅；搅拌桶底端通过横向隔离栅连接有螺旋管形式的放料管；还包括安装位于副桶中心位置的雷达式料位计。
副桶管内径与雷达波束角相适配。
一种变结构的尾矿充填搅拌桶液位控制方法，其特征在于：
(1)、当造浆活化结束，铸石球阀打开时，采用如下模糊控制法对搅拌桶液位进行控制：
以T为周期采样，取对电动管夹阀的开度指令C；对于搅拌桶液位H，根据规则模糊划分为五个模糊量，设搅拌桶H的论域为[0,1.4]，将其离散为[-2,-1,0,1,2]，求得离散论域Hi，其中H1＝-2，H2＝-1，H3＝0，H4＝1，H5＝2；设瞬时下砂流量变化率es的论域为[-30,30]，求得离散论域Vi，其中V1＝-2，V2＝-1，V3＝0，V4＝1，V5＝2，设开度指令C的论域为[20％,50％]，求得离散论域Ci，其中C1＝-2，C2＝-1，C3＝0，C4＝1，C5＝2；
然后依次确定隶属度，确定控制规则表，形成模糊控制表，最后进行清晰化处理；
(2)、当搅拌桶液位高度上升到设定值时，系统控制进入液位稳定阶段，本阶段采用查表法进行控制：e＝下砂流量+搅拌槽补加水流量-充填管流量的差值，阀门在原基础上上下浮动值为ADD，控制死区为(-10，10]；e与ADD之间对应关系为：(-30,-20]对应+10％，(-20,-10]对应+5％，(-10,0]对应0，(0,10]对应0，(10,20]对应-5％，(20,30]对应-10％。
优选地，步骤(1)以T为周期采样，取T时刻流量单元V1，取2T时刻流量单元V2，……取NT时刻流量单元VN.，实时求得变化率
Figure BDA0002719381000000021
本发明的积极效果在于：
通过在搅拌桶旁安装副桶，通过在副桶上安装液位计的方式进行检测液位，保证搅拌桶不空不溢，维持设定液位，达到最优的搅拌效果，以提高料浆的质量，提高充填系统的稳定性。
在刚开始放料时，通过放砂流量和放砂胶管阀配合方式，对搅拌桶液位进行控制；在液位到达一定高度，放料趋于稳定时，通过进出管路的矿浆平衡法进行控制搅拌桶液位稳定，即前馈控制策略。变结构搅拌桶液位控制模型基于对全流程复杂多变的下砂流态的灵活响应。充填作业刚开始时：系统采用流量计与下砂管夹阀配合的模糊控制法，以达到最好的稳定控制液位的效果；系统进入稳定状态时：搅拌桶的进出溶液进行差值分析后，对系统进行前馈控制，始终保持差值在合理范围内。即变结构的控制思路对全流程进行动态控制。
附图说明
图1是本发明搅拌桶液位控制装置的结构示意图。
图2是本发明放砂稳定时的前馈控制流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步说明本发明。
如图1，本发明搅拌桶液位控制装置包括带有搅拌机构1的搅拌桶2，在搅拌桶2一侧安装有副桶5，副桶5与搅拌桶2组成连通器；副桶5通过与水平方向呈30°夹角的连接管6连接到搅拌桶2底部,该倾角有效防止副桶5至搅拌桶2连接管路堵塞。搅拌桶2与连接管6之间加装有纵向隔离栅7，纵向隔离栅7为可拆卸式，在杂物堵塞时拆除后清理。搅拌桶2底端通过横向隔离栅8连接有螺旋管形式的放料管3，螺旋管起到二次搅拌的作用，使料浆制备更加均匀，从而提高充填质量。横向隔离栅8起过滤作用。还包括安装位于副桶5中心位置的雷达式料位计4。副桶5内径与雷达波束角相适配，现场直径为300mm。
副桶5水平高度与搅拌桶2水平高度一致或前者略高。雷达式料位计4的检测面距离副桶顶部高度为200～300mm。副桶5顶部采用敞口方式，以避免空气密封在液位计上方，导致测量的液位值比实际值偏低的问题。
如图2，控制方法分两个阶段，第一阶段为初始下砂阶段，第二阶段为搅拌桶液位稳定阶段：
其中第一阶段(初始下砂阶段)：当造浆活化结束，铸石球阀打开时，因下砂情况复杂多变，故采用模糊控制法对搅拌桶液位进行控制，实现该阶段液位平稳上升。该阶段有以下条件：
以T为周期，取瞬时下砂流量V。以T为周期采样，取T时刻流量单元V1，取2T时刻流量单元V2，……取NT时刻流量单元VN.。实时求得变化率
Figure BDA0002719381000000031
以T为周期采样，取搅拌桶液位H。
以T为周期采样，取对电动管夹阀的开度指令C。
1)对于搅拌桶液位H，根据规则模糊划分为NB,NS,ZE,PS,PB五个模糊量
H (0,0.4] (0.4,0.8] (0.8,1.0] (1.0,1.2] (1.2,1.4]
Fuzzy Array NB NS ZE PS PB
设搅拌桶H的论域为[0,1.4]，将其离散为[-2,-1,0,1,2]，
其中H1＝-2，H2＝-1，H3＝0，H4＝1，H5＝2。
2)对于瞬时下砂流量变化率es，根据规则模糊划分为NB,NS,ZE,PS,PB五个模糊量
e<sub>s</sub> [-30,-20] (-20,-10] (-10,10] (10,20] (20,30]
Fuzzy Array NB NS ZE PS PB
设瞬时下砂流量变化率es的论域为[-30,30]将其离散为[-2,-1,0,1,2]，
其中V1＝-2，V2＝-1，V3＝0，V4＝1，V5＝2。
3)对于开度指令C，根据规则模糊划分为NB,NS,ZE,PS,PB五个模糊量
C 20％ 30％ 40％ 45％ 50％
Fuzzy Array NB NS ZE PS PB
设开度指令C的论域为[20％,50％]，求得离散论域Ci，
其中C1＝-2，C2＝-1，C3＝0，C4＝1，C5＝2。
确定控制规则表
Figure BDA0002719381000000041
形成模糊控制表
Figure BDA0002719381000000042
Figure BDA0002719381000000051
清晰化
C -2 -1 0 1 2
Output 20％ 30％ 40％ 45％ 50％
由于系统第一阶段液位稳定值设定在1.4米，在液位上升到1.0米后，为使液位缓慢上升到1.4米，设置模糊控制表时，使控制规则的输出值(阀门开度)较缓慢变化，使搅拌桶液位向1.4米缓慢上升。
当搅拌桶液位高度上升到1.4米时，系统控制进入第二阶段：液位稳定阶段。
首先对下砂流量V1、充填管流量V2、搅拌槽补加水流量V3进行滤波。本阶段采用查表法进行控制：e＝(下砂流量V1+搅拌槽补加水流量V3-充填管流量V2)的值，放砂阀门在原基础上上下浮动值为ADD(如图2)，控制死区为(-10，10]。
e (-30,-20] (-20,-10] (-10,10] (10,20] (20,30]
ADD +10％ +5％ 0 -5％ -10％
搅拌桶液位受进入流量与出口流量的差值影响，该差值是液位变化的主要干扰量。应用前馈控制，依据干扰量的大小，在搅拌桶液位出现偏差前，采取控制策略。

Claims (4)

1.一种变结构的尾矿充填搅拌桶液位控制装置，包括带有搅拌机构(1)的搅拌桶(2)，其特征在于：在搅拌桶(2)一侧安装有副桶(5)，副桶(5)与搅拌桶(2)组成连通器；副桶(5)通过与水平方向呈30°夹角的连接管(6)连接到搅拌桶(2)底部；搅拌桶(2)与连接管(6)之间加装有纵向隔离栅(7)；搅拌桶(2)底端通过横向隔离栅(8)连接有螺旋管形式的放料管(3)；还包括安装位于副桶(5)中心位置的雷达式料位计(4)。
2.如权利要求1所述的变结构的尾矿充填搅拌桶液位控制装置，其特征在于副桶(5)管内径与雷达波束角相适配。
3.一种变结构的尾矿充填搅拌桶液位控制方法，其特征在于：
(1)、当造浆活化结束，铸石球阀打开时，采用如下模糊控制法对搅拌桶液位进行控制：
以T为周期采样，取对电动管夹阀的开度指令C；对于搅拌桶液位H，根据规则模糊划分为五个模糊量，设搅拌桶H的论域为[0，1.4]，将其离散为[-2，-1，0，1，2]，求得离散论域Hi，其中H1＝-2，H2＝-1，H3＝0，H4＝1，Hs＝2；设瞬时下砂流量变化率es的论域为[-30，30]，求得离散论域V1，其中V1＝-2，V2＝-1，V3＝0，V4＝1，VS＝2，设开度指令C的论域为[20％，50％]，求得离散论域Ci，其中C1＝-2，C2＝-1，C3＝0，C4＝1，C5＝2；
然后依次确定隶属度，确定控制规则表，形成模糊控制表，最后进行清晰化处理；
(2)、当搅拌桶液位高度上升到设定值时，系统控制进入液位稳定阶段，本阶段采用查表法进行控制：e＝下砂流量+搅拌槽补加水流量-充填管流量的差值，阀门在原基础上上下浮动值为ADD，控制死区为(-10，10]；e与ADD之间对应关系为：(-30，-20]对应+10％，(-20，-10]对应+5％，(-10，0]对应0，(0，10]对应0，(10，20]对应-5％，(20，30]对应-10％。
4.如权利要求3所述的变结构的尾矿充填搅拌桶液位控制方法，其特征在于：步骤(1)以T为周期采样，取T时刻流量单元V1，取2T时刻流量单元V2，……取NT时刻流量单元VN.，实时求得变化率
Figure FDA0002719380990000011
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