某矿深部上向分层全尾砂充填采矿技术研究--《江西理工大学》2015年硕士论文
某矿深部上向分层全尾砂充填采矿技术研究
【摘要】：针对某地下矿山破碎顶板层控型矿床产状复杂,现阶段开采矿体埋藏较深(600m以上)的赋存状况,以及现有开采技术条件,以尾砂充填采矿方法为研究工作中心,以安全开采、提高工效、降低成本和控制"两率"(损失率和贫化率)为目标,进行了尾砂特性及深部矿体充填采矿开采技术的分析及研究,主要研究内容有:1.利用美国热电IRIS Advantage1000等离子体发射光谱仪、英国MALVER公司MICRO-PLUS型激光衍射粒度分析仪等仪器对矿山尾砂组分、粒度等进行分析,并测定了全尾比重、松散容重、压实容重、自然安息角、孔隙率等基本物理参数。分析测定结果表明该矿山全尾砂物理力学性质符合胶结充填要求,可采用全尾砂胶结充填采矿法进行开采,不需要对尾砂进行分级处理。2.针对矿山现阶段开采深度较深,开展了全尾砂胶结充填配比优化试验及相关参数测定。通过全尾砂沉缩特性试验、充填料浆凝结时间试验、试块抗压强度试验、充填料浆输送性能试验等,其中充填料浆输送性能试验研究包括充填料浆L型管道输送试验、塌落度测定、充填其余参数的测定及计算、充填系统工艺流程分析等,分析确定了适合本矿山的充填工艺。3.进行了试验采场的回采与充填工艺试验。试验表明,该矿山可实现管道自流输送,但充填体强度略低于设计值。经分析,选矿药剂部分残留于尾矿是造成充填体强度略低的主要原因。生产实践表明,虽然充填体强度较设计值略低,但其能较好满足生产实际需要。充填采矿法可对矿山深部高地压产生的危害起到控制作用,可使矿产资源得到合理开发利用。总之,上向水平分层充填采矿法在该矿山深部试验采场试验较为成功,有效地控制了深部采场地压,保证了矿山生产安全,该技术方案科学、合理、可靠,可在该矿山推广使用,对同类矿山的生产实践具有一定的指导和借鉴作用。
【关键词】：
【学位授予单位】：江西理工大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2015【分类号】：TD853.34【目录】：
摘要3-4Abstract4-8第一章 绪论8-14 1.1 研究背景与意义8-9 1.2 研究现状9-12 1.3 研究内容及研究思路12-14
1.3.1 研究内容12-13
1.3.2 研究思路13-14第二章 某铜矿矿床地质14-17 2.1 矿区地质条件14-15 2.2 水文地质15-16 2.3 本章小结16-17第三章 井下生产作业现状17-21 3.1 开采技术条件17 3.2 开采作业17-20
3.2.1 浅孔留矿法设计工艺18
3.2.2 分段空场法设计工艺18-20 3.3 原有采矿方法存在的问题20 3.4 本章小结20-21第四章 充填材料试验及输送性能分析研究21-60 4.1 概述21 4.2 充填材料选择21-23 4.3 充填材料实验室试验结果及分析23-44
4.3.1 全尾砂物理化学参数及组成粒级测定23-27
4.3.2 全尾砂胶结充填配比优化试验及相关参数测定27-44 4.4 充填料浆输送性能试验及分析44-57
4.4.1 塌落度测定44-47
4.4.2 充填料浆L型管道输送试验47-53
4.4.3 充填工艺参数的测定及计算53-57 4.5 充填系统工艺流程57-59 4.6 本章小结59-60第五章 全尾砂上向水平分层充填采矿法现场试验60-69 5.1 拟采用的充填采矿法概述60 5.2 试验采场说明60-61 5.3 上向分层充填工艺61-63
5.3.1 采准工程布置61-62
5.3.2 回采与通风62
5.3.3 采场充填工艺62-63 5.4 效果分析63-68
5.4.1 采场充填效果63
5.4.2 充填强度分析63-68 5.5 本章小结68-69第六章 结论与展望69-71 6.1 主要结论69 6.2 展望69-71参考文献71-74附录A 充填系统工艺流程图74-75附录B 各灰砂比及重量浓度料浆塌落度效果相片75-87致谢87-88个人简历88
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简单讲解一下尾砂充填工艺
简单讲解一下尾砂充填工艺&&&&&&&&据了解水砂充填是利用分级尾砂作为矿山充填料的胶结充填技术。这种技术已经被国内外有色金属、黄金等矿山开采企业广泛应用。全尾充填是选厂尾矿全部用作充填料，弥补充填料的不足，并将采空区处理和尾矿处理结合起来，实现无废矿山。全尾充填法分为全尾砂胶结充填和高水固结全尾砂充填两种方法。&&&&&&&&某铁矿采用全尾胶结充填采空区，避免了在地表建尾矿库。采用全尾砂胶结充填自流搅拌制备充填料浆，充填料质量浓度大于60&010，充填体的强度达到1~2MPa，充填料灰砂比为1：4~1：6。可以选用进行作业。通过全尾砂胶结充填，矿石回采率将由60%提高到80%以上，并实现了矿山采矿、选矿、充填三者互为依托、综合平衡的良性闭路循环，不建地表尾矿库。&&&&&&&&&高水固结全尾砂充填其实质是在尾砂胶结充填工艺中不用水泥而使用高水材料作为胶凝材料，使用全尾砂作为充填骨料.高水速凝材料是一种速凝、早强，并可在大水灰比条件下硬化的水硬性胶结材料。该材料能将9倍于自身体积的水凝结成固体，0.5~1.&Oh凝结，1天强度达到0.5~2.5MPa，3天强度4.0~5MPa。&
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})(jQuery);矸石充填在尾砂充填法矿山的辅助应用--《中国采选技术十年回顾与展望》2012年
矸石充填在尾砂充填法矿山的辅助应用
【摘要】：地下开采矿山,废石的堆放与采空区的处理始终是影响矿山持续生产的两大难题。滁州市某矿业有限公司利用井下采掘废石辅助充填采空区的做法,使矿山矸石与井下采空区处理实现了有机结合。矸石充填采空区不仅弥补了充填料的不足,还减少了矸石提升时间与成本,提高了主井矿石提升能力,降低了地表矸石占地及堆放处理成本。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TD853.34【正文快照】：
随着国家大力倡导节能减排、保护环境、防治地质灾害、保护耕地等基本政策的相继出台，给矿山掘进和贫化采出的出窿废石处理带来越来越大的压力;废石堆放的地表占地受到严格控制，堆放成本及相关成本在急遴提高;由于滁州市某矿业公司开拓系统由主付井开拓转为综合井开拓的调
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矿山充填的自动控制研究与应用
西安科技大学硕士学位论文矿山充填的自动控制研究与应用姓名：彭倩申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：王再英2011
论文题目：矿山充填的自动控制研究与应用专
业：检测技术与自动化装置硕 士 生：彭
指导教师：王再英
要随着矿产需求量迅速增加，矿产资源开采利用引发的环境破坏和废料排放，导致矿山环境恶化并造成严重的环境灾害，已成为相当严峻的环境问题与社会问题。为此环境专家依据工业生态学观点，提出把矿山充填作为矿床开采的一道必要工序，并且完全利用矿山固体废料进行充填，最大限度地利用矿产资源和保护远景资源，最大限度地减少矿山废料的产出，从根本上解决矿山环境与生态破坏问题。在矿山充填中，充填质量主要取决于充填料浆的浓度与灰砂配比。传统充填料浆浓度与灰砂配比系统采用常规仪表进行控制，配料成分不稳定，影响充填效果。本论文利用先进的自动化控制技术，设计充填料浆的浓度与灰砂配比系统自动控制方案：针对充填工艺流程及搅拌系统本身存在大滞后、非线性的特点，分析了料浆浓度、料浆配比及水仓液位的现场特性；根据料浆浓度、灰砂比及水仓液位等参数不同的控制需求，设计了符合要求的专家PID控制、双闭环比值控制及带死区的PID控制策略，以保证充填质量符合现场的各项要求；以料浆浓度为被控对象进行专家控制算法的研究并利用Matlab软件对传统PID控制算法与专家控制算法进行仿真与对比，仿真结果表明专家控制算法在动态特性与静态误差方面明显优于传统PID控制算法；通过西门子STEP7软件将专家控制算法在西门子S7-300 PLC中进行实现，采用结构化编程方法对料浆浓度的专家控制规则进行梯形图编程，最终给出料浆浓度的现场运行曲线并达到较为理想的控制效果。
关 键 词：矿山充填；料浆浓度；专家PID控制；可编程逻辑控制器；研究类型：应用研究
: Research and Application of Automatic Control in Mine Filling Specialty : Detecting Technology and Automatic EquipmentName
: Peng Qian
Instructor:Wang ZaiyingABSTRACTWith the demand of mineral products is increasing rapidly, the exploration of the mineral resources leads to environmental deterioration and disaster, it has become to a nasty problem of environment and society. Therefore environmentalists have mine filling as one necessary step of mining in an ecology idea and make full use of waste materials in mine filling, people should make best use of the mineral resources and protect our prospective resource, decrease the waste products from the mine to an utmost degree, solve the problem of mining environment and ecological damage basically.The quality of the filling much depends on the concentration of slurry and the cement sand ratio. In the traditional filling system of the concentration of slurry and cement sand ratio, people always control the system with the conventional instruments, it leads to the instability in composition and affects the result of filling. In this paper, people design the automatic control system of the concentration of slurry and cement sand ratio according to the advanced technique of the automatic control:First and foremost, the paper analyzes the field feature of the concentration of slurry、the cement sand ratio and the level of water storehouse according to the process and the characteristic of the large time delay and nonlinearity i It also designs the control strategy of the expert- control of PID、double close-loop control and the dead-zone control of PID of meeting requirements according to the different requirements of the parameters of the concentration of slurry、the cement sand ratio and the level of water storehouse and ensures the quality of filling meets the need In the second place, it have research of expert-control algorithm in view of the concentration of slurry and simulate and compare the conventional control of PID with the expert-control of PID in the software of Matlab, the simulation results show the algorithm of expert-control of PID in dynamic characteristics and static error is better than the algorithm of conventional control of PID; In conclusion, the paper illustrates the implement of the expert-control algorithm in
S7-300 PLC of Siemens by using the software of STEP7, at the same time, it adopts the method of structured programming to program the expert control rules of the concentration of slurry in ladder diagram language, it also gives the history curve of the concentration of slurry and the curve tells people the result of control is satisfactory.
Key words : Mine filling
Concentration of slurry
Expert control of PID
PLC Thesis
: Application Research
1 绪论1 绪论采矿是矿产资源开发和利用的基础工业，但是采矿工业在为人类提供原材料的同时，也不可避免地会扰动和破坏地表环境，带来安全隐患。随着工业社会的飞速发展，矿产需求量迅速增加，矿产资源开采利用引发的环境破坏和废料排放，已成为相当严峻的问题。特别是我国大多数矿山生产规模小，工艺技术相对落后，导致矿山环境严重恶化，给自然生态环境和社会经济生活带来了很大的负面影响。世界各国领导人、环境专家和采矿专家都希望采矿工业实现零排放和不破坏生态环境，这就意味着不能将废料排放在地表，采空区能被及时充填，同时还要充分地回收矿产资源。尽管目前国内外采矿技术已取得很大进展，但要实现这一目标仍然有很大的难度。1.1 选题背景及研究意义采矿是矿产资源开发和利用的前端工序。按照传统的认识，在矿床开采过程中，人们通常注重于矿床开采的经济活动，较少结合开采过程考虑矿床开采对自然环境的严重负面影响；往往在出现生态破坏和环境污染后再进行末端治理，较少按照矿产资源开采与生态环境相协调的理念，将矿床开采的各个工序作为一个系统从源头解决矿山环境污染问题。因而，我国因矿产资源开发利用造成了大量的土地受到破坏，排放的固体废料达工业行业排放固体废料总量的85%。矿山固体废料的排放占用了大量宝贵的土地，造成生态环境恶化，同时也造成大量有价金属与非金属资源的流失。因此减轻采矿工业对自然环境的破坏，充分回收利用有限的矿产资源，是我国乃至世界范围内需要有计划地完成的一项重大环保任务和资源战略[1]。针对矿床开采造成地地表塌陷、排放尾砂、排放废石和浪费资源等四大危害，可以按照工业生态学的观念即在节约资源的同时又减少污染的处理成本，把费用昂贵的废料处理转变成企业的一个新的利益源，一道工序或一个企业所产生的废料物质或许正是其他工序或企业所要购买或使用的原材料，通过重构生产系统，结合开采过程消除环境污染和生态破坏，使矿山工程与生态环境融为一体；并使采矿过程和谐地纳入自然生态系统物质循环利用过程，形成产品清洁生产、资源高效利用和废料循环利用为特征的生态经济发展形态。这样，就可以从根本上解决传统开采方式所带来的资源浪费、破坏生态、污染环境和安全隐患问题。完成这一任务的解决方案是依据工业生态学观点，把矿山充填作为矿床开采的一道必要工序，并且完全利用矿山固体废料进行充填。也就是说，在矿山工业系统的闭环中，利用采矿和选矿工序所产生的废料作为充填工序的原料，最大限度地利用矿产资源和保护远景资源，最大限度地减少矿山废料的产出，最大限度地把废料转变成二次资源被重 1西安科技大学硕士学位论文新利用和抑制地表塌陷，从根本上解决矿山环境与生态破坏问题。 [1]1.2 国内外研究动态和发展趋势中国纳入统计的各种类型和规模金属矿山达16000多座，大多数矿山规模小，矿山数量多，具有开采条件复杂的特点，因而在中国采用的充填工艺类型包含了其他国家所有的充填工艺，种类繁多。中国的矿山充填虽然已达数百年的历史,但早期的充填是从矿工排弃地底下废料开始的，那时并不是矿山开采计划的一个组成部分。有计划的进行矿山充填是近一百年之内的事，然而真正在矿山充填方面取得较大的进展，则是近40年以来的事[6]。1.2.1 充填技术简介中国充填工艺与技术的发展，经历了废石干式充填，分级尾砂和碎石水力充填，混凝土胶结充填，以分级尾砂和天然沙作为填充料的细砂胶结充填，废石胶结充填，高浓度全尾砂胶结充填和膏体泵送胶结充填的发展过程，可概括为4个发展阶段[2]：（1）第一阶段在20世纪50年代以前，中国充填均是以处理废弃物为目的的废石干式充填工艺。废石干式充填采矿法曾在50年代初期成为中国主要的采矿方法之一。但是随着回采技术的发展，废石干式充填因其效率低，生产能力小和劳动强度大，已逐渐满足不了技术发展的需要。因而，自1956年开始，国内干式充填法所占比重逐年下降，到1963年在有色矿山担负的产量仅占0.7%，处于被淘汰的地位。（2）第二阶段从20世纪60年代开始采用水砂充填工艺。1965年在锡矿山南矿为了控制大面积的地压活动，首次采用尾砂水力充填采空区工艺，有效地减缓了地表下沉。湘潭锰矿也从1960年开始采用碎石水力充填工艺，以防止矿坑内火灾，取得了较好的效果；70年代在铜绿山铜铁矿，招远金矿和凡口铅锌矿等矿山应用了尾砂水力充填工艺；80年代以来则在60多座有色，黑色和黄金矿山广泛推广应用了分级尾砂充填工艺与技术。（3）第三阶段20世纪60到70年代，开始应用和开发尾砂胶结充填技术。由于非胶结充填体无自立能力，难以满足采矿工艺高回采率和低贫化率的需要，因而在水砂充填工艺得以发展并推广应用后，就开始发展胶结充填技术。随着胶结充填技术的发展，在这一阶段已开始深入研究充填料的性质，充填料与围岩的相互作用,充填体的稳定性和充填胶凝材料。中国这一时期的胶结充填均为传统的混凝土充填,即完全按建筑混凝土的要求和工艺制备、输送胶结充填料。这种传统的粗骨料胶结充填输送工艺复杂且对物料组配的要求较高,因而一直未获21 绪论得大规模推广使用。在20世纪70到80年代,几乎被细砂胶结充填完全取代。细砂胶结充填于70年代开始在凡口铅锌矿,招远金矿和焦家金矿等矿山获得应用。细砂胶结充填以尾砂,天然砂和棒磨沙等材料作为充填集料，胶结剂主要为水泥，集料与胶结剂通过搅拌制备成料浆后,以两相流管输送方式输入采场进行充填。因细砂胶结充填兼有胶结强度和适于管道水力输送的特点,因而于20世纪80年代得到广泛推广应用。目前,以分级尾砂,天然砂和棒磨沙等材料作为集料的细砂胶结充填工艺与技术已非常成熟,并已在凡口铅锌矿,小铁山铅锌矿等20多座矿山中应用细砂胶结充填。（4）第四阶段20世纪80到90年代，随着采矿工业的发展，原充填工艺已不能满足回采工艺和进一步降低采矿成本或环境保护的需要，因而发展了高浓度充填技术，膏体充填，废石胶结充填和全尾砂胶结充填等新技术。高浓度充填是指充填料到达采场后，虽有多余水份渗出，但其多余水分的渗透速度很低，浓度变化较慢的一种充填方式。制作高浓度物料包括天然集料，破碎岩石料和选矿尾砂。对于天然砂和尾砂料的高浓度概念，一般是指重量浓度达75%的充填料；所谓膏体充填则是指充填料呈膏状，在采场不脱水，其胶结充填体具有良好的强度特性；废石胶结充填则是指以废石作为充填集料，以水泥浆或砂浆作为胶结介质的一种在采场不脱水的高质量充填技术；全尾砂胶结充填则是指尾砂不分级，全部用作矿山充填料，这对于尾砂产率低和需要实现零排放目标的矿山是十分有价值的。这些技术分别在凡口铅锌矿、济南的张马屯铁矿的等矿山投产应用。1.2.2 国内外发展现状自60年代初水力输送矿山尾砂天然沙得到成功应用以来, 矿山充填技术经历了脱泥尾砂水砂充填、胶结脱泥尾砂、水砂、粗骨料充填、高浓度全尾砂或脱泥尾砂充填和膏体充填等几个发展阶段。除膏体充填外, 上述其他充填方法可称之为常规充填。与水力输送充填料相比较, 机械搬运充填如胶带输送机、铲运机、抛射机等，风力输送充填也得到了某种程度的应用，但远不如水力充填使用得广泛[2]。（1）水砂充填经过三十余年的实践和发展, 水砂充填在今天是一种较成熟的技术。国内外的许多中小型矿山甚至大型矿山还在使用这种技术。一般情况下, 水砂充填材料是脱泥尾砂或天然砂, 充填料浆的固体质量浓度低于70%(多数为60%~68%)，以自流输送为主, 当充填倍线较小时也使用砂泵输送。但由于水砂充填料浆的固体质量浓度低，充填料卸入采场后多余的重力水将从采场底部或中部的挡料墙处流出来，因此，采场充填体将产生一定程度的沉降，并且挡料墙将承受较大的静水压力。1997年, 澳大利亚4个矿山有7个充填采场的挡料墙垮塌, 造成严重的井下跑砂事故。为保证充填法采场挡料墙的稳定性和安全, 根据上述研究结果 3西安科技大学硕士学位论文提出了下列挡料墙设计准则：① 挡料墙的强度应大于采场充填体的初始静水压力② 挡料墙应允许充填体中的自由重力水排出③ 挡料墙应能防止微细充填料颗粒和重力水一起排出.（2）胶结充填胶结充填目前在国内外仍是主要的充填类型之一，充填材料一般为脱泥尾砂, 胶结剂一般为普通硅酸盐水泥。由于水泥费用占这种充填类型费用的大部分，因此，在保证充填体所需强度的情况下，许多矿山都采取重力水一起排出。一些措施减少水泥添加量以降低充填成本。如使用发电厂粉煤灰或磨碎的冶炼炉渣代替一部分水泥, 就是一种成熟的充填工艺。① 混凝土充填混凝土充填技术在我国应用较早。现在采用混凝土充填的主要矿山有金川龙首矿、吉林镍业公司富家矿、新疆喀拉通克铜镍矿、大冶丰山铜矿等。龙首矿和富家矿均采用下向高进路混凝土充填, 龙首矿以戈壁集料为充填骨料, 富家矿采用破碎后的露天矿废石为充填骨料。两矿的充填料用溜井下放至地下搅拌站, 水泥在地表制成水泥浆用管道输送至搅拌站, 靠溜槽自重下放混合制成混凝土, 然后用电耙接力方式输送到充填地点, 在采场内自流充满采空进路。喀拉通克铜镍矿采用上向分层混凝土充填法回采特富矿体, 以保护四周贫矿的开戈壁集料, 与水泥在地表搅拌站混合制成混凝土, 用钻孔下放至地下, 再用电耙接力方式输送到采场, 在采场内用电耙耙平。丰山铜矿采用下向分段碎石混凝土充填法, 碎石由露天矿废石破碎而成, 用溜井下放至地下混合碉室, 水泥浆在地表制备, 用管道输送至混合碉室。采用自淋混合工艺, 铲运机将混合料运走, 直接卸入采空区进行充填。矿山混凝土充填主要指标见表1.1[2]。表1.1国内部分矿山混凝土充填主要指标矿山名称金川龙首矿吉镍富家矿喀拉通客矿丰山铜矿 采矿方法 下向混凝土充填 下向混凝土充填 上向混凝土充填
下向分段混凝土充填 骨料名称 戈壁集料 破碎废石 戈壁集料 破碎废石 水泥单耗kg/m3 200~220 220 150 120 充填体强度MPa 3~4 2~4 1~3 2~3混凝土充填主要特点是充填体强度高,可用于下向胶结充填, 也可用来制作人工矿壁、人工底柱。目前存在的主要问题是水平距离输送不能管道化, 用电耙输送环节多、水泥离析严重, 充填体成本高。② 块石胶结充填块石胶结充填在澳大利亚Mount Isa矿应用很成功, 我国大厂铜坑扬矿已试验成功41 绪论并用于生产。该矿有两套充填系统分别为棒磨砂胶结充填系统和块石破碎及转运系统。地表设采石场, 岩石破碎后用皮带输送到充填井上口, 同时棒磨砂和水泥混合料浆用管道输送到天井口, 砂浆与块石同时连续下料, 两者在料堆斜面上滚动、混合、渗透, 形成胶结充填体。块石胶结充填生产能力大, 块石用皮带输送, 料浆用管道输送便于计量, 充填体强度高, 成本比混凝土充填低。该技术最适宜空场法嗣后充填, 也可用于分段充填和处理采空区。③ 分级尾砂充填分级尾砂充填工艺是中国应用最为广泛的充填工艺，绝大部分充填矿山均建有分级尾砂充填系统，包括分级尾砂胶结充填和非胶结充填。这一充填工艺和技术已相当成熟,其输送浓度为65%~70%。分级尾砂的利用粒径一般为+37μm，利用率一般在50%左右，而对有些多金属矿山，其产率仅30%左右，如凡口铅锌矿、西林铅锌矿、安庆铜矿等矿山。④ 尾砂胶结充填尾砂胶结充填是我国矿山目前应用最广泛、技术最成熟的充填工艺，最具代表性的矿山有焦家金矿、新城金矿、安庆铜矿、小铁山铅锌矿、三山岛金矿, 凡口铅锌矿、铜绿山铜矿等。我国部分矿山尾砂胶结充填主要指标见下表1.2所示：表1.2我国部分矿山尾砂胶结充填主要指标矿山名称采矿方法或充填种类灰砂比水泥单耗料浆浓度 充填体强度% 68~70 68 68~70 72~74 70 68~70MPa 1~1.2 1~1.5 1.2~1.5 1.5~2 2~3 2~3kg/m3焦家金矿 新城金矿 小铁山铅锌矿 安庆铜矿 三山岛金矿 红透山铜矿上向进路尾砂胶结充填 上向分层尾砂胶结充填 上向分段尾砂胶结体 阶段矿房嗣后尾砂充填 上向分层工作面地板 上向尾砂充填 工作面地板铜绿山铜矿 凤凰山铜矿水淬渣充填工作面地板 上向分层工作面地板1：5 1：6300 2501：101801：8~1：10 180~200 1：8 1：10 1：4 1：4200 180 380 38070~72 70~743~4 3~4焦家金矿和新城金矿都采用上向水平分层充填法，矿体分两步回采。第一步回采的矿房或进路采用灰砂比为1:8或1:10的尾砂胶结充填, 第二步回采后采用尾砂充填。小铁山铅锌矿采用上向分段充填, 第一分段采用灰砂比为1:8的尾砂胶结充填, 其余分段采用尾砂充填。安庆铜矿采用大孔阶段矿房法, 矿房回采结束后, 用高浓度尾砂(加河砂)
5西安科技大学硕士学位论文胶结充填, 灰砂比为1:10, 矿柱采用尾砂、废石充填。三山岛金矿采用上向点柱分层充填, 在尾砂充填料上部浇注一层400mm厚的尾砂胶结体, 灰砂比1:4, 作为采场的工作地板。红透山铜矿、铜绿山铜矿、凤凰山铜矿等许多采用上向分层充填法的矿山, 在充填料表面均浇注一层厚度为300mm~500mm且灰砂比为1:4―1:6的水泥尾砂胶结体作为采场工作地板[3]。尾砂胶结充填多采用立式沙仓储存尾砂, 地表充填料制备系统, 具有充填能力大、管道输送工艺简单、自动化控制程度高等优点。最适宜水平上向充填法第一步骤回采的胶结充填， 也适宜分段充填法的上向和下向充填以及空场法充填。我国尾砂胶结充填目前存在的主要问题是料浆输送浓度低, 砂浆在管道中呈二相流状态, 充填到空区后, 水泥离析现象严重,充填体质量不稳定, 强度低。为达到设计强度, 保证生产安全, 必须加大水泥用量, 因而提高了充填成本。据统计, 我国矿山尾砂胶结充填成本占采矿成本的30%~40%, 而国外采矿发达国家, 充填成本仅占采矿成本的10%~20%, 有些矿山甚至低于10%。我国尾砂充填存在另一个重要问题是充填尾砂量不足, 据调查大多数尾砂充填矿山的尾砂不能满足生产需要, 充填“欠帐”现象比较普遍, 制约采矿生产, 甚至使采矿生产中断。⑤ 高浓度全尾砂胶结充填凡口铅锌矿是我国利用尾砂胶结充填最早的矿山, 先后建设了几套尾砂胶结充填系统。为解决尾砂不足和充填浓度低等问题,进行了高浓度全尾砂胶结充填试验, 试验成功后已推广应用。首先将全尾砂经高效浓密机浓缩, 再经过滤机过滤, 制成含水率为20%的滤饼, 经双轴搅拌机与水和水泥混合, 经高效搅拌机再次搅拌成高浓料浆, 浓度达到75%, 用钻孔自流输送到充填地点。该工艺最大特点是尾砂利用率高, 达到95%, 料浆浓度高, 充填体质量好。当前存在的问题是采用自流输送, 料浆浓度太高使管道阻力增大而担心堵管, 因此在充填时将浓度调整到70%~72%, 使充填质量受到影响。⑥ 全尾砂细石膏体泵送胶结充填为解决全尾砂高浓度输送问题, 金川公司进行了全尾砂细石膏体泵送充填试验, 并获得成功。将全尾砂经高效浓密机和过滤机浓缩成含水率为22%的滤饼, 再用高效搅拌机与水泥、细石和水混合, 形成浓度为75%~76%的膏体, 用PM泵(KOS2170双活塞混凝土泵)经管道输送到空区。这种充填工艺特点是充填体不脱水, 加上细石骨料, 充填体强度高。当在全尾砂中按50:50加入细石, 灰砂比为1:10和1:4时, 28天抗压强度分别为4.0MPa和6.8MPa。由于采用泵压输送, 不受充填倍线限制, 水平输送距离长。存在的主要间题是泵尚需从国外引进, 全尾砂脱水设备多,初期投资大, 目前仅适用于大型矿山推广和应用。⑦ 高水速凝固化胶结充填高水速凝固化胶结充填技术是充填技术的新发展, 在我国研究、设计单位和矿山企61 绪论业的共同努力下, 已在许多矿山试验成功和应用, 如招远金矿、龙首矿、栖霞山铅锌银矿、大厂矿务局、鸡冠嘴金矿、凡口铅锌矿、焦家金矿、富家矿等。高水充填材料有双浆和单浆两种。⑧ 赤泥胶结充填赤泥胶结充填于20世纪90年代在山东湖田铝土矿应用成功，并在山东莱芜铁矿开展了赤泥全尾砂胶结充填工业试验，其实验效果良好。后由于赤泥原料的供应未能跟上而暂停使用。山东湖田铝土矿采用赤泥胶结充填，其主要组成份包括赤泥，粉煤灰，石灰和减水剂。赤泥含水约80%，密度2.79到2.93g/cm3，赤泥浆重量浓度为44%到55%。选用粉煤灰作为充填掺和料，其作用是吸收赤泥浆中多余的水份，提高充填料浆浓度。又由于粉煤灰颗粒较均匀且呈球状，和赤泥制备成混合浆后，有利于管道输送。石灰为粉状生石灰，粒径-0.08mm占51%，容量0.94到0.97t/m3，活性钙含量为60.07%。赤泥浆与粉煤灰、石灰浆之比为4:1:1[2]。赤泥全尾砂胶结充填是以赤泥胶结剂与全尾砂混合后进行胶结充填的技术。该技术结合山东莱芜铁矿开展了工业试验，其充填料成份包括赤泥，石灰浆和全尾砂。赤泥浆及石灰浆均采用调节液压砂浆泵活塞换向频率来控制输送量，全尾砂则通过调节中间沙仓底部圆盘给料机螺旋阀开度控制给料量。赤泥浆、石灰浆与全尾砂3种组份连续供给搅拌桶后，制备成料浆，然后通过已有充填钻孔及井下充填管道自流输送至采空区进行充填。1.3 （1）对充填系统的工艺流程与充填设备进行充分了解并分析了各个环节的内在机理，针对现场情况与甲方要求设计出相应的自动化控制方案；（2）通过对充填过程的详细分析，针对充填料浆浓度，料浆灰砂比和水仓液位，分别提出了基于专家PID的控制算法、双闭环比值控制算法及带死区的PID控制算法。其中，利用实验法推出单回路浓度控制对象近似数学模型并在Matlab仿真软件中进行仿真，并与常规PID控制算法进行结果比较；（3）在实际工程实践过程中，利用西门子Step7软件对其相应的控制算法进行梯形图的编程及初步调试，并且完成下位PLC S7-300与上位西门子WinCC软件之间的以太网通信，利用WinCC软件对上位界面进行组态。
7西安科技大学硕士学位论文1.4 本章小结本章从矿床开采过程中对生态破坏和环境污染的角度论述了课题的选题背景，按照工业生态学的观念阐明了课题的研究意义；通过介绍充填技术的发展历史与种类，简单论述了充填技术在国内外的研究动态和未来发展趋势；最后对作者在论文中完成的具体工作做了一个简要的介绍。82 矿山充填工艺流程、过程特性及控制要求2 矿山充填工艺流程、过程特性及控制要求2.1 充填工艺流程概述胶结充填体作为地下采矿工程中的人工构筑工程，是充填采矿法控制采场地压和区域地压的主要手段。它是将采集和加工的细砂等惰性材料掺入适量的胶凝材料，加水混合搅拌制备成胶结充填料浆，沿钻孔、管、槽等通道向采空区输送和堆放浆体，然后使浆体在采空区中脱去多余的水（或不脱水），形成具有一定强度和整体性的充填体；或者将地面制备成的水泥砂浆或净浆，与砾石、块石等分别送入井下，将砾石、块石等惰性材料先放入采空区，然后采用压注、自淋、喷洒等方式，将砂浆或净浆包裹在砾石、块石等的表面，胶结形成具有自立性和较高强度的充填体[4]。在本矿山充填过程中，采用向下高浓度胶结充填法，以水泥作为胶结物，天然沙砾及尾砂作为骨料，即将惰性材料掺入适量的胶凝材料并加水混合搅拌制备成胶结充填料浆，向下输送到采空区。生产前期沙砾不作为充填料，以尾砂为主，待采矿区开始工作后，利用振动筛和皮带输送机，将从矿渣废料中提取的沙砾作为骨料输送到搅拌槽，达到保护环境、降低成本的目的。在搅拌槽中采用强力机械搅拌装置，将混合料浆制成高浓度的均质胶结充填料浆，以管道自流输送的方式送入采场，形成均匀的、高质量的充填体。矿山充填生产系统工艺流程图如图2.1所示：
图2.1 矿山充填系统工艺流程9西安科技大学硕士学位论文根据图2.1可知，充填料浆主要由砂砾、尾砂、水泥和水构成，各自通过输送管道流入搅拌槽进行搅拌，在搅拌槽出口处装有核子浓度仪，监控充填料浆浓度变化。其中砂砾量是通过控制圆盘给料机频率来控制的，尾砂及水量则由可调节的电动阀控制，水泥量同样是通过调节螺旋给料机频率来控制。甲方要求将料浆浓度控制在77%左右，允许有±5%的余差即料浆浓度应控制在72%~82%的范围内，水泥、砂子及水的重量比值为200：（kg），即灰砂比为1：6.5，水泥料浆混合物的密度应大于等于1900kg/m3，水泥混合料浆拌全物的密度应大于等于1800kg/m3，为保证充填体的强度在2~3MPa，水泥料浆中的水泥用量应大于等于200kg/m3。在料浆试配时应采用机械搅拌，搅拌时间应自投料结束算起，按照相应规定，对于水泥料浆和水泥混合料浆，搅拌时间不得小于120s，为降低水泥耗量，若在水泥中添加碱性活化剂等复合胶凝材料，则搅拌时间不得小于180s。在充填系统中，主要充填设备及功能如下：（1）螺旋给料机：两台，设备型号为GX400，产能大于55吨/小时。安装于水泥仓下，用于输送水泥，输送距离约12米；（2） 圆盘给料机：一台，设备型号为DK2500，生产能力范围为120m3/h≥Q≥80m3/h，安装于沙砾仓下，用于砂料配给；（3） 皮带输送机：一台，设备型号为800×30000，产能范围为120m3/h≥Q≥80m3/h，安装于沙砾仓之下，用于输送干砂料至搅拌槽，干砂比重2.5g/cm3；（4） 高浓度搅拌槽： 一台，型号为￠，用于充填料搅拌，重量浓度72%~82%； （5）计量及检测装置有：① 冲板流量计（或超声波流量计）安装于螺旋给料机出料端口，监控水泥给料量； ② 电子（核子）皮带秤安装于皮带机上，用于监控干砂给料量；③ 流量计Ⅰ安装于水泵出口，用于监控水泵流量；④ 流量计Ⅱ安装于搅拌槽排出口，用于监控充填料流量；⑤ 流量计Ⅲ安装于尾砂仓排出口，用于监控尾砂流量；⑥ 同位素（或核子）浓度仪安装于搅拌槽排出口，监控充填料浓度变化；⑦ 核子料位计安装于搅拌槽，监控搅拌槽的液位变化；⑧ FU输送机两台，振动过滤筛1台，一次搅拌槽两台。充填站生产工艺组成如图2.2所示：102 矿山充填工艺流程、过程特性及控制要求
11西安科技大学硕士学位论文启动条件，设备按顺序自动启动。现场可用停车按钮停止启动过程。（7）现场信号箱设置启/停车按钮即现场可随时停车。当设备为集控启动时，若控制系统接到现场停车信号后，可作急停处理，实施故障停车操作。（8）所有设备设急停开关，设备工况、速度、跑偏、计量等信号，均接入集控系统，参加设备的紧急停车、闭锁停车及产能调节。（9）对需要在露天现场安装的计量传感元件，在选型时应考虑具有较高的防护等级，以适应高温、潮湿、日晒、雨淋、振动等环境条件。对外部控制设备采用就地密封操作盒，可就地控制操作和集中控制室控制操作。2.3 本章小结本章介绍了胶结充填的概念及本矿山充填的具体工艺流程与充填方法，说明了该矿山充填中料浆浓度、灰砂比、充填强度及搅拌时间等所需要达到的各项指标，描述了现场所涉及的充填设备及相应的功能，给出了充填站的生产工艺组成图，并且针对整个矿山充填自动化控制系统，提出详细的工艺控制要求，以满足现场的各项需求。123 矿山充填站控制系统设计方案3 矿山充填站控制系统设计方案3.1 控制系统的设计准则矿山充填是井下生产的重要一环，充填质量的好坏直接关系到整个矿山的安全生产。传统的充填系统依靠常规仪表控制充填料浆的浓度，人为因素较多，工人的劳动强度大，存在不同程度的充填生产质量问题。随着计算机控制系统的普及应用，特别是近年来工业以太网的快速发展，为矿山充填生产线的改造提供了强有力的技术与网络支持[6]。因此本控制系统在选择系统控制设备时，充分考虑了其先进性、可靠性、易操作性及易维护性，保证提供的是全新成熟的、技术先进且能使充填生产系统安全可靠运行的完整设备。3.2 控制系统的数据传输、保存及控制模式控制系统采用控制室集中监控方式，现场设备的运行状态及工艺参数直接进入PLC，PLC再与监控站进行数据交换，以显示现场各设备的状态。操作人员根据这些状态参数，通过鼠标或键盘就可向现场设备发出动作命令，PLC接收到这些指令后，再综合输入信号，按预先编制好的程序进行逻辑解算，将结果送到输出模块，通过各输出点信号即可控制现场设备。系统的所有控制程序都储存在PLC的CPU中，由CPU控制程序运行，重要的运行参数都存储在CPU中，监控站通过工业以太网从PLC的CPU中读取运行参数，监视其运行状态。当网络发生故障时，仅会造成在监控站无法再监控系统，但不会影响系统独立PLC中控制程序的继续运行，且工艺系统的最新运行参数仍继续存储于PLC的 CPU寄存器中，当网络恢复正常后，监控站可立即通过网络读取到最新运行参数，不会造成数据丢失。通过与PLC的数据交换，上位监控站可显示整个工艺系统的运行状态，包括各测点参数变化、设备运行状态，且能实时进行语音报警并生成报警记录，从而使操作员在控制室内清楚地知道现场工艺系统运行状态及报警状态。通过操作员站监控现场每一设备，不必再去现场直接对设备进行一对一硬手操，减少了操作员的工作量，实现了方便可靠的控制室集中监控。3.3 控制系统中被控对象的控制设计3.3.1 充填料浆浓度控制设计13西安科技大学硕士学位论文在矿山充填中，由于造浆过程中料浆浓度受许多因素影响，如尾砂饱和程度、级配及存放时间，环境温度及系统本身固有的纯滞后和不可预知干扰等特点，致使搅拌槽中料浆浓度变化过程呈现非线性及纯滞后的特点，常规PID算法很难将浓度控制在要求的范围内，直接影响料浆的输送、充填质量[7]。为此，在矿山实际生产中主要是通过改善控制策略或是建立二级搅拌来实现料浆浓度的稳定控制[8]，因为本矿山硬件系统已经建成，很难再做出整改，所以在现有基础上，通过改善控制策略，利用专家PID控制算法来进行被控系统地优化和实用化。专家控制算法覆盖了传统控制算法可以达到的功能，但又超过了传统控制技术，是试图在控制闭环中加入一个有经验的控制工程师，利用系统提供的控制、辨识、测量与监视等各种方法将控制优化，实质是一个对“控制专家”的思路、经验、策略的模拟、延伸和扩展[9]。充填系统通过专家PID控制将料浆浓度控制在要求范围内，以保证充填体质量，控制框图如图3.1所示。
图3.1 料浆浓度控制框图3.3.2 充填料浆配比控制设计充填系统使用的充填料为砂砾、尾砂、水泥及水。在充填初期，以尾砂作为骨料，待生产过程中从矿石废料里提取沙砾后，将沙砾作为骨料，达到提高废料利用率、降低充填成本和保护环境的目的。然而精确获得灰砂比很大程度上是依赖于充填矿层处的环境，要根据周边环境准确的计算出配比以至达到充填的目的并非容易。所以在对现场进行多次考察的基础上，还应将环境的温度, 湿度因素考虑进去。依据开采场周边环境状况和充填体强度要求，可将灰砂比定为1：6.5，对于间隙自动控制，灰沙比可由搅拌槽的容积，水泥及砂子的流量计算而得，但对于连续自动控制，灰砂比要恰到好处，达到砂浆的精确配比，需要根据要求将控制系统设计为双闭环比值控制，以满足对灰砂比的自动控制要求。双闭环比值控制克服了单闭环比值控制主流量不受控制、生产负荷在较大范围内波动的不足，在单闭环比值控制的基础上，增加了主流量控制回路，实现了对主流量的定值控制，增强了主流量抗干扰能力，使主流量变得比较平稳。在本系统的双闭环比值控制中，主流量为水泥流量，副流量为沙砾及尾砂流量，在实现比较精确的流量比值控制143 矿山充填站控制系统设计方案的基础上，又确保了水泥、沙砾及尾砂物料总量的基本不变。此外，在升降负荷时也比较方便，只要缓慢地改变主流量调节器的设定值就可升降主流量，同时副流量也自动跟踪升降，并保持两者比值不变[9]。料浆比值控制系统框图3.2及系统构成图3.3如下所示：
图3.3 双闭环比值控制系统构成在双闭环控制系统中，不仅要两流量保持恒定的比值，而且主副流量均要实现定值控制，所以二个调节器均应选PI调节，比值器选P调节。3.3.3 水仓液位、水泥仓料位及搅拌槽料位控制设计料浆浓度的调节是通过给水调节阀来执行的，给水是通过水库中水泵抽入到水仓并输送到管道而来的，水仓中的液位需要被监控，这里将水仓液位系统设计为一个单闭环 15西安科技大学硕士学位论文控制系统，同时采用带死区的PID控制器来控制，既可避免执行机构水泵动作过于频繁，又可消除由于频繁动作而引起的振荡。带死区的PID控制系统实际上是一个非线性系统，当|e(k)|≤|e0|时，位置跟踪偏差e(k)为零即数字调节器输出为零；当|e(k)|&|e0|时，偏差e(k)恢复正常且为设定值与反馈值之差即数字调节器有PID输出。其中e0是一个可调参数，具体数据需根据实际控制要求来确定。这里应注意，若e0值太小，会使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的目的，若e0太大，则系统将产生较大的滞后[10]。
164 控制算法研究4 控制算法研究在矿山充填过程中，料浆浓度的控制直接关系到整个矿山充填质量的好坏，是决定矿山安全的关键，然而由于料浆浓度本身的大滞后、不稳定性，使得其在控制上相对于灰砂比、水仓液位更需要利用先进控制算法来满足现场的控制要求。在本章节中以料浆浓度为被控对象，对其做相应的控制算法研究。4.1 料浆浓度的模型建立建立被控过程数学模型的基本方法有两种，即机理法和实验测试法[11]。由于充填站料浆浓度的控制属于单回路控制，所以为了分析方便，采用实验测试法来推出料浆浓度控制对象的数学模型。在该套料浆浓度控制回路中，测量浓度的变送器采用HDS的核子浓度计，控制器采用西门子PLC-300系列以及执行器采用电动调节阀，在料浆浓度相对稳定时且采用常规PID控制的情况下，对该被控过程施加一个阶跃扰动即将设定值上调5%，以获得过程的动态特性并记录相应的响应曲线。根据被控过程的阶跃响应曲线形状可知，这个单回路浓度控制对象的近似数学模型可以用n阶惯性环节加滞后的形式来表达，其中被控过程的动态特征参数为放大系数K，时间常数T及延迟时间τ等，可由阶跃响应曲线作图确定特征参数[12]
，如图4.1所示。
图4.1 有滞后的阶跃响应曲线但是，从理论上来分析料浆浓度对象的模型应该是G其中：(s)=Tαs+1Tβ1
（4.1） s+1Tθs+11为电动调节阀的动态特性； Tαs+117西安科技大学硕士学位论文 1为稀释水与料浆混合过程的动态特性； Tβs+11为料浆浓度变送器的工作特性。 Tθs+1根据实际被控对象的特性，可知道电动调节阀及浓度变送器的时间常数Tα、和Tθ相对都比较小[13]，而稀释水与料浆混合过程时间常数Tβ相对比较大，即应满足0&Tα&1，0&Tθ&1及Tβ&1的特性；同时针对料浆浓度对象的特性，在这个模型中应存在一个明显的滞后环节e?τs并且τ/T&0.3属于大滞后[14,15,16]。因此，为了符合实际现场特性，依据理论分析同时通过实验测试法得出符合料浆浓度实际情况的近似数学模型，如式4.2所示：1(0.3S+1)(2S+1)(0.1S+1)
（4.2）同时对于料浆浓度控制回路来说，滞后环节在实际中会随着料浆流速、给水压力及灰砂比等因素发生变化[17]，但在Matlab仿真中，这个滞后时间是保持不变的，以便于系统分析。4.2 料浆浓度的PID控制4.2.1 PID控制原理PID(比例、积分、微分)控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路器件。这个控制器把采集到的数据和一个设定值进行比较，然后把这个差值用于计算新的输入值，这个新的输入值可以让系统的数据达到或者保持在设定值。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。也就是说当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。实际应用中也有比例积分(PI)和比例微分(PD)控制。而PID控制实际是比例(P)、积分(I)和微分(D)控制的组合，这种组合控制器综合了三种单独控制器各自的优点[18]。(1)比例(P)控制作用的特点比例控制是一种最简单的控制方式，当系统误差一旦产生，控制器就立即有控制作用，使被控对象朝着误差减小的方向变化，而控制作用的强弱就取决于比例系数K。缺点是对于具有自平衡(即系统阶跃响应终值为一有限值)能力的被控对象存在静差，增大K到可以减小静差，但是K过大会导致系统超调增大，使系统的动态性能变坏。184 控制算法研究(2)积分(I)控制作用的特点积分作用能对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差，但是积分作用具有滞后的特点，而且积分作用太强会使被控对象的动态特性变差，甚至导致系统不稳定。(3)微分(D)控制作用的特点通过对误差进行微分，能使调节器具备提前预测出误差变化趋势并加以预防的能力，相当于赋予调节器某种程度的“预见性”，对防止系统出现较大动态偏差有利。但是微分对干扰敏感，使系统对干扰的抑制能力降低。在常规调节中，为了提高调节精度又加快过渡过程，就采用了比例控制、积分控制、微分控制的组合PID控制。根据被控对象的不同，适当地调整PID参数，可以获得比较满意的控制效果，加上其算法简单，且有一定控制精度，所以还是被公认为最普遍的控制算法[19]。(4)PID控制器的工作原理在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。PID控制系统原理框图如图4.2所示。系统由PID控制器和被控对象组成。
PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器，通过对偏差e(t)进行比例、积分和微分运算，PID控制器的控制规律为[10]：?1t
u(t)=kp??e(t)+Ti?∫e(t)dt+0Tdde(t)?
（4.3） ??dt?两边再取拉氏变化，经整理后得到PID传递函数形式：G(s)=PID控制规律经离散化可得： ??U(s)1?
（4.4） =kp?1++TsD??EsTIs??k???
u(k)=kp?e(k)+ke(j)+k(e(k)?e(k?1)) i∑d??j=0??那么增量式PID控制算法为：?u(k)=u(k)?u(k?1)
（4.6）?u(k)=kp(e(k)?e(k?1))+kie(k)+kd(e(k)?2e(k?1)+e(k?2))
（4.7）19西安科技大学硕士学位论文4.2.2 PID参数整定简单控制系统的控制品质与被控过程的特性、干扰信号的形式和大小、控制方案及控制器参数等因素密切相关。一旦控制方案确定，受工艺条件和设备特性限制的广义对象特性、干扰特性等因素就完全确定，不可能随意改变。这时控制系统的控制品质完全取决于控制器的参数整定。控制器参数整定方法可简单归结为理论计算法和工程整定法两大类。常用的理论计算法有对数频率特性法、根轨迹法等。理论计算法要求知道被控过程的数学模型，由于难以获得被控过程精确的数学模型，因而理论计算法在工程上较少采用。工程整定法不需要对象特性的数学模型，可直接在现场进行参数整定，方法简单、操作方便、容易掌握，在工程实际中得到广泛应用。常用的工程整定法有稳定边界法、衰减曲线法、响应曲线法、经验试凑法等[20]。下面对稳定边界法和衰减曲线法做一个简介。 （1）稳定边界法稳定边界法又称临界比例度法，是目前应用较广的一种调节器参数整定方法。在生产工艺容许的情况下，先让控制器按比例调节工作，从大到小逐渐改变控制器的比例度，直至系统产生等幅振荡；记录此时的临界比例度Pm和等幅振荡周期Tm，再通过经验公式的简单计算，求出控制器的整定参数并进行设置，再做设定值扰动实验，观察过渡过程曲线。若过渡过程不满足控制质量要求，再对计算值做适当调整，直至得到满意结果为止。稳定边界法经验公式的理论依据是在纯比例调节时，系统的最佳放大倍数约等于临界放大倍数的一半。（2）衰减曲线法衰减曲线法是针对临界比例度法的不足，在总结“稳定边界法”和其他一些方法的基础上得出的一种参数整定方法。这种方法不需要系统达到临界振荡状态，步骤简单且比较安全。若要求过渡过程的衰减比为4：1，其整定步骤如下：首先，取Ti=∞，Td=0，比例度P置于较大数值，将系统投入自动运行状态。 其次，待系统工作平稳后，对设定值做阶跃扰动，然后观察其过渡过程。若过渡过程振荡衰减太快，就减小比例度P，反之，则增大比例度P。如此反复，直到系统呈现衰减比为4：1，衰减率为0.75的振荡过渡过程，从过渡过程曲线上测出此时振荡周期TS,并记录对应的比例度Ps。最后，按经验公式计算控制器的整定参数值P、Ti和Td，并按计算结果设置控制器参数，再做设定值扰动实验，观察过渡过程曲线。若过渡过程不理想，再对计算值做适当调整，直至得到满意结果为止。4.2.3
料浆浓度的PID控制及仿真204 控制算法研究在传统矿山充填过程中，经常以常规PID控制算法控制料浆浓度，其控制框图如4.3所示：
21 图西安科技大学硕士学位论文参数PID控制在克服超调及缩短过渡时间上显得无能为力，为此提出将专家智能控制与PID控制相结合的算法来解决充填过程中料浆浓度的控制问题。4.3 料浆浓度的专家控制4.3.1 专家控制系统结构专家控制系统是智能控制的一个分支，应用专家系统概念和技术，模拟人类专家的控制知识与经验而建造的控制系统。它是一种基于知识的计算机程序系统，能模拟专门领域的专家求解问题的能力，对所面临的复杂问题做出专家水平的结论，它解决问题的能力主要取决于它所拥有的知识。这种基于知识的计算机程序系统，事先将有关专家的知识经验总结出来形成一系列规则，并将他们以适当的形式存入计算机，然后采取合适的控制策略，按输入的原始数据选择一定的规则进行推理演绎，做出相应的判断和决策[22]。专家控制系统因应用场合和控制要求的不同，其结构也可能不同，但是几乎所有的专家控制系统(专家控制器)都包含知识库推理集、控制规则集、控制算法等，其基本结构如图4.5所示。
224 控制算法研究后的被控量、偏差、偏差变化趋势等。特征识别与信息处理中获取的每一信息和提取的每一特征信息都称为基元信息。基元信息的数目不同，论域不同，组合形式不同就构成了不同的系统运动状态β了系统某一运行状态的行为特征，包含有该运动状态的各种特征信息。β了描述各种运动状态行为的特征集合，称之为特征行为空间，记为：β={β1,β2,β3…βnii，βi描述的全体构成 }
（4.8）(2)推理机专家控制系统的工作模式可以理解为：通过特征提取识别出系统当前处于什么特征运动状态，并立即采取相应的控制模式进行控制。这一过程可以用映射的信息处理来描述。推理机由推理规则集即公式4.9构成：R={r1,r2,r3… rn}
（4.9）它是行为空间β到控制规则集U的映射集合。这种映射用产生式规则描述如下：规则集R：β→U规则r1
u1产生系统的推理方向可分为三种：正向推理、反向推理和双向推理。正向推理是由已知的事实出发向结论方向推理，即所谓事实驱动推理方式；反向推理是先提出假设，然后由此出发进一步寻找支持假设的证据，即所谓的目标驱动推理方式；而双向推理是先从已知事实通过正向推理帮助提出假设，再用反向推理进一步支持所假设的证据，这样一前一后的反复进行推理直至得到结论为止[24]。(3)控制规则集在专家控制系统中，为了适应对象的时变性、不确定性、干扰的随机性、环境的不确定性，要求控制策略采用多种模态控制策略且可用控制向量来表示，如下式4.10所示：
U={u1,u2,u3…un}
（4.10）其中每一个控制策略可以是解析的、模糊的或者是知识型的。控制策略往往是由一些控制基元组成，如比例、积分、微分及典型的操作规则等。一些常用的控制基元有：σ1：ke
微分控制σ3：ki∫edt
控制输出不变，仍为上一时刻值 Hσ5：Umax，Umin 控制输出最大或最小
σ5：IF …
ELSE ……(4)知识库与数据库[25]知识库用于存储某领域专家系统的专门知识，包括事实集和经验数据、经验公式、 23西安科技大学硕士学位论文规则等。事实集主要包括被控对象的有关知识，如结构、类型及特征、参数变化范围等。控制规则有自适应、自学习、参数自调整等方面的规则。经验数据包括被控对象的参数变化范围、控制参数的调整范围及其限定幅值，传感器的静、动态特性、系统误差、执行机构的特征、控制系统的性能指标以及由控制专家给出或由试验总结给出的经验公式。数据库是各种已知条件、实时数据等当前信息，以及与特定问题有关的各种临时数据的集合。信息处理和信息提取得到的特征信息空间、运行行为控制、人机界面的外部输入信息、专家系统推理过程中的中间结果等，都存放在数据库中，这些内容称之为事实。4.3.2 专家控制的模型在专家控制的设计过程中，知识的表达是一项重要的内容。一般根据工业控制的特点及实时控制要求，采用产生式规则描述过程的因果关系，并通过带有调整因子的模糊控制规则建立专家PID控制规则推理集[26]。直接专家控制知识模型可用下式4.11表示：
U=f(E,A,I,U)
其中，f 为智能算子，其基本形式为:IF
U )经验数据与事实集；I={i1,i2,i3…ip}为推理机构的输出集；U={u1,u2,u3…uq}为控制规则输出集。
其中，E={e1,e2,e3…en}为控制器输入信息集；A={a1,a2,a3…am}为知识库中的智能算子f的基本含义：根据输入信息E和知识库中的经验数据A与规则进行推理，然后根据推理结果I,输出相应的控制行为U。f算子是可解析型和非解析型结合。为使推理机构能实时地在控制空间搜索到目标，既能保证最大限度地发挥控制作用，又能避免搜索不到目标而导致“失控”，因此建立知识库时必须满足以E到U的满射[27,28]。4.3.3 料浆浓度的专家PID控制及仿真专家控制（Expert Control）的实质是基于受控对象和控制规律的各种知识，以智能的方式利用这些知识来设计控制器，即利用专家经验来设计PID参数以构成专家PID控制。它是一种采用知识表达技术建立知识模型和知识库，利用知识推理制定控制决策，将知识模型与常规PID控制理论的数学模型相结合，来模仿专家的智能行为制定有效控制策略的智能控制器[29]。这种控制器对环境变化有较强的自适应和鲁棒性，能够适应充填现场的复杂环境。充填料浆浓度要求范围在72%至82%内，针对该系统中的结构与特点，结合上面介?c(k)，?c(k?1)绍的专家控制相关知识，提出专家PID控制方案，根据料浆浓度偏差c(k)，244 控制算法研究的变化信息及知识库中的规则，导出每一采样时刻的控制信号。过程信息的获取主要由传感器将现场的浓度信号送至PLC，通过软件编程对信息进行采集分析，规则集合主要就是针对这些采集的信息数据来制定的。料浆浓度的系统控制框图如图3.1所示。需将连续PID控制规律离散化且用差分方程来
在数字控制系统中要实现PID控制，表示，为了节省内存和计算时间以利于实时控制，根据公式4.6及4.7，采用增量式PID控制算法的递推公式，如下所示：c(k)=c(k?1)+kp[c(k)?c(k?1)]+kic(k)+kd[c(k)?2c(k?1)+c(k?2)]
（4.12） 在公式4.12中k这样则有 p，ki，kd分别为比例、积分、微分系数，c(k)表示离散化后当前采样时刻的偏差值，c(k?1)、c(k?2)分别表示前一个和前两个采样时刻的偏差值，?c(k)=c(k)?c(k?1)
?c(k?1)=c(k?1)?c(k?2)
另外，系统误差阶跃响应曲线如图4.6所示：
系统误差阶跃响应曲线从图4.6可知，在a、c、e、g等的区域中，偏差绝对值朝减小的方向变化，可采取保持等待措施，相当于实施开环控制；而在b、d、f、h等区域中，偏差绝对值朝增大的方向变化，可根据偏差的大小分别实施较强或一般的控制作用，以抑制动态偏差[30]。所以根据料浆浓度偏差大小及其变化趋势，利用正向推理设计专家PID控制推理规则集，总结如下：规则r1：IF
U(k)=U1规则r2：IF
C1≥|c(k)|&C2
U(k)=U2规则r3：IF
C2≥|c(k)|&C3
U(k)=U3规则r4：IF
C3≥|c(k)|&C4
U(k)=U4规则r5：IF
c(k)?c(k)≥0 AND
C4≥|c(k)|&C0规则r6：IF
c(k)?c(k)≥0 AND
|c(k)|≤C0
U(k)=U(k?1)+a1kp[c(k)?c(k?1)]+kic(k)+kd[c(k)?2c(k?1)+c(k?2)]25西安科技大学硕士学位论文THEN
U(k)=U(k?1)+kp[c(k)?c(k?1)]+kic(k)+kd[c(k)?2c(k?1)+c(k?2)] 规则r7：IF
c(k)?c(k)&0 AND
c(k)?c(k?1)&0
OR c(k)=THEN
U(k)=U(k?1) 0规则r8：IF
c(k)?c(k)&0
AND c(k)?c(k?1)&0 AND C4≥|c(k)|&C0
U(k)=U(k?1)+a2kpc(k?1)规则r9：IF
c(k)?c(k)&0
AND c(k)?c(k?1)&0
AND |c(k)|≤C0
U(k)=U(k?1)+a3kpc(k?1)THEN
U(k)=U(k?1)+kP[c(k)?c(k?1)]+kic(k)其中，U(k)为第k次控制器的输出，U(k?1)为第k-1次控制器的输出，C0为偏差界限,B=[C1,C2,C3,C4;U1,U2,U3,U4]为偏差映射到控制输出的矩阵，a1与a2为增益放大系数且大于1，a3为抑制系数且大于0小于1，通常是根据现场参数及经验来设定这些系数且可以在线调整，或是事先可通过仿真观察各个参数对控制结果的影响，估算它的设定规律，以保证控制效果的最佳。k为控制周期的序号（自然数），ε为任意小的正实数。规则r1、规则r2、规则r3及规则r4根据偏差大小，输出相应的控制作用；规则r5表明偏差朝绝对值增大方向变化且比较大时，应加快系统响应速度，实施将强的控制作用；规则r6表明偏差朝绝对值增大方向变化且比较小时，可考虑控制器实施一般的控制作用，只要扭转偏差的变化趋势即可；规则r7表明偏差绝对值朝减小的方向变化或以到平衡状态，控制器输出保持不变；规则r8和规则r9表明偏差绝对值朝减小的方向变化且偏差处于极值状态，此时根据偏差大小输出不同控制作用且设定a2和a3；规则r10表明偏差已经很小且已达到允许的范围，为使系统具有更加良好的稳态性能，可加入积分I环节以减小稳态偏差。根据上述控制规则，在Matlab软件上进行专家PID控制算法的相应仿真，以观察仿真效果。专家PID控制器采用离散S函数与Simulink模块相结合的形式来实现，控制器的参数kp、ki、kd与控制输入上下限Um及采样时间T均采用封装的形式设定，即将专家PID控制子程序封装成一个模块，像使用Simulink内部模块一样使用它，同时将子系统的内部结构隐藏，访问时只需在参数设置对话框中进行相应的参数输入即可[31,32,33]。其中，仿真程序中以Simulink提供的S函数模版sfuntmpl.m文件为基础，用规则r10：IF
|c(k)|≤ε
Matlab语言编写S函数控制子程序system1以实现专家PID控制，可见附录1，其程序流程图如图4.7所示。264 控制算法研究
西安科技大学硕士学位论文对其做控制算法上的研究。其中，通过理论分析及实验测试对料浆浓度进行建模，在介绍了常规PID控制原理与相应的参数整定方法后，利用Matlab软件对PID控制算法进行仿真，在控制效果不佳的情况下引出专家PID控制算法并在介绍了专家控制系统结构、专家控制模型的基础上，提出针对料浆浓度的专家控制规则，利用Matlab软件编写S函数控制子程序以实现专家PID控制的仿真，将仿真效果与常规PID控制仿真结果进行对比。285 算法的PLC实现和工业应用5 算法的PLC实现和工业应用5.1 SIMATIC PLC 简介 可编程控制器( Programmable Logic Controller，简称PLC)是一种数字运算操作的电子系统，是在20世纪60年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的，其自产生至今只有30多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一[37]。PLC可应用于开关量的逻辑控制，这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。例如在本论文中对螺旋给料机、圆盘给料机、皮带输送机及电动阀的启停与顺序控制等；它作为工业控制计算机，能编制各种各样的控制算法程序，完成过程控制中温度、压力、流量等模拟量的闭环控制，在本论文中涉及的料浆浓度、灰砂比及水仓液位控制也均属于此类控制，同时PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制，以实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换；此外，现代的PLC具有数据处理功能，能进行数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理，同时这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表，在本论文中对料浆浓度的专家PID控制就需要用到数据处理的功能；随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统，而PLC的通信接口，也使得PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信非常方便。5.1.1 模块式PLC的基本结构西门子公司S7-300系列的PLC以其极高的性能价格比，在国内外占有很大的市场份额，在我国各行各业得到了广泛的应用。S7-300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，各种模块安装在机架上，从附录5现场照片的PLC柜中可以看到。通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机、其它PLC或设备通信。在 29西安科技大学硕士学位论文本论文中的矿山充填站系统中，采用的就是S7-300系列的PLC。模块式PLC基本结构如下[38]：（1）CPU模块CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。在本论文中，充填系统采用CPU315-2DP型号。 （2）信号模块输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块，开关量输入、输出模块简称为DI和DO模块，模拟量输入、输出模块简称为AI和AO模块，它们统称为信号模块。信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，在矿山充填系统中，开关量输入模块用来接受螺旋给料机、圆盘给料机、皮带输送机及电动阀等来的启停开关量输入信号；模拟量输入模块用来接受充填过程中各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来控制螺旋给料机、圆盘给料机、皮带输送机及电动阀等设备的启停状态；模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。这里应注意，由于CPU模块内部的工作电压一般是DC5V，而PLC的输入/输出信号电压一般较高，例如DC24V或AC220V，这样从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作，因此在PLC装柜中需在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC内部电路和外部的输入、输出电路。信号模块除了传递信号外，还有电平转换和隔离作用。（3）功能模块为了增强PLC的功能，扩大其应用领域，减轻CPU的负担，PLC厂家开发了各种各样的功能模块。它们主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。 （4）接口模块CPU模块所在的机架称为中央机架，若一个机架不能容纳全部模块，可增设一个或多个扩展机架。接口模块用来实现中央机架与扩展机架之间的通信，有的接口模块还可以为扩展机架供电。在本充填系统中，通过IM365接口模块扩展了一个扩展机架，见图5.6。（5）电源模块PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源，电源模块用于将输入电压转换为DC24V电压和背板总线上的DC5V电压，供其它模块使用。（6）编程设备西门子S7-300使用安装了编程软件STEP7的个人计算机作为编程设备，在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序，可以实现不同编程语言之间的相互转305 算法的PLC实现和工业应用换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络可实现远程编程和传送。编程软件还具有对网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断的功能，例如在充填系统出厂调试中，为测试PLC与PC机之间的通信连接，使用程序从PC机依次自动的向PLC各个端口发送0或1信号，达到诊断纠错的目的。5.1.2 PLC的特点和工作原理（1）PLC的特点① 通用性强,使用方便由于PLC产品的系列化和模块化，PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。当控制对象的硬件配置确定以后，就可通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。② 功能强，性能价格比高一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。③ 可靠性高,抗干扰能力强绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。针对PLC是专为在工业环境下应用而设计的，故采取了一系列硬件和软件抗干扰措施。硬件方面，隔离是抗干扰的主要措施之一；软件方面，设置故障检测与诊断程序。采用以上抗干扰措施后,一般PLC平均无故障时间高达4万~5万小时。④ 编程方法简单,容易掌握PLC配备有易于接受和掌握的梯形图语言。该语言编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。⑤ 控制系统的设计、安装、调试和维修方便PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等部件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。此外，PLC的用户程序大都可以在实验室模拟调试,调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场，进行联机统调。在维修方面，PLC的故障率很低，且有完善的诊断和实现功能，一旦PLC外部的输入装置和执行机构发生故障，就可根据PLC上发光二极管或编程器上提供的信息，迅速查明原因。若是PLC本身问题，则可更换模块，迅速排除故障，维修极为方便。⑥ 体积小、质量小、功耗低31西安科技大学硕士学位论文由于PLC是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品，因而结构紧凑、坚固，体积小，质量小，功耗低，而且具有很好的抗震性和适应环境温度、湿度变化的能力。因此,PLC很容易装入机械设备内部,是实现机电一体化较理想的控制设备。（2）PLC的工作原理[38]① 在每次扫描过程中，集中对输入信号进行采样，集中对输出信号进行刷新。 ② 在输入刷新过程中，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。③ 一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。④ 元件映像寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。⑤ 扫描周期的长短由CPU执行指令的速度，指令本身占有的时间，指令条数所决定。⑥ 由于采用是集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。5.1.3 编程软件STEP7简介PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序，我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。为了在个人计算机上使用STEP7，应配置MPI通信卡或PC/MPI通信适配器，将计算机连接到MPI或PROFIBUS网络，来下载和上载PLC的用户程序和组态数据。STEP7允许两个或多个用户同时处理一个工程项目，但是禁止两个或多个用户同时写访问。STEP7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。STEP7的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象，按F1键可以得到该对象的在线帮助。在STEP7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和WinCC的数据，实现STEP7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP7中[40]。（1）STEP7中的编程语言PLC是专为工业控制而开发的装置，其主要使用者是工厂广大电气技术人员，为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常PLC不采用微机的编程语言，而常常采用面向325 算法的PLC实现和工业应用控制过程、面向问题的“自然语言”编程。STEP7是S7-300系列PLC的编程软件，梯形图（LAD）、语句表（STL即指令表）和功能块图（FBD）是标准STEP7软件包配备的3种基本编程语言，这3种语言可以在STEP7中相互转换，STEP7还有多种编程语言可供用户选用，但是在购买软件时对可选的部分需要附加的费用。在矿山充填系统中，使用PLC提供的梯形图编程语言来对料浆充填过程进行自动化控制，梯形图语言的特点有[38,39]：① 它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线，用来表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。② 每个梯形图由多个梯级组成，每一梯级的运算结果，会立即被后面的梯级所利用。梯形图中的接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。它的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联并且继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。③ 内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。④ PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。除了了解梯形图编程语言的特点外，在具体用梯形图语言编程时，还应遵守一些规则：① 每个梯形图程序都必须以输出线圈或指令框结束，比较指令框（相当于触点）、中线输出线圈和上升沿、下降沿线圈不能用于程序段结束。② 指令框的使能输出端“ENO”可以和右边的指令框的使能输入端“EN”连接。 ③ 输出线圈、置位(S)线圈、复位（R）线圈，中线输出线圈和上升沿、下降沿线圈，计数器和定时器线圈，逻辑非跳转（JMPN），主控继电器接通（MCR&）等线圈必须用触点电路控制它们即要求有布尔逻辑，不能与左侧垂直“电源线”直接连接。④ 逻辑非跳转（JMPN）、跳转（JMP）、调用（CALL）和返回（RET）线圈不能用于并联输出。⑤ 如果分支中只有一个元件，删除这个元件时，整个分支也同时被删掉。删除一个指令框时，该指令框除主分支外所有的布尔输入分支都将同时被删除。⑥ 能流只能从左到右流动，不允许生成使能流流向相反方向的分支。⑦ 不允许生成引起短路的分支。根据梯形图的特点与编程规则，使用STEP7编程软件，可在一个项目下生成STEP7程序并且用程序监视和控制被控对象。其中PLC包括一个供电单元，一个CPU，以及 33西安科技大学硕士学位论文输入和输出模块（I/O模块）且通过程序中的地址来寻址I/O模块。编程软件和硬件设备结构如图5.1所示[40]：图5.1 编程软件和硬件结构 被控对象（2）PLC中的PID模块功能在西门子S7-300中，一般通过其自带的PID控制功能块SFB41、SFB42与FB41、FB42来实现PID控制。SFB41、SFB42为系统功能块，固化在PLC的ROM中，不占用用户的工作存储器空间，可直接调用；FB41、FB42为功能块，与SFB41、SFB42为相同版本，若PLC为“CPU314”以下机种时，不包含PID功能块SFB41，西门子可用FB41来替代SFB41，此外FB41可以进行人工开发。SFB41和FB41为连续控制的PID模块，用于控制连续变化的模拟量，与SFB42、FB42的差别在于后者是离散型的，用于控制开关量，其他二者的使用方法和许多参数都相同或相似。需要注意当用户程序调用了标准库中的FB功能块时，那么自己建立FB块时将不能与库中的FB同名[41]。PID的初始化可以通过在组织块OB100中调用一次，将参数com-rst置位，当然也可在别的地方初始化它，关键是要控制com-rst；PID的调用可以在定时循环中断OB35中完成，即直接在OB35里面插入FB41，方框顶上会有红字，输入一个对应的数据块，系统会问你要不要生成这个DB，同意即可，一般设置时间为200ms；PID功能块的使能控制端EN最好采用任何一个存储器的常开触点并联该存储器的常闭触点这样的永不断开的触点，以保证PID功能块的正常工作。在矿山充填系统中使用FB41功能块对灰砂比、水仓液位等进行相应的闭环控制，灰砂比控制采用双闭环比值控制器，即使两个过程变量PV1和PV2之比保持为常数。如图5.2 所示，用水泥控制闭环中的过程量PV1来计算砂子控制闭环中的设定值，同时在过程变量PV1动态变化的过程中也能保证PV1和PV2之间保持设定的比例。
345 算法的PLC实现和工业应用
.图5.2 PLC中的双闭环控制另外，水仓液位控制采用带死区的闭环控制器，以防止执行机构频繁动作导致的小幅振荡，避免造成严重的机械磨损。当死区非线性环节的输入量（即偏差）的绝对值小于设定值B时，死区非线性的输出量（即PID控制器的输入量）为0，这时PID控制器的输出分量中，比例部分和微分部分为0，积分部分保持不变，因此PID的输出保持不变，PID控制器不起调节作用，系统处于开环状态；当偏差的绝对值超过设定值B时，开始正常的PID控制，在FB41模块中，参数死区宽度DEADB_W的设置相当于死区设定值B的设置。带死区的PID控制器如图5.3 所示：
图5.3 带死区PID控制实现PID功能的FB41模块可以在程序编辑器左边的指令树中的“\Library\Standard Library\PID Control Blocks”(
标准库)文件夹中找到，模块如图5.4所示：
图5.4 FB41模块
西安科技大学硕士学位论文此PID模块是通过控制螺旋给料机频率来调节水泥量的，模块中的大部分参数不需要填，默认就行，主要常用参数有[41]：①MAN_ON：用一个bool量，如m0.0，为true则手动，为false则自动；②cycle：采样时间，允许范围大于等于1ms，默认为T#100MS，这个值与ob35默 认的100ms一致；③SP_INT：被控对象的设定值，0－100.0的范围，real型；④PV_IN：被控对象的实际测量值，比如水泥流量，需通过FC105量程转换模块将PIW512 转换为0－100.0的量程；⑤MAN：为手动状态下的阀门输出，real型，0－100.0的范围；⑥GAIN：PID控制中的比例增益Kp，系统默认是2，调试的时候根据实际情况做调整；TI：PID控制中的积分作用时间Ti，默认写T#30S，调试的时候根据实际情况做调整；TD：PID控制中的微分作用时间Td，调试的时候根据实际情况做调整；⑦DEADB_W：死区带宽，就是设定值和反馈值的偏差死区，0－100.0的范围，默认0，调试的时候再修正；⑧LMN：输出值0－100的范围，最终再用FC106量程转换模块转换为word型传送到PQW***；⑨LMN_PER：I/O格式输出值，可直接用于输出，如果PID运算结果不再有工艺条件等其它限制，即可用该管脚，就不用再通过FC106模块做量程转换了，即有：LMN_PER=LMN*27648100
（5.1）⑩LMN_HLM：输出值上限；LMN_LLM：输出值下限。（3）PLC中的FC105/FC106模块S7-300标准库中调用的 FC105 /FC106模块，如图5.5所示：
图5.5 FC105及FC106量程转换模块该模块是将整型值转换为以工程单位表示的介于上下限之间的实型值，结果写入OUT的量程转换模块。在西门子S7-300中，通过A/D转换将4~20mA或0~10V信号转为0~27648或-的数字量，为便于计算，需再用FC105 /FC106模块传为工365 算法的PLC实现和工业应用 程值，如下所示：?FLOAT(IN)?K1OUT=?*(HI_LIM?LO_LIMK2?K1?)??+?LO_LIM
（5.2）其中，当模块参数BIPOLAR为“1”时，K1=-27648，K2=27648；当BIPOLAR为“0”时，K1=0，K2=27648。5.2 PLC系统硬件组态及上下位通信5.2.1 充填系统的硬件组态在创建一个新的项目时，双击桌面上的STEP7图标，进入SIMATIC Manager（管理器）窗口，按照提示对项目做项目名及参数设置。在项目生成之后，可先组态硬件，然后生成软件程序。硬件组态是在PLC控制系统设计初期，根据系统的输入、输出信号的性质和点数，以及对控制系统的功能要求，确定系统的硬件配置，在STEP7中生成一个与实际硬件系统完全相同的系统，即生成网络、网络中的各个站的机架和模块，以及设置各硬件组成部分的参数，即给参数赋值[40]。所有模块的参数都是用编程软件来设置的，完全取消了过去用来设置参数的硬件DIP开关。硬件组态确定了PLC输入/输出变量的地址，为设计用户程序打下了基础。在矿山充填系统中，采用两个机架，在机架（0）中，1~10号槽中分别插入了电源模块、CPU模块、IM365接口模块（用来扩展