矿山充填的自动控制研究与应用

Instructor:Wang Zaiying
ABSTRACT
With 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 in this mixing system; 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 industrial field; 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.
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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]。
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
Subject
: Research and Application of Automatic Control in Mine Filling
Specialty : Detecting Technology and Automatic Equipment Name : Peng Qian (Signature) (Signature)
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
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。
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：彭
指导教师：王再英
摘 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。