风积沙高水膨胀料浆制备控制系统的研制.pdf

国内图书分类号工巳2 Z 圣 国际图书分类号 硕士学位论文 风积沙高水膨胀料浆制备控制系统的研制 硕士研究生处变霆 导师姓名直基整云五 申请学位级别王堂亟 学科、专业控剑王猩 所在单位自动丝王猩堂随 答辩日期至Q 】圣生鱼旦 学位授予单位青岛理王太堂 C l a s s i f i e dI n d e x U ．D ．C T P 2 7 3 D i s s e r t a t i o nf o rt h eM a s t e rD e g r e ei nE n g i n e e r i n g D E V E L O P M E N TO FT H E P R E P A R A T I O NCO N T R O LS Y S T E MO F T H EA EO L I A NS A N DA N DH I G H W A T E RE X P A NS I O NS L U R R Y C a n d i d a t e S u p e r v i s o r S u nY i l i n L uY a n Z h a n g T i a n k a i A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r M a s t e ro fE n g i n e e r i n g S p e c i a l t y C o n t r o lE n g i n e e r i n g D a t eo fO r a lE x a m i n a t i o n J u n e 2 013 U n i v e r s i t y Q i n g d a oT e c h n o l o g i c a lU n i v e r s i t y 硕士学位论文 风积沙高水膨胀料浆制备控制系统的研制 答辩薹裟一广荔 答辩委员会成员签字 谚名戳们 ∥ ，乞沃 i 查堡查 青岛理工大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得青岛理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 青岛理工大学学位论文使用授权声明 青岛理工大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、C D M D 和D M D 有权 保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 包括刊登 论文的全部或部分 内容。论文的公布 包括刊登 授权青岛理工大学研究生处办理。 声多 研究生签名毛啦导师签名差纽日期迦 垄6 丑 箩日 青岛理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 本课题的研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．2 我国煤矿开采井下充填的现状分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 本课题研究的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 第二章料浆制备系统的总体研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．1 系统的整体构成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．1 ．1 料浆制备工艺系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．1 ．2 料浆输送工艺系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 ．3 自动控制系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．2 控制系统整体方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 第三章控制系统的硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 3 ．1 控制系统的硬件原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 3 ．1 ．1 控制系统的硬件组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 3 ．1 ．2 控制系统结构优点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 3 ．2P L C 的选型及I ／O 分配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 3 。2 。1 控制系统的P L C 选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 l 3 ．2 ．2 控制系统的通信模块选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 3 ．2 ．3 控制系统的模拟量通道计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 3 ．2 ．4 控制系统的数字量点数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 3 ．3 触摸屏的选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 ．4 液位和料位检测装置的选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．5 电动控制阀的选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 3 ．6 粘稠度检测传感器的选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 第四章控制系统软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 4 ．1P L C 的控制方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 4 ．2 触摸屏界面设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19 4 ．2 ．1 主界面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 4 ．2 ．2 校正参数说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 4 ．2 ．3 联动参数说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 4 ．2 ．4 工艺参数说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 4 ．2 ．5 变频器状态及参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 4 ．2 ．6 工艺参数参考值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 4 ．3P L C 与变频器组通信的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 4 ．3 ．1 通信协议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 4 ．3 ．2 通讯数据地址的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 4 ．3 ．3 命令码及通讯数据描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 4 ．4 上位机管理软件开发与设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 第五章粘稠度参数的检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 5 ．1 粘稠度的定义及检测意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 5 ．1 ．1 粘稠度的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 5 ．1 ．2 粘稠度的检测意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 5 ．2 粘稠度的检测方案及控制指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 5 ．2 ．1 粘稠度的检测方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31 5 ．2 ．2 粘稠度的控制指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 5 ．3 模糊控制算法设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 5 ．3 ．1 模糊控制基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 5 ．3 ．2 模糊控制算法设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 5 ．3 ．3 系统的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 I I 青岛理工大学工学硕士学位论文 第六章系统的现场安装与运行调试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 6 ．1 实验室控制柜组装与调试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 6 ．2 现场安装与调试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 6 ．3 现场安装调试问题和注意事项⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 6 ．3 ．1 调试问题及其解答⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 6 ．3 ．2 注意事项⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 8 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 附录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 附录一系统结构及电源设计图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 附录二I P L C 数字量输入／输出端口设计图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 附录三I P L C ．E 3 0 T - 1 数字量输入／输出端口设计图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 附录四I P L C ．E 3 0 T - 2 数字量输入／输出端口设计图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 附录五2 P L C 数字量输入／输出端口设计图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 附录六模拟量输入模块设计图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 附录七模拟量输入／输出模块设计及通信模块设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 附录八控制系统现场图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文和参加科研情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 I I I 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 风积沙高水膨胀料浆是将基料、辅料、水按照一定的配比混合后制成的。作 为煤矿开采企业一种新型的井下充填材料，可以有效地解决井下开采煤层后的所 带来的地表沉降引起的塌陷问题，符合可持续发展的理念。 本文主要介绍了料浆制备自动控制系统的实现，包括硬件组成和软件功能。 本文重点阐述了基于P L C 的料浆制备自动控制系统的硬件组成。自控系统 采用双P L C 结构，一个P L C 作为模拟量和数字量的输入和输出的主控单元，另 一个P L C 以通讯的方式用于实现和变频器的数据通信及状态传输。该控制系统 配备触摸屏为就地显示和输入单元，以上位工控机采用组态软件进行实时监控， 可以结合控制柜按键操作面板来进行人工控制。 本文详细介绍了料浆制各自动控制系统的软件功能，重点阐述了P L C 的控 制流程，以及集控模式控制、就地模式控制及检修模式运行等工作方式的选取。 实现了触摸屏人机界面的设计，以及上位工控机组态界面的设计。 在料浆制各过程中，成浆粘稠度的大小不仅关系到制备出的成浆是否符合工 艺标准，而且关系到整个系统能否正常运行。本文阐述了料浆制备过程中料浆粘 稠度的含义及检测方法，以模糊算法为控制器，实现了料浆制备工艺过程的自动 控制，提高了料浆制备质量。 关键词煤矿充填材料；P L C ；触摸屏；粘稠度；组态软件 A b s t r a c t T h ea e o l i a ns a n da n dh i g hw a t e re x p a n s i o ns l u r r yi sp r o d u c e db ym i x i n gt h eb a s e m a t e r i a l sa n da u x i l i a r ym a t e r i a l sw i t hw a t e r ．A san e wt y p eo fd o w n h o l ef i l l i n g m a t e r i a lf o rc o a lm i n i n ge n t e r p r i s e s ，谢mt h ec o n c e p to fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ， A e o l i a ns a n da n dh i 曲w a t e re x p a n s i o ns l u r r yc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e mo ft h e c o l l a p s eo ft h es u r f a c es u b s i d e n c ew h i c h i sc a u s e db ym i n i n gu n d e r g r o u n dc o a ls e a m ． T h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o no fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo f s l u r r yp r e p a r a t i o n ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ec o m p o s i t i o na n d s o f t w a r ef u n c t i o n s ． T h i sa r t i c l ee x p o u n d sh a r d w a r ec o m p o s i t i o no fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo f s l u r r yp r e p a r a t i o nb a s e do nP L C ．T h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mu s e st h es t r u c t u r eo f t w oP L C s ，o n eP L Ca st h em a s t e rc o n t r o lu n i to ft h ei n p u ta n do u t p u to fa n a l o g q u a n t i t ya n dd i g i t a lq u a n t i t y ，a n dt h eo t h e rP L C i su s e dt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o n o ff r e q u e n c yc o n v e r t e rw i t ht h ew a yo fc o m m u n i c a t i o n ．W i t ht o u c hs c r e e no ft h el o c a l d i s p l a ya n di n p u tu n i t ，t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e ma d o p t st h eu p p e rI n d u s t r i a lP C t h a tu s e sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et oi m p r o v et h er e a l - t i m em o n i t o r i n g ，a n di tC a nb e u s e dw i t hb u t t o n st h a ta r eo nt h eo p e r a t i o np a n e lo fc o n t r o lc a b i n e tf o rm a n u a l c o n t r 0 1 ． T h i sp a p e re x p l a i n st h es o f t w a r ef u n c t i o no ft h es l u r r yp r e p a r a t i o na u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e m ，i te x p o u n d st h ep r o g r a mf l o wo ft h eP L Ca n dt h es e l e c t i o no ft h e c o n t r o lm o d eb e t w e e nC e n t r a l i z e dc o n t r o l ，L o c a lc o n t r o la n dI n s p e c t i o nc o n t r 0 1 ．I t r e a l i z e st h ed e s i g no fm a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo ft h et o u c hs c r e e n ，a sw e l la st h ed e s i g n o fc o n f i g u r a t i o ni n t e r f a c eo ft h eu p p e rI n d u s t r i a lP C ． T h es i z eo ft h ev i s c o s i t yi sn o to n l yr e l a t e dt ot h ep r o c e s ss t a n d a r do ft h es l u r r y ， b u ta l s or e l a t e dt ot h ew h o l es y s t e mw h i c hC a nr u nn o r m a l l y ．T h i sp a p e rd e s c r i b e st h e m e a n i n go ft h es l u r r yv i s c o s i t ya n dd e t e c t i o nm e t h o d si ns l u r r yp r e p a r a t i o np r o c e s s ，i t u s e st h ef u z z ya l g o r i t h mf o rc o n t r o l l e r ，r e a l i z e st h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fs l u r r y p r e p a r a t i o np r o c e s sa n di m p r o v e st h eq u a l i t yo ft h es l u r r yp r e p a r a t i o n ． K e yw o r d s c o a lm i n ef i l l i n gm a t e r i a l ；P L C ；t o u c hs c r e e n ；v i s c o s i t y ；c o n f i g u r a t i o n s o t i y q c a r e I I 青岛理工大学工学硕士学位论文 第一章绪论 1 ．1 本课题的研究背景 随着我国经济的飞速发展，煤炭已经成为国民生活中不可或缺的重要物资， 其在工业生产中的地位举足轻重，在今后的一段时间内煤炭仍是我国的能源主 体。随着煤炭需求量的与日俱增和开采技术的不断发展，煤矿充填开采法开始在 各大煤矿得到运用。 煤矿开采容易引起地下岩层发生形体改变和位置移动，进而可能造成地下岩 层中地下水和瓦斯气体的流动，甚至引发煤矿瓦斯爆炸与井下进水事故。岩层移 动引起的地表塌陷会引发损坏农田和地面上的房屋高楼等建筑物的安全问题。煤 矿开采出来的矸石，大量堆放在地面，不仅会挤占地面空间，而且容易引发一定 的生态环境污染问题。如果不能及时有效的解决煤矿开采所带来的这些难题，作 为主要能源的煤炭资源，随着煤炭资源需求量的不断增加和产量的持续增长，煤 矿开采所引发的生产安全隐患问题和环境污染问题只会更加严重，严重威胁着人 类的生命安全、生存空间和社会环境的发展。 当前，我国煤炭资源很多是位于城市与村庄建筑物下、公路铁路下、河流湖 泊下，即存在“三下”压煤的问题，大量煤炭资源根本不敢开采，制约着我国煤 炭行业的进一步发展。然而，煤矿充填开采能够很好地应对“三下”压煤的难题， 该方法是用特殊的充填材料填充煤矿开采出之后所形成的采空区，通过填充的方 法，弥补可能出现的断层，起到稳固煤矿采空区周围岩层的作用，这种方法可以 有效防止煤矿开采之后所造成的采空区地面大面积沉降、地下岩层变形和位移等 问题，提高煤炭资源开采率，保护城市和村庄的建筑物、居住环境和水资源不受 损坏。 因此，煤矿充填开采方法是解决“三下“ 压煤问题行之有效的方法，是提高 煤炭资源采出率和实现矿井安全生产能力的可靠性措施。矸石、膏体、工业废弃 物、城市固体垃圾都可以作为充填材料，这样就为解决煤矿开采出的矸石所引发 的环境污染以及合理处置城市固体垃圾和工业废弃物等难题提供了思路和方法。 煤矿充填开采方法填充了煤矿开采后出现的采空区，稳固了地下岩层，有效减少 青岛理工大学工学硕士学位论文 了地下水和瓦斯气体的流动，既能够安全地开采出位于建筑物、公路铁路、河流 湖泊之下的煤炭，又降低了煤矿采空区瓦斯气体的浓度，避免由于瓦斯气体浓度 出现的瓦斯爆炸事故，与此同时也消除了大量的矸石、膏体、工业废弃物和城市 固体垃圾。因此，充填开采技术必将为煤炭企业带来巨大的利益，以膏体充填、 煤矿似膏体充填、高水充填材料充填技术为代表的充填技术在我国正在大面积推 广，技术逐步走向成熟[ 1 1 。 1 ．2 我国煤矿开采井下充填的现状分析 我国的煤矿充填主要包括传统煤矿充填工艺和现代煤矿充填工艺。 传统煤矿采空区充填工艺采用的充填材料主要是煤矸石和粉煤灰等固体原 料，充填工艺主要有矸石充填和风力充填等。矸石充填又包括矸石自溜充填法和 矸石带状充填法【2 J 。 1 矸石自溜充填法是以带斗货车、悬挂单轨吊车、机械传动齿轨车或绳牵 引卡轨车为主要的驱动型机车把矸石从开采地点运送并倾倒到煤矿开采后出现 的采空区。当开采煤层的斜度较大、倾角较大，时利用高度差所产生的重力势能 转换为动能，采用矸石自行溜动的方法对煤矿开采后留下的采空区进行填充。 2 矸石带状充填法是沿着煤矿开采工作面打切眼或者沿着煤矿开采方向， 每隔固定距离垒砌一个矸石带来支撑项板，保证矿道的项板不至于塌陷，以达到 减少地表下沉的目的。其缺点是煤炭资源采出率较低，开采效率低阻碍了这种方 法的大面积推广。 3 风力充填采煤工艺是利用压缩空气产生的风压作为动力源。首先依靠垂 直充填管道将煤矸石和粉煤灰等固体充填材料运送到井下的储料库，然后经过普 通运料机把充填材料运输至风力充填机，这时风力充填机可以凭借风压作为动 力，将充填材料经过充填管道鼓吹到采空区进行井下充填。 现代煤矿充填工艺主要分为膏体充填，似膏体充填和高水材料充填等。 1 膏体充填工艺是在煤层采出后，将劣质砂石、粉煤灰、矸石等固体废 弃物混合后制成流速缓慢的膏状浆体，依靠泵压或重力作用，经由充填管道运输 到煤矿开采工作面，仅填充煤层采空区的部分空间，通过构筑间隔相等的充填条 带，依靠充填条带强度支撑作用来稳定地下岩层。 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 似膏体充填材料是将胶结剂、骨料辅之以细沙混合后制成的外观近似膏 体的浆体，俗称似膏体。其中，胶结剂是选用工业废弃物 炉渣、矿渣等 与适 量的化学激发剂混合后，经过磨细、均化等方法制成的粉状物料；骨料主要是以 工业垃圾或河砂为原料。似膏体充填料浆进行充填时前期具有良好的流动性，可 以依靠重力作用通过运输管道流入煤层采空区，有效弥补煤层采空区的所有空 间，后期凝固之后有材料强度高、支撑力度大的优点，通过与地下岩层紧密的融 为一体，对煤层采空区附近的岩层有很好的稳固作用，有效的避免因岩层断裂引 起地表塌陷或下沉的后果。 3 高水膨胀材料充填工艺采用新型高水膨胀料浆作为井下充填用料。高 水膨胀料浆是利用尾矿、赤泥、粉煤灰、风积沙等基料，加上相关的辅料和一定 量的水混合后制成的一种浆体材料，决定这种料浆性能好快的关键是基料、辅料 和水要符合一定的混合比例。高水膨胀料浆的主要优点是具有优良的流动性， 具备“自流输送、主动接顶”的特性；在8 h 以后形成固体并可承受压力，1 2 h 后单向抗压强度大于0 ．5 M P a ，2 8 天单向抗压强度大于2 ．2 M P a ，2 个月单向抗压 强度大于1 5 ．6 8 M P a f 3 1 。比起膏体充填与似膏体充填方法，高水膨胀料浆膨胀后可 将任意形状的采空区充满填实，该充填方法控制地表沉降效果最为显著。 综上所述，通过对以上几种充填方法和充填材料的对比，可以看出高水膨胀 料浆具备其他充填材料所不具备的优良特性，具有良好的发展前景。 1 ．3 本课题研究的主要内容 本课题通过对煤矿开采井下充填现场工艺的分析与研究，基于风积沙高水膨 胀料浆特有的属性特点，研制了符合现场工况要求的风积沙高水膨胀料浆制备自 动控制系统。本课题需要研究的主要内容有 1 研发“自流输送、主动接项”的风积沙高水膨胀充填料浆。 2 实现自动控制系统的硬件选型与组成。 3 实现自动控制系统的软件功能与实现。 4 完成自动控制系统的现场安装与调试。 5 实现液位、料位、温度、流量等数据信息的采集和处理，实现生产过程的 自动化控制。 6 实现触摸人机界面和上位机组态界面的设计。 7 实现粘稠度参数的检测。 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 第二章料浆制备系统的总体研究 本章主要介绍料浆制备系统的三个子系统。鉴于料浆制备现场的工艺流程和 环境特点，分析自动控制系统的控制功能和控制要求，确定自动控制系统的整体 研究方法。 2 ．1 系统的整体构成 料浆制备系统由三个子系统构成料浆制备工艺系统、料浆输送工艺系统和 自动控制系统【4 】。 风积沙高水膨胀料将制备控制系统主要是通过对料浆制备工艺过程中初浆 罐、辅料罐和成浆罐的相关现场信息进行采集和实时数据进行处理，按照确定的 符合工艺要求的控制方法调节变频器的输出转速及调整每个电动阀的开关或开 度的大小，实现料浆制备的生产与控制。 2 ．1 ．1 料浆制备工艺系统 料浆制备工艺系统所需的现场设备主要是由四个制备初浆料浆的初浆罐、两 个储存相关辅料材料的辅料罐、一个制备成浆料浆的成浆罐和辅料送料子系统组 成。料浆制备工艺系统还包括安装在各个初浆罐、成浆罐以及辅料罐的搅拌、输 送等动力设备，这些设备主要是可变频的搅拌电机、送料机以及风积沙称量输送 系统。各个初浆罐及成浆罐均设有可调速的搅拌系统。 风积沙高水膨胀料浆材料来源主要包括基料、辅料和水。把它们按照一定的 比例混合后加工成固水质量比为一定值的充填料浆。基料主要有风积沙、粉煤灰、 尾矿、赤泥等硅质材料，辅料主要有水泥、石灰、石膏、膨胀剂和铝氧熟料等材 料。 系统『F 常运行时，1 ≠} 或者2 ≠≠初浆罐与1 ≠≠辅料罐配合进行成浆的制备与井下 充填，此时3 ≠} 或者4 ≠} 初浆罐进行初浆料浆制备的准备工作，2 撑辅料罐也进行辅 料材料的准备工作，两组之间可以进行工作状态的切换，以确保成浆制备的连续 性和成浆井下充填的可靠性。同时，控制系统根据初浆罐的液位高度，辅料罐的 料位高度来判断初浆的制备情况和辅料剩余的情况，在初浆和辅料剩余量不多的 情况下，及时采取相应的措施进行初浆的制备和辅料的补充。 2 ．1 ．2 料浆输送工艺系统 料浆输送工艺系统主要是由聚乙烯钢塑复合管道和调节流量大小的恒流盘 设备组成，完成将料浆制备工艺系统制备好的风积沙高水膨胀料浆运送到填充区 域的任务。为了防止成浆料浆因时间较长而凝固在成浆罐的内壁上，故在成浆罐 的出口管道处增添成浆紧急排放阀，可以将即将凝固的成浆及时排出成浆罐，保 证井下填充的可靠性与连续性。风积沙高水膨胀料浆制备及输送流程图如图2 ．1 所示。 水 2 ．1 ．3 自动控制系统 图2 ．1 料浆制备及输送流程图 自动控制系统是三个子系统中最为重要的子系统，主要完成系统过程信息的 采集和数据的处理及初浆、成浆的液位流量等检测与控制。自动控制系统以可编 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 程控制器P L C 和触摸屏为核心，实现对四个初浆罐的液位高度、初浆流量，两 个辅料罐的料位高度，一个成浆罐的液位高度、成浆流量等信息的检测。 控制系统的主要功能是 1 检测、调节、控制初浆料浆制备生产环节中基料和水的添加量。 2 检测、调节、控制辅料材料制备生产环节中辅料材料的添加量。 3 检测、调节、控制成浆料浆制备生产环节中初浆、辅料材料的使用量，将 初浆和辅料按一定的比例混合制备成符合要求的风积沙高水膨胀料浆。 4 实现系统检测单元的数据检测与处理，需要检测的数据有1 ≠≠．4 ≠} 初浆罐初 浆温度、液位高度、初浆流量，1 ≠≠．2 } ≠辅料罐的料位高度和成浆罐成浆温度、液 位高度、成浆流量、浮球高度等数据信息。 5 检测、调节、控制其它两个子系统料浆制备工艺系统、料浆输送工艺系 统在工作过程中的各种状态，并根据各个子系统的运行状态做出系统正常运行的 指示或者系统工作故障的报警。 2 ．2 控制系统整体方案设计 在该控制系统中，采用功能强、可靠性高的P L C 作为数据检测与采集，程 序编写与处理以及控制其他单元正常运行的核心控制器件，以上位工控机采用组 态软件进行实时监控，以触摸屏作为就地显示和输入单元，结合控制柜上的按键 操作面板来进行相应的人工控制，实现料浆制备过程的自动化生产与控制。 控制系统是通过检测初浆罐中初浆的液面高度与流量、辅料罐的料位高度和 成浆罐中成浆的液面高度与流量，按照确定的风积沙高水膨胀料浆制备工艺运行 方案调节相应变频器的输出转速，控制电动控制阀的工作状态，即通过控制电动 开关阀的开关改变初浆注水情况及调节电动调节阀开度大小来调整初浆流量和 成浆流量，完成J x L 积沙高水膨胀料浆制备过程的自动化生产与控制的任务。控制 系统的整体控制结构如图2 。2 所示。 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 ．2 控制系统整体控制结构幽 本控制系统需要实现的控制要求 1 系统完成四个初浆罐中初浆的液面高度、流量、温度，一个成浆罐中成 浆的液面高度、流量、温度、浮球高度和两个辅料罐中辅料的料位高度等数 据的检测。 2 系统依据检测成浆罐中成浆的液面高度和浮球高度数据值的大小，通过 调整电动调节阀阀门开度来调节初浆罐中初浆的流量大小，确保成浆的液位 高度始终保持在设定值附近。 3 系统根据检测初浆流量数值的大小，通过调节辅料罐每个变频器输出转 速，进而改变辅料材料的供给量，保证初浆和辅料能够按照一定的比例制定 好符合充填要求的成浆，即风积沙高水膨胀料浆。 4 系统实现P L C 与上位工控机和触摸屏之间数据传输的任务，上位工控机 提供实时监控组态界面，触摸屏提供就地显示人机界面。 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 ．3 本章小结 本章介绍了料浆制备系统的三个子系统，按照自动控制系统的控制要求及控 制功能设计了自动控制系统的整体方案。本文的下面的章节将主要介绍自动控制 系统的硬件组成和软件功能。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 第三章控制系统的硬件设计 在本章中，主要介绍系统整体硬件设计、P L C 的I ／O 分配及其选型，触摸屏 及电动控制阀的选型，并对系统硬件原理结构进行电气设计，绘制出电气原理图。 3 。1 控制系统的硬件原理 3 ．1 ．1 控制系统的硬件组成 搭建上位工控机，P L C ，触摸屏，变频器四位一体的控制系统，本系统的硬 件原理结构如图3 ．1 所示。 本系统采用双P L C 结构。I P L C 与上位工控机以4 8 5 通信相连接，上位工 控机可以实时读取1 P L C 内部的各项参数。2 P L C 与变频器组以4 8 5 通信相连 接。2 台P L C 之间通过触摸屏间接相连，通过触摸屏的转发功能，将2 P L C 读 取的变频器的参数上传到工控机。 模拟量通过A ／D 输入模块将数据传送至1 P L C ，A ／D 输入模块采用的是以 5 1 单片机为核心的电路板，将模拟量数据存至存储器中，通过4 8 5 通信将数据 送至I P L C 中【5 】。 图3 ．1 系统的硬件结构图 3 ．1 ．2 控制系统结构优点 1 2 P L C 与变频器的通信。通信方式以M o d b u s 协议来读取变频器内的 状态参数。P L C 与变频器以通信的方式比变频器作为P L C 的模拟量输出方式工 作的优点当变频器发生故障时，2 P L C 仅通过2 根通信电缆与变频器组进行通 信，通过对照故障信息代码表知道故障产生的原因。 2 2 台P L C 通过触摸屏可以实现数据的可靠传输。数据从I P L C 下传到 2 P L C 与从2 P L C 上传到I P L C 时不会发生数据的覆盖。I P L C 通过触摸屏向 2 P L C 下传数据信息时，需要下传的数据信息存储在I P L C 的存储区域A ，数 据信息从1 P L C 的存储区域A 存储到2 P L C 的存储区域B ，2 P L C 通过触摸屏 向I P L C 上传数据信息时，数据信息从2 P L C 的存储区域B 存储到1 P L C 的 另一个存储区域C ，其中I P L C 的存储区域A 和C 为不同的存储区域。同时设 置数据信息下传和上传的时间问隔不一样，这样实现了数据的可靠传输。 厂附一御L c 卜。] 存储区域A 存储区域C ．， 一⋯卜上传』 图3 ．2I P L C 、2 P L C 、触摸屏之间数据的传输 3 ．2P I ．C 的选型及I ／O 分配 3 ．2 ．1 控制系统的P L C 选型 根据系统的所需的I ／O 点数分析，1 P L C 选用F P X C 3 8 A T I ／O 为2 4 ／1 4 4 A D ／2 D A 可编程逻辑控制器【6 1 ，选用2 个数字量输入输出扩展模块A F P X E 3 0 T 青岛理工大学工学硕士学位论文 I ／O 为1 6 ／1 6 ，1 个适配器E F P 0 ，1 个D A 输出扩展模块F P 0 ．A 0 4 I 4 D A ，2 P L C 选用F P X ．C 3 0 T I ／O 为1 6 ／1 4 可编程逻辑控制器。 3 ．2 ．2 控制系统的通信模块选型 选用一个A F P X ．C O M 6 通信插件扩展模块提供2 路4 8 5 通道，其中一路 R S 4 8 5 通道作为I P L C 和上位工控机的通信端口，另一路R S 4 8 5 通道作为数据 检测的通信接口。