智能型黄泥灌浆系统水土比调节优化

徐禄均，孔庆忠，王 杰

（内蒙古工业大学 机械学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

煤炭自燃是煤矿开采过程中引发矿井火灾的一个重要原因。我国存在有煤矿自燃的矿井占矿井总数的56%，煤矿火灾会给矿井带来巨大的经济损失，是制约煤矿高产高效安全生产的主要因素之一。

防止煤炭自燃的方法很多，其中黄泥灌浆作为防止煤炭自燃的主要措施被纳入《煤矿安全规程》，越来越多的智能型黄泥灌浆设备应运而生，并取得了一定的防灭火效果。但目前的智能型灌浆设备在进行水土比调节时，电动调节阀动作较为频繁，容易损坏，且其控制系统为开环控制，不宜保证泥浆质量。水土比过大，导致泥浆过稀，防灭火效果差；水土比过小，导致泥浆过稠，输送过程中容易堵塞管路，所以对灌浆系统的水土比调节进行优化具有重要意义。

1 黄泥灌浆水土比调节整体方案设计

水土比调节是智能型黄泥灌浆系统中比较重要的一个环节，水土比调节系统的好坏将直接影响到泥浆的质量，对防灭火效果有重要影响。目前应用较多的智能型黄泥灌浆系统多为开环控制，其原理框图如图1所示。黄土经由螺旋给料机、带式输送机进入制浆机，清水经由电动调节阀、电磁流量计进入制浆机，在制浆机中搅拌、磨削、混合，混合后的泥浆经由输送管路输送到井下灌浆地点。

图1 黄泥灌浆给料系统原理框图

在给定制浆量的情况下，通过皮带秤称量黄土重量，根据单位时间内的给土量调节电动调节阀开度，从而控制给水量。该系统的水土比调节简单，但其泥浆质量不宜保证，影响防灭火效果，针对此问题，设计出的水土比调节和检测系统框图如图2所示。

螺旋给料机采用变频调节，调节螺旋给料机转速从而控制单位时间内给土量，黄土从螺旋给料机出来进入带式输送机，带式输送机上的皮带秤对黄土进行称量，经PLC程序处理，得到单位时间内的给土量；按照给定水土比，计算出单位时间内所需给水量，通过调节电动调节阀的开度调节给水量，并将电磁流量计检测到的单位时间给水量反馈给PLC。在搅拌池中安装一泥浆浓度计，并将其测量值与设定泥浆浓度进行对比，形成闭环控制，根据差值大小适当调整给土量，以形成质量较好的泥浆。

图2 水土比调节和检测系统框图

2 水土比调节电气系统

智能型黄泥灌浆系统采用PLC300作为控制中心，其中的水土比调节系统主要由螺旋给料机、皮带输送机、称重传感器、电动调节阀、电磁流量计和泥浆浓度计组成，其电气系统框图如图3所示。

作为检测元件的称重传感器、电磁流量计和泥浆浓度计分别将测得的单位时间内的给土量、给水量和泥浆浓度转换为4mA～20mA电流信号传给PLC的模拟量输入模块SM331，经PLC程序处理，由PLC模拟量输出模块SM332输出0V～10V电压信号，控制螺旋给料机转速和电动调节阀开度，通过电磁流量计和泥浆浓度计的实时监测，将单位时间内的给水量、给土量和泥浆浓度数据反馈给PLC，经过与设定值的比较，对给土量和给水量进行调节，从而实现了单位时间内给土量和给水量的精确控制。上位机采用工业平板电脑，其与PLC300之间采用MPI或TCP／IP通讯，将各传感器采集的数据传给上位机，并在上位机中的组态监控画面中实时显示。

3 水土比调节程序设计

西门子PLC300采用模块化编程，将水土比调节编写成一个子程序功能FC，由主程序0B1进行调用。

由于黄土黏性较大，因此螺旋给料机会出现给料不均现象，皮带秤测得单位时间内的给土量不断变化，从而导致给水量随之实时变化，电动调节阀由于开度调节过于频繁使得其较易损坏，影响整个设备的运行。针对此问题，改进水土比调节子程序，给土量调节、给水量调节和泥浆浓度检测调节程序流程如图4、图5和图6所示。

图4 给土量调节子程序流程图

图5 给水量调节子程序流程图

设置时间中断子程序的中断周期为200ms，在中断子程序块OB35中每200ms对称重传感器采样一次，将每次采样值累加并存入DB数据块，连续采样300次，得到1min时间内300次采样值的总和，然后求得1min内的单位时间给土量的平均值，把该平均值作为1min内的单位时间给土量a。

图6 泥浆浓度检测调节程序流程图

在子程序功能FC中计算单位时间给土量a所对应的单位时间给水量为c（m3／h）：

其中：b为给定水土比（通过上位机软件设置）。

设置c的范围为（c-3，c+3），当实际给水流量在该范围内时，电动调节阀不动作；当实际给水流量大于其最大值时，电动调节阀开度减小；当实际给水流量小于其最小值时，电动调节阀开度增大。

在时间中断程序块OB35中设置计数器，当计数器计数到300（即1min）时，对泥浆浓度采样一次，连续采样10次，取泥浆浓度采样和的平均值d作为该段时间（10min）内的泥浆浓度值，与设定浓度值进行比较。当d小于最小设定浓度时，增加螺旋给料机变频器频率，增加给土量；当d大于最大设定浓度时，减小螺旋给料机变频器频率，减小给土量。

4 结论

经过优化后的水土比调节系统可以实现水土比的自动调节，使用泥浆浓度计进行泥浆浓度的检测和浓度信息反馈，使调节系统形成闭环控制。该系统结构简单，经济可行，泥浆质量高，对提高智能化制浆机的自动化和泥浆质量具有重要意义。对水土比调节程序进行优化改进，解决了由于给土量不断变化引起的电动调节阀开度频繁调节而损坏的问题，延长了电动调节阀的使用寿命，具有一定的经济意义。

［1］ 王鹏飞.煤的自燃火灾预防措施［J］.科技情报开发与经济，2008（9）：207-208.

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