高浓度超细尾砂充填料浆泵送智能调压控制系统

本发明涉及充填料浆控制，尤其涉及一种高浓度超细尾砂充填料浆泵送智能调压控制系统。

背景技术：

1、在金属矿的开采过程中，由于开采后的地下采空区容积十分高，极易引发冒顶、透水、坍塌、地表坍塌，井下巷道崩塌等安全问题。为了能够最大限度地回收矿产资源，保护地下、地表环境，从根本上解决矿下生产作业安全问题，特别是近些年来，而随着充填材料、充填工艺、管道输送装备和技术的不断进步，充填采矿法在有色金属矿山和贵重金属矿山得到了广泛应用。而充填法因其无可替代的优势，在煤矿、铁矿等传统上不宜采用充填法的矿山，应用比重也越来越大。

2、随着材料科学的发展，由于胶结类型、品种多样，加上掺合料的多样化，使胶体、浆体或膏体的成分愈加复杂和多样，再加上浆体泵送工艺的发展，使胶结充填目前矿场主流的充填技术。膏体充填技术将全尾砂料浆进行深度浓密制备成不分层、不离析、不脱水的膏体，并充填至井下采空区，减少了充填灰砂比，同时降低了材料消耗，能最大限度地利用尾矿资源，实现“一废治两害”，以减少对环境的污染，具有安全、环保、经济、高效的显著优势。虽然胶结充填在材料方面有巨大的优势，但在料浆输送过程中却依然存在一些问题。在充填采矿过程中，由于充填料浆进入下向泵送段将产生负压，负压造成料浆加速离析，在底部沉积堵塞管道。充填料浆输送过程中在加速度过大，浓度流量较高的情况下也容易导致在管道内尤其是管道拐点处发生堵塞。甚至在管道堵塞严重、压力过大的位置会发生爆管现象，造成整个充填系统的损坏，给矿山生产作业带来不安全因素和经济损失。

3、矿山充填工艺绝大部分充填控制系统都是通过对其料浆的材料配比和材料浓度等进行控制从而对充填体强度、充填材料流动性等进行控制，进而实现对整个充填系统的控制，但通过控制料浆来控制系统的方法需要大量额外的设备，如深锥浓密机、絮凝剂添加控制装置等，且对充填管道运输过程的管道压力控制不足，而导致充填管道过程中管道的损坏的消耗，甚至造成管道爆破。目前，市面上的充填主要有重力充填、水力充填、泵送充填、由于充填管道较长，充填倍线大，据大部分矿场采用泵送的方式进行充填。而采用高浓度超细尾砂充填料浆在长距离的输送中，如果不对管道实时监测，实时调节泵压，极有可能出现堵管，爆管的现象。泵压输送难度大，下向泵送一直是充填料浆输送的技术难题，少有学者研究相关内容。急需研究与开发一套自动控制系统来控制管道内部压力并进行监测以防止发生爆管现象，实现安全高效充填。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种高浓度超细尾砂充填料浆泵送智能调压控制系统，实现高浓度超细尾砂充填料浆泵送的智能调压控制。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：高浓度超细尾砂充填料浆泵送智能调压控制系统，包括传感器模块、数据采集控制台、工控机和数模转换器；所述数据采集控制台控制接收传感器模块采集充填管道中的压力、温度、流量以及管道拐点处和管道中段的压差；数据采集控制台再将传感器模块采集的数据收集到工控机内；所述工控机利用深度学习算法对管道内部压力、温度、流量和充填泵转速关系进行学习并自动选择合适的充填泵输出功率，进而确定控制信号，并将控制信号发送至数模转换器，由数模转换器控制充填泵。优选地，所述传感器模块包括充填管道口设置的压力传感器、温度传感器和流量传感器以及分别设置在充填管道各拐点处和管道中段的压差传感器。

3、优选地，所述工控机内置软件程序用于实现控制信号的确定以及压力、流量实时显示、曲线图绘制、充填流程动画、充填管道堵塞预报警、充填泵功率控制以及充填泵一键启动。

4、优选地，所述工控机内置软件程序使用python标准图形用户界面库搭建。

5、优选地，所述工控机内置软件程序的主界面包括logo展示区域，充填流程动画展示区域，实时文字，功能按钮栏以及量表控件；所述工控机通过建模软件cinema 4d对充填系统进行建模，之后通过关键帧以及克隆的方法实现搅拌桶与管道箭头运行动画，调整光照与渲染材质，得到指定格式的充填流程动画；并将动画转换成gif格式图片后使用tkinter进行循环播放。

6、优选地，所述工控机将gif图片分解，遍历图片的每一帧并输出在画布上，通过update方法更新；同时将gif图片进行分割，使得文字能够正常显示；

7、为了使gif能够循环播放，通过向线程池提交gif播放任务，任务内使用after方法调用自身实现循环播放。

8、优选地，所述工控机利用深度学习算法对管道内部压力、温度、流量和充填泵转速关系进行学习并自动选择合适的充填泵输出功率的具体方法为：

9、(1)通过传感器模块实时获取充填管道内的压力、温度和流量信号，这些信号一定程度上代表着管道内的状态(阻塞程度)；

10、(2)定义阻塞程度，建立泵速-阻塞程度的映射函数；

11、定义阻塞程度为：以t步时间内的压力、温度以及流量信号的熵值以及该时间段内的总流量作为阻塞程度的度量，即s(压力,温度,流量)＝(alpha*h(压力)+beta*h(温度)+gamma*h(流量))/sum(流量)＝阻塞程度，h为信息熵，总流量越大，阻塞程度越低，alpha,beat,gamma为各项损失的权重；

12、建立泵速-阻塞程度的映射函数为：v(泵速)＝[压力,温度,流量]，s(压力,温度,流量)＝阻塞程度，即：s(v(泵速))＝阻塞程度；

13、(3)设计一个由泵速到管道内压力的转换系统，该系统的输入为压力，输出则是泵速；该系统输入状态是随时间变化的，是关于时间的函数，故该系统为动态系统；该动态系统当前的输出不仅取决于当前的输入，还与系统过去时刻的输入和输出有关；

14、(4)基于动态神经网络narx模型来拟合泵速-阻塞程度映射函数，得到泵速-阻塞程度映射模型；narx神经网络结构包含输入层、隐含层和输出层；输入层节点数根据输入值个数设定，输出层节点数根据预测值个数设定；

15、(5)构建一个泵送仿真系统并收集泵速仿真数据进行神经网络的训练实验，以验证该方法的可行性；泵速仿真数据为单输入多输出的数据对，包括泵速、压力,温度和流量，其中，泵速为自变量，压力,温度,流量三者为因变量；

16、(6)训练神经网络以实现从泵速到阻塞程度的映射；

17、(7)对于训练得到的泵速-阻塞程度映射模型，使用遗传算法搜索出某个泵速范围内使管道阻塞程度达到更低的泵速。

18、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的高浓度超细尾砂充填料浆泵送智能调压控制系统，通过对充填泵的控制来实现对整个管道的压力调节，大大减少充填成本，减少充填过程中管道压力监测和调节的人工成本，减少充填管道出现问题的概率，提前控制充填管道运输过程中可能发生的爆管堵塞等现象，进行报警和调控，降低系统本身的故障率。

技术特征：

1.一种高浓度超细尾砂充填料浆泵送智能调压控制系统，其特征在于：包括传感器模块、数据采集控制台、工控机和数模转换器；所述数据采集控制台控制接收传感器模块采集充填管道中的压力、温度、流量以及管道拐点处和管道中段的压差；数据采集控制台再将传感器模块采集的数据收集到工控机内；所述工控机利用深度学习算法对管道内部压力、温度、流量和充填泵转速关系进行学习并自动选择合适的充填泵输出功率，进而确定控制信号，并将控制信号发送至数模转换器，由数模转换器控制充填泵。

2.根据权利要求1所述的高浓度超细尾砂充填料浆泵送智能调压控制系统，其特征在于：所述传感器模块包括充填管道口设置的压力传感器、温度传感器和流量传感器以及分别设置在充填管道各拐点处和管道中段的压差传感器。

3.根据权利要求1所述的高浓度超细尾砂充填料浆泵送智能调压控制系统，其特征在于：所述工控机内置软件程序用于实现控制信号的确定以及压力、流量实时显示、曲线图绘制、充填流程动画、充填管道堵塞预报警、充填泵功率控制以及充填泵一键启动。

4.根据权利要求1所述的高浓度超细尾砂充填料浆泵送智能调压控制系统，其特征在于：所述工控机内置软件程序使用python标准图形用户界面库搭建。

5.根据权利要求1所述的高浓度超细尾砂充填料浆泵送智能调压控制系统，其特征在于：所述工控机内置软件程序的主界面包括logo展示区域，充填流程动画展示区域，实时文字，功能按钮栏以及量表控件。

6.根据权利要求1所述的高浓度超细尾砂充填料浆泵送智能调压控制系统，其特征在于：所述工控机通过建模软件cinema 4d对充填系统进行建模，之后通过关键帧以及克隆的方法实现搅拌桶与管道箭头运行动画，调整光照与渲染材质，得到指定格式的充填流程动画；并将动画转换成gif格式图片后使用tkinter进行循环播放。

7.根据权利要求6所述的高浓度超细尾砂充填料浆泵送智能调压控制系统，其特征在于：所述工控机将gif图片分解，遍历图片的每一帧并输出在画布上，通过update方法更新；同时将gif图片进行分割，使得文字能够正常显示；

8.根据权利要求3-7任一项权利要求所述的高浓度超细尾砂充填料浆泵送智能调压控制系统，其特征在于：所述工控机利用深度学习算法对管道内部压力、温度、流量和充填泵转速关系进行学习并自动选择合适的充填泵输出功率的具体方法为：

技术总结
本发明提供一种高浓度超细尾砂充填料浆泵送智能调压控制系统，涉及填料浆控制技术领域。该系统包括传感器模块、数据采集控制台、工控机和数模转换器；数据采集控制台控制接收传感器模块采集充填管道中的压力、温度、流量以及管道拐点处和管道中段的压差；数据采集控制台再将传感器模块采集的数据收集到工控机内；工控机利用深度学习算法对管道内部压力、温度、流量和充填泵转速关系进行学习并自动选择合适的充填泵输出功率，进而确定控制信号，并将控制信号发送至数模转换器，由数模转换器控制充填泵。该系统通过对充填泵的控制来实现对整个管道的压力调节，大大减少充填成本，并能提前控制充填管道运输过程中可能发生的爆管堵塞等现象。

技术研发人员：邱景平,王运森,孔翔生,莫裕哲,李嘉森,龙世武
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15