吴迪 闵忠鹏 杨桦 张无敌 杨宝贵 孟祥旭

收稿日期：2019-10-20; 修回日期：2020-01-08

基金项目：中国矿业大学（北京）大学生科技创新中心开放项目（C201911373）;中国矿业大学（北京）中央高校基本科研业务费项目（2014Q201）

作者简介：吴 迪（1985—），男，安徽宁国人，副教授，博士，从事充填采矿方面的教学与科研工作;北京市海淀区学院路111號，中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，100083;E-mail：tauo123@163.com

摘要：为实现矿山充填环管输送工艺的自动化运行，研制了一套自动化充填料浆环管试验系统。该系统主要由给配料系统、泵送系统、监测系统、管路系统和以PLC编程控制器为核心的自动控制系统等子系统组成，可完成充填料配比、料浆浓度、料浆流速、料浆流量、料浆温度等料浆流变参数及特性的测试工作，并自动绘制出各项测试参数之间的关联变化曲线。结果表明：该系统流速控制范围宽，管道布置方式多样，操作键盘化，集成度高，使用方便可靠，是进行矿业工程领域矿山充填研究与分析的重要基础设备，为科研与教学工作提供了自动化的试验与教学环境。

关键词：采矿工程;教学科研;矿山充填;环管试验;流变参数

中图分类号：TD853.34文献标志码：A

文章编号：1001-1277（2020）02-0032-06doi：10.11792/hj20200206

引 言

充填料浆环管试验是采用充填工艺（干式充填除外）的矿山设计前进行的一项必要工作，也是充填料浆配比设计和充填系统优化的重要依据。充填料浆环管试验主要以获得充填料浆的流变参数为目的，是研究充填流程中的料浆流速、料浆浓度等系列参数及料浆流动规律行之有效的主要研究方法之一[1-3]。

目前，针对充填料浆环管试验系统与其影响参数及特性的试验研究有很多。一般使用环管试验和仿真模拟的方法对磷石膏充填料浆的流动性能、管道内径和泵送压力等参数及性能进行研究[4-7]，对设计开发充填料浆环管试验系统相关参数的设定提供了技术支持，但未形成集成度较高的、完善的试验体系。在设计开发充填料浆环管试验系统方面，当前虽然对环管试验系统及检测技术的研究有一定的基础[8-9]，但仍缺乏一套自动化程度较高、适用于当前教学使用的充填料浆环管试验系统。因此，本文设计并开发了一套操作键盘化，集成度高，使用方便可靠的自动化充填料浆环管试验系统，为矿山充填研究提供了更完善与便捷的平台，为科研工作提供了软硬件兼具的教学实验环境，在教学中更易推广应用。

1 充填料浆环管试验系统总体方案

1.1 试验系统组成

充填料浆环管试验系统按照其属性分为硬件和软件两大部分（见图1）。其中，硬件部分包括机械设备、电器设备及配备试验设备等。硬件的机械设备主要由骨料称重及提升装备、配料仓、运输机、上料机、搅拌机、材料运输泵、环管、粉料仓、水箱、压差传感器等组成;电器设备由电器柜和控制柜组成;配备试验设备由恒温养护箱、静浆搅拌机、铸铁模块、电子称、塌落度仪、黏稠度仪等组成。

软件部分主要包括系统主界面、配料系统、参数设置、数据管理、试验记录、历史记录查询等。

1.2 工作流程

充填料浆环管试验系统在试验过程中可进行充填材料配比、料浆浓度、料浆温度等料浆流变参数及特性的测试工作，并绘制出各参数之间的关联曲线，该系统是进行矿业工程领域充填研究与分析的重要基础，其工作流程见图2。

2 试验系统硬件设计

2.1 执行模块流程

机械设备部分是试验系统的执行模块，主要完成试验运行和试验数据的生成。流程见图3，具体流程如下：

1）计量斗称重后的骨料随上料机提升到搅拌仓;粉料经螺旋输送机输送入搅拌仓，注入定量的水。

2）配料完毕后，开启搅拌机，将搅匀的料浆倒入输送泵料斗中，然后输送到环管系统管道。

3）通过安装在管路中的温度计、压差计、流量计测量相应的试验数据，计算机将实时测量数据处理并存储，采用分析软件进行数据分析。

4）环管试验结束后，将材料输送至充填倍线料仓中进行自流试验，管道中的压差传感器测量自流状态下的压力差，最后将部分材料输送至铸铁模块内，对试块进行试验分析。

2.2 管路及动力管控

2.2.1 管路系统

输送泵出口管路为ND150 mm，设计时直径ND150 mm为主管路，ND100 mm为更换管路;2种管路末端设置及功能如下：

1）ND150 mm管路末端有三通装置，可直接将管路中的料浆输送入废料池，或关闭出口阀门，接通输送泵料仓进行管路循环，或将管路接入至ND100 mm管路进行试验。

2）ND100 mm管路末端可直接进入废料池，将末端阀门关闭就可以把料浆直接送入输送泵料仓，进入下一个循环或进行充填倍线料仓自流试验。

2.2.2 动力管控系统

动力管控系统按照功能分为3个模块：动力输入、中间控制和执行。整个线路以控制继电器、断路器为主要设备。其中，控制继电器以高速簧式继电器为核心，与之相连接并分柜安设另外2个模块：进电控制和输出端子。

动力管控系统的操作次序如下：

1）依次关闭动力配电柜和各单机设备的电源开关。

2）启动动力配电柜上的电源开关。

3）旋转急停按钮后，注意观察电源指示灯是否处于发亮状态，发亮即为正常。

4）最后，找到UPS电源，按下“ON”键，计算机正常开机并进入Windows环境;点亮开关指示灯后，数字显示器保持常亮。

3 控制系统软件设计

3.1 系统软件组成

由编程控制器（PLC）[10-11] 与上位控制计算机及信号转换接口构成该充填料浆环管试验系统的自动控制系统。通讯口采用标准RS232串行的方式完成各单元之间的通讯[12]，使之成为一套完整的系统。控制系统以PLC与上位控制计算机单元为介质，使开关量信号和控制输出信号得以相互联结。系统组成見图4。

3.2 操作流程

1）开机顺序：空压机，搅拌机。料斗要调至下限，卸料仓门幅度要适当。

2）登录方式：开启Windows，双击“运行系统”按钮（见图5），点击后出现登录界面（见图6）;键入 “0”后，点击“确定”按钮进入配料界面。

3）画面切换：按所需配料，勾选所需配方，键下页面下方画表切换按钮，调出对应试验界面（见图7）。

3.3 参数设置

3.3.1 配料界面

“配料”界面可从主菜单切入，单击主菜单标识后打开“配方管理”界面（见图8）。单击选择配方，将其勾选、录入。界面的设定值处可完善配料的值与种类，完成后点击“储存配方”即可;如需清除配料，点击“删除配方”。

3.3.2 主画面

为了显示画面开发系统中建立的画面和动画图形，主画面采用“组态王”软件[13]的实时运行环境，以实现I/O服务程序与数据库的数据进行交换。

打开界面上“配料”窗口，出现“主画面”，见图9。界面按钮设置如下：

1）根据每次搅拌物料的质量设定搅拌时间;设定盘数，根据实际情况设定;根据搅拌机自身的容量设定换算系数;复位即是清零。

2）运行状态。“手动/自动”旋钮在操作台和控制页面上均有，操控操作台也可控制页面上相同按钮功能的变化。

3）卸料状态。“允许/等待”2种可切换状态。按下“等待”，即停止卸料，出现闪烁绿色按钮，点击后可卸料。

4）冲量状态。“调整/定值”2种，类似于卸料的操作，反复点击按钮以实现功能切换。

3.3.3 计量装置标定

PT650D[14]为充填料的计量装置，包括骨料秤、水泥秤、水秤及附加剂秤，实物及界面见图10和图11。 操作顺序为：

1）设备调校前，先找到“MODE”和“TARE”按钮，同时按下后，若屏幕出现“CAL 1”方可进行下一步操作。

2）零位调校。按次序按下“ZERO”按钮、“MODE”按钮。

3）称量间距调校。无误时，显示器出现“00000.0”，点击“MODE”按钮可保持至原始称量间距，以同样形式进行称重。

4）在PT650D上放置与该设备最大值一致的砝码，操作“ZERO”按钮和TARE按钮，读数稳定后，设置显示器以砝码重为标准值，最后，点击“MODE”按钮，设置完毕。

4 应用实例

以充填料浆环管试验系统中相同灰砂比、不同料浆浓度充填料浆的管道输送为应用实例。

4.1 基本要求

管道长度为42 m，内径为80 mm，在料浆槽中装有1个混合器，使全尾砂膏体充填料浆保持均匀状态。料浆管道配置2个压差传感器，间距10 m。充填料浆环管试验系统见图12。

4.2 参数设置

试验料浆的具体参数设置见表1。

4.3 系统调试及试验结果

1）将“手动/自动”旋钮设置为手动状态。接通整个系统的电源，进行各个设备的开启关闭测试，确保每个机械设备都正常运转。

2）妥善安装并检查各称重传感器和PLC，在PLC-CPU模式的开关设置成“RUN”级之前，要保证“STOP”（黄色）亮起;当“RUN”（绿色）与“STOP”（黄色）均不亮时，应及时检查PLC的供电线路，如检查UPS电源开关的开启状态。

3）计算机启动后，双击屏幕上的“混凝土拌和站运行系统”图标，进入本计算机控制系统。输入登录指令进入操作界面，对比PT650D上面的各量值与称重显示区计量秤的质量值是否一致。若不一致，则表示通讯连接失败，观察通讯电缆PC/PPI的DIP开关是否调至“010000”，即是否正确调成9.6 kbit。确保无误后，方能手动入料测试设备。

4）调试机器为定值状态后，勾选并设定配方参数、相应的换算系数及冲量值，为使各工序正常运行，可考虑适当延长料斗的下降时间，缩短提料时间。在计算机控制面板上找到“32 bit ODBC”，添加（ADD）“SQL数据库”的Microsoft Access Driver数据源。所指向（select）数据库的路径为C：＼hzS###＼SQL数据.mdb。

5）启动空压机和搅拌机，空压机的气压上升至预定值后停止转动，此时旋转操作台上的旋钮，设置为自动。

6）确保“手动”情况下机器正常运转后，重复上一流程，重新调为自动调校的状态，待各参数能保证系统正常运行后，即表示调试工作完成。系统运行后，计算机将实时测量数据处理并存储，经Origin软件对结果进行分析，以不同料浆浓度条件下阻力损失结果为例，结果见图13。

图13 不同料浆浓度条件下阻力损失

5 结 语

为实现矿山充填料浆环管输送工艺的自动化运行，研制了一套自动化充填料浆环管试验系统。该系统主要由给配料系统、泵送系统、监测系统、管路系统和以 PLC为核心的自动控制系统等子系统组成，可测试不同配比、不同流量、不同管径（模拟）、不同管道布置方式、不同停泵时间下的直管、弯管压力损失。试验过程中，验证了该自动化充填料浆环管试验系统能够可视化监测输送过程中固废充填材料在管道内流动状态，监测管壁压力和电阻率等物理参数的变化，实时采集、存储、处理、显示试验数据，并绘制试验曲线，打印试验报告。

[参考文献]

[1]

杨志强，王永前，高谦，等.废石尾砂混合料浆管道輸送压力损失环管试验[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2017，40（8）：1 092-1 098.

[2] 李国政，于润沧.充填料浆环管试验计算机仿真应用的研究[J].黄金，2008，29（4）：21-24.

[3] 邵亚平，郭利杰，陈寅，等.基于环管试验确定粗骨料膏体充填料浆管道输送参数[J].有色金属（矿山部分），2018，70（4）：20-23.

[4] 郑伯坤，李向东，盛佳.基于环管试验的高浓度料浆输送性研究[J].矿业研究与开发，2012，32（6）：31-34.

[5] WU D，YANG B G，LIU Y C.Pressure drop in loop pipe flow of fresh cemented coal gangue-fly ash slurry：Experiment and simulation[J].Advanced Powder Technology，2015，26（3）：920-927.

[6] 刘冰，李夕兵.全磷废料高浓度充填两相流环管试验研究[J].黄金科学技术，2018，26（5）：615-621.

[7] 刘晓辉，王国立，赵占斌，等.结构流充填料浆环管试验及其阻力特性研究[J].中国钼业，2016，40（5）：20-23.

[8] 刘超.基于环管输送试验的全尾砂膏体充填料流变特性研究[D].衡阳：南华大学，2011.

[9] 杨志强，陈得信，高谦，等.金川矿山混合充填料浆环管试验系统与管输特性研究[J].有色金属工程，2017，7（1）：64-70.

[10] 严义.可编程控制器（PLC）新技术[J].自动化博览，2018（6）：28-29.

[11] 余剑，王刚，牛绿原，等.基于组态王的PLC电镀生产线仿真实训系统设计[J].实验室研究与探索，2017，36（4）：103-106.

[12] 杜海龙，王琦，李娟.基于C8051F单片机的综合实验平台设计[J].实验技术与管理，2018，35（6）：56-59.

[13] 许雯娜，王春，唐龙，等.全虚拟PLC实验教学系统开发[J].实验室研究与探索，2016，35（3）：92-95.

[14] GONG J.Application of the PT650D weighing displayer in batching scale[J].Weighing Instrument，2007（1）：29-31.

Design and application of the automated backfill slurry

loop pipe test system for mining engineering education and research

Wu Di1，Min Zhongpeng2，Yang Hua3，Zhang Wudi1，Yang Baogui1，Meng Xiangxu4

（1.School of Energy and Mining Engineering，China University of Mining and Technology Beijing;

2.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.;

3.Tibet Huatailong Mining Development Co.，Ltd. ; 4.Qingdao Qiankunxing Intelligent Technology Co.，Ltd.）

Abstract：In order to realize the automated operation of the backfill loop pipe conveying process，an automated backfill slurry loop pipe test system is developed.The system is mainly composed by subsystems such as batching system，pumping system，monitoring system，pipeline system and automatic control system with PLC programming controller as the core.The test of the slurry rheological parameters and characteristics such as the  proportioning of the filling material，the slurry concentration，the slurry fow

rheological rate，the slurry flow rate，and the slurry temperature can be completed by the system，and the correlation curve between the parameters is automatically drawn based on the test data.The results show that with wide flow control range，various pipeline layouts，keyboard operation，high integration and convenient and reliable use，the system is important basic equipment for research and analysis in the field of mining engineering，which also provides an automated test and education environment for education and research.

Keywords：mining engineering;education and research;mine backfill;loop pipe test;rheological parameter