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0 引 言

為適應(yīng)國(guó)內(nèi)外鉬行業(yè)的發(fā)展，提高工藝裝備水平，2010 年某公司引進(jìn) 2 臺(tái) 12層多膛爐用于焙燒鉬精礦，多年來通過工藝摸索和不斷改進(jìn)，產(chǎn)品各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，且經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良［1］。整個(gè)多膛爐焙燒生產(chǎn)線采用PLC 及 DCS 的系統(tǒng)控制方式，多膛爐系統(tǒng)無論從鉬精礦原料加入、焙燒工藝控制，還是產(chǎn)品冷卻、物料破碎篩分以及到產(chǎn)品包裝都實(shí)現(xiàn)了精確化、自動(dòng)化控制，生產(chǎn)線工藝裝備達(dá)到鉬行業(yè)領(lǐng)先水平。

1 問題的提出

80 年代末國(guó)內(nèi)某公司多膛爐的加料系統(tǒng)是在料倉(cāng)上放置有底座為鐘型的下料口料罐，鉬精礦通過料罐依靠打開鐘型底部料口使物料落入至與多膛爐第 1 層安裝的螺旋給料機(jī)內(nèi)，然后將物料輸送至爐膛，它存在以下問題: ( 1) 鉬精礦因水油成分含量較高而結(jié)塊使螺旋給料機(jī)堵塞空轉(zhuǎn)，爐內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)嗔犀F(xiàn)象，其結(jié)果影響爐內(nèi)氧化反應(yīng)過程; ( 2) 底部為鐘型的料罐存放鉬精礦雖則是按每袋投料設(shè)定，但料罐加料時(shí)常常殘存留的鉬精礦無準(zhǔn)確的計(jì)量稱量手段，造成加入爐內(nèi)的鉬精礦計(jì)量不能精確;( 3) 加料料倉(cāng)錐角小，易于使物料產(chǎn)生蓬料，出現(xiàn)加料極不均勻等不正常情況。由此使得多膛爐的加料不穩(wěn)定、不連續(xù)，導(dǎo)致爐況惡化，對(duì)焙燒鉬精礦生產(chǎn)操作造成了嚴(yán)重影響。為攻克這一技術(shù)難題，金鉬股份技術(shù)人員對(duì)引進(jìn)的 2 臺(tái) 12 層多膛爐的加料系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)密的技術(shù)論證，結(jié)合現(xiàn)代 PLC 及 DCS 的系統(tǒng)控制技術(shù)手段，為多膛爐配備適合鉬精礦特性的、自動(dòng)化程度高、計(jì)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠的原料供給失重秤系統(tǒng)裝備，極大地提高多膛爐的工藝控制水平，為確保爐況穩(wěn)定和提高了多膛爐一次出爐合格率指標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 制定方案

2. 1 系統(tǒng)工藝

焙燒鉬精礦的生產(chǎn)過程從機(jī)理上來說是一個(gè)氧化反應(yīng)過程，極其穩(wěn)定的反應(yīng)環(huán)境對(duì)工藝操作至關(guān)重要［2］。多膛爐的多層爐膛一方面為氧化鉬焙燒提供相對(duì)穩(wěn)定的焙燒環(huán)境，另一方面當(dāng)原料加入量，爐內(nèi)負(fù)壓、反應(yīng)溫度、空氣進(jìn)氣量等工藝參數(shù)保持相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，焙燒過程實(shí)現(xiàn)物料及熱量平衡即可保持相對(duì)平衡，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定可靠就得到相應(yīng)的保證。金鉬股份 2 臺(tái)多膛爐的原料供應(yīng)，主要原料除公司自產(chǎn)鉬精礦外，其中少部分為外購(gòu)鉬精礦，鉬精礦原料的品位、含雜成分一般較為穩(wěn)定，波動(dòng)較小。這時(shí) 2 臺(tái)多膛爐生產(chǎn)過程中原料加入量的準(zhǔn)確控制、穩(wěn)定加入顯得尤為重要。因此設(shè)計(jì)并選擇一套適合鉬精礦特性的、自動(dòng)化程度高、計(jì)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠的原料供給失重秤將成為多膛爐加料系統(tǒng)控制的一個(gè)重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

2. 2 基本介紹

失重秤是一種原料給定設(shè)施，運(yùn)用動(dòng)態(tài)控制技術(shù)，搭載動(dòng)態(tài)稱重控制器，通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)螺桿、振動(dòng)給料機(jī)、泵等各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度來控制給料流量，又稱為恒流量給料器，廣泛運(yùn)用于橡塑、環(huán)保、化工、食品、鋼鐵有色等行業(yè)的連續(xù)給料生產(chǎn)線上，失重秤給料系統(tǒng)的問世，不僅可以提高給料的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及可靠性，并且能夠大幅度提升工廠的運(yùn)營(yíng)效率，減輕操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，徹底顛覆了傳統(tǒng)的手工配料模式，在配料發(fā)展史上具有深遠(yuǎn)的里程碑意義［3］物料屬性。
2. 3 物料屬性

物料名稱 物料堆積比重/( g·cm － 3 ) 物料尺寸 物料特性 物料含水 給料能力范圍/( kg·h － 1 ) 控制精度鉬精礦 ≈1. 3 ≤200 目 顆粒狀，自由流動(dòng)性差。 ≤5% 1 500 ～ 2 700，正常 2 400 ≤1%

2. 4 工作環(huán)境

安裝位置: 室內(nèi); 溫度范圍: － 10 ～ 40 ℃ ; 相對(duì)濕度: ＜ 95% ( 無凝露) ; 電源: 三相 380 V( + 10% ～－ 15% ) 50 Hz

2. 5 失重秤組成、各部件簡(jiǎn)介

典型的失重秤系統(tǒng)主要由稱重料倉(cāng)、驅(qū)動(dòng)及給料裝置、稱重傳感器、補(bǔ)料閥、驅(qū)動(dòng)控制器、控制模塊、組態(tài)模塊( 選配) 和操作面板( 選配) 等組成 ［4］。

在本系統(tǒng)中，根據(jù)原料的特性及金鉬股份多膛爐的生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)際情況，系統(tǒng)不配備料倉(cāng)及補(bǔ)料閥，系統(tǒng)設(shè)計(jì)從稱重料倉(cāng)開始。原料經(jīng)過上游的鉬精礦預(yù)處理系統(tǒng)烘干處理，使得鉬精礦水分含量小于5% ，后經(jīng)刮板輸送機(jī)、斗式提升機(jī)等輸送設(shè)備輸送到失重秤系統(tǒng)。

3 設(shè)備選型及組成

3. 1 稱重料倉(cāng)

稱重料倉(cāng)的結(jié)構(gòu)、下料口的尺寸特別關(guān)鍵。稱重料倉(cāng)用于裝載鉬精礦，金鉬股份多膛爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)鉬精礦入爐水分含量為 5% 以下，鉬精礦自身的流動(dòng)性較差，容易粘結(jié)，如果料倉(cāng)在下料口尺寸和錐度較小，下料過程物料容易搭橋，物料將存在下料困難。故料倉(cāng)在制作過程中，下料口的尺寸要盡可能的大，鉬精礦就能依靠自身的重力自由下滑。本項(xiàng)目料倉(cāng)采用天圓地方的結(jié)構(gòu)形式，料倉(cāng)容積 15 m3，下料口為 600 ～ 700 × 1 500 ～ 1 600 mm 的大尺寸下料口，料倉(cāng)錐度為 65° ～ 75°。為防止銹蝕，倉(cāng)體選用 8 ～ 10 mm 厚的不銹鋼板焊接做成，內(nèi)表面鏡面拋光處理，上面用軟連接與上游補(bǔ)料設(shè)備的管道相接，下面連接出料裝置。

3. 2 驅(qū)動(dòng)及出料裝置

驅(qū)動(dòng)及出料裝置用于原料的準(zhǔn)確輸出、連接稱重料倉(cāng)及下游設(shè)備。由于要配套大尺寸下料口，故本項(xiàng)目采用大口徑雙螺桿螺旋輸送機(jī)，配套變頻電動(dòng)機(jī)及合適速比的減速機(jī)，雙螺旋的螺距、葉片直徑、螺旋軸直徑等參數(shù)等需經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算，確保螺旋輸送機(jī)最大輸送能力控制在( 2. 3 ～ 3 ± 0. 1) m3 /h。正確的輸送率范圍，一般實(shí)際工作范圍為額定輸送量的 60% ～ 75% 最佳。采用交流調(diào)速，對(duì)應(yīng)變頻率為 35 ～ 45 Hz 最佳。這樣才能保證調(diào)節(jié)范圍寬，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在輸送率過低時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。雙螺旋輸送機(jī)與下游設(shè)備的連接必須使用軟連接。

3. 3 稱重傳感器

稱重傳感器用于檢測(cè)料倉(cāng)內(nèi)物料的重量。本項(xiàng)目選用稱量精度為 500 g 及最大稱量范圍為 9 000kg 的 FW( C) 稱重模塊作為稱重傳感器，料倉(cāng)配置 3塊稱重傳感器。該種傳感器特點(diǎn)如下:FW( C) 系列稱重模塊: ①稱重傳感器獲得荷蘭頒發(fā)的 OIML Ｒ60 C3 證書; ②滿足 NTEP10000ⅢL要求; ③3 種頂板結(jié)構(gòu)( 固定式、半浮動(dòng)式、浮動(dòng)式) ，可以消除料斗因熱脹冷縮帶來的稱量誤差; 安裝、更換快速簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。

3. 4 驅(qū)動(dòng)控制器

驅(qū)動(dòng)控制器用于控制驅(qū)動(dòng)的給料速度，根據(jù)驅(qū)動(dòng)要求，選用 ABB 系列變頻器作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

3. 5 控制模塊

控制模塊用于控制失重秤的運(yùn)行，失重秤使用的控制模塊是一款由 Mettler － Toledo 研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的高效流量控制專用儀表。其特點(diǎn)如下: 樹狀菜單，操作簡(jiǎn)單; 高效的 PID 控制算法; 專用的 MELSI 稱重型號(hào)處理芯片; TraxDSPTM 專利動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波技術(shù); SmartControl 自學(xué)習(xí)功能，系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整技術(shù);VibraPＲO 防振動(dòng)濾波技術(shù); 高速 A/D 轉(zhuǎn)化率，366次/s; 豐富的輸入輸出及報(bào)警功能; 豐富的信息顯示: 當(dāng)前重量、流量、電機(jī)運(yùn)行頻率、累計(jì)量等; 多種通訊接口: 模擬量輸入輸出等。

4 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4. 1 PLC 原理分析

PLC 是以微處理技術(shù)為核心，綜合了自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)的一種新型工業(yè)控制裝置。具有可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)和使用方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域［5］。主控 PLC 主要由中央處理器、電源、存貯器、輸入/輸出接口電路、外接接口和 I/O 擴(kuò)展接口組成。其中，中央處理器( CPU) 是 PLC 工作的核心，存儲(chǔ)器主要用于存放用戶數(shù)據(jù)和工作數(shù)據(jù)，輸入/輸出接口電路是 PLC 與外圍設(shè)備相連接的部件，負(fù)責(zé)將輸入輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為 CPU 可處理的信號(hào)，擴(kuò)展接口用于擴(kuò)展模塊與基本單元相連。PLC 內(nèi)部以循環(huán)掃描的形式執(zhí)行內(nèi)部程序，當(dāng)PLC 開始工作時(shí)，CPU 按照存儲(chǔ)器內(nèi)部的用戶數(shù)據(jù)作周期性循環(huán)掃描工作。每次掃描過程中不僅要執(zhí)行用戶程序，按照程序要求做邏輯、算數(shù)運(yùn)算，而且還要完成對(duì)輸入信號(hào)的量化采樣和對(duì)輸出信號(hào)的刷新。每個(gè)掃描周期可分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新 3 個(gè)主要階段。

4. 2 主控 PLC 設(shè)計(jì)

根據(jù)失重秤控制系統(tǒng)的功能需求和選型原則，選用西門子系列的 PLC 模塊作為平臺(tái)的核心信息處理設(shè)備。經(jīng)過初步計(jì)算，PLC 需要數(shù)字量輸入通道 8 路，數(shù)字量輸出通道 7 路，模擬量輸入通道 3路，模擬量輸出通道 2 路。采用 CPU 為數(shù)字量 4 輸入/4 輸 出 模 塊，采用智能擴(kuò)展模塊 PLC 連 接 至PＲOFIBUS － DP 總線，實(shí)現(xiàn)與多膛爐 DCS 控制系統(tǒng)的通訊?？刂颇K實(shí)現(xiàn)給料過程的 PID 控制，通過端口與 PLC 之間進(jìn)行數(shù)字量和模擬量的輸入/輸 出通訊。系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)需實(shí)現(xiàn)的功能: 啟動(dòng)/停止、遠(yuǎn)程/就地切換、手動(dòng)清倉(cāng)、給料流量設(shè)定，高低料位報(bào)警、補(bǔ)料設(shè)備啟動(dòng)/停止、緊急停止等。遠(yuǎn)程( DCS) 實(shí)現(xiàn)需實(shí)現(xiàn)的功能: 啟動(dòng)/停止控制、遠(yuǎn)程給料流量設(shè)定、實(shí)時(shí)給料流量反饋、倉(cāng)內(nèi)物料重量顯示、故障報(bào)警等。以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)修改、數(shù)據(jù)監(jiān)控以及狀態(tài)監(jiān)控等。

4. 3 控制系統(tǒng)工作原理

原料供給多膛爐時(shí)的加料量的稱量主要依靠失重秤系統(tǒng)來確定。失重秤在給料過程中稱重傳感器對(duì)失重秤系統(tǒng)( 稱重料倉(cāng)、輸送機(jī)和散裝物料) 不間斷地進(jìn)行稱量，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞е爻涌刂苾x表，控制系統(tǒng)按每個(gè)單位時(shí)間( dG/dT) 測(cè)量的“失重”與所需給料量( 預(yù)設(shè)值) 進(jìn)行比較，計(jì)算出重量在單位時(shí)間的變化比率作為瞬時(shí)流量，得出可以作為控制對(duì)象的“實(shí)際流量”，實(shí)際( 測(cè)量) 的流量與設(shè)定的流量之間存在的差異，系統(tǒng)通過 PID 反饋算法，進(jìn)行逼近目標(biāo)流量的控制運(yùn)算，并輸出調(diào)節(jié)信號(hào)控制變頻器進(jìn)而控制螺旋的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)出料量的變化，儀表系統(tǒng)能夠不斷自動(dòng)調(diào)節(jié)給料速度，從而在沒有過程滯后的情況下保持精確的給料量 。當(dāng)測(cè)量的重量達(dá)到料倉(cāng)低料位時(shí)，控制器將給料系統(tǒng)按容積給料進(jìn)行控制，然后料倉(cāng)快速重新裝料，失重控制器加料期間采用容積計(jì)量法工作。

4. 4 典型失重秤工作流程

( 1) 檢查并確保生產(chǎn)線上所有設(shè)備可正常運(yùn)行，設(shè)置失重秤相關(guān)參數(shù); ( 2) 開啟失重秤上游補(bǔ)料設(shè)備，給失重秤補(bǔ)料至高料位 ; ( 3) 啟動(dòng)失重秤，失重秤開始給料，通過控制器內(nèi) PID 閉環(huán)算法，給料流量迅速達(dá)到設(shè)置的值并在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定;( 4) 失重秤料倉(cāng)內(nèi)物料至補(bǔ)料下限，控制器發(fā)送補(bǔ)料信號(hào)給補(bǔ)料閥，同時(shí)失重秤給料按照某一固定頻率給料( 補(bǔ)料模式可以設(shè)置) ; ( 5) 補(bǔ)料設(shè)備開啟，快速將失重秤料倉(cāng)補(bǔ)料至高料位，補(bǔ)料設(shè)備關(guān)閉; ( 6)失重秤恢復(fù) PID 閉環(huán)算法，按照設(shè)置的流量值給料;( 7) 重復(fù)第 5 步至第 7 步……在失重秤運(yùn)行過程中，可以改變給料流量值( 需保證在失重秤可以滿足的流量范圍內(nèi)) ，系統(tǒng)會(huì)快速跟隨至新的流量點(diǎn)并快速穩(wěn)定。

4. 5 應(yīng)用數(shù)據(jù)采集

經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，4 臺(tái)失重秤給料量控制精確，線性關(guān)系極其穩(wěn)定，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，功能齊全，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。目前 4 臺(tái)失重秤已經(jīng)運(yùn)行了 6 年，給料量控制準(zhǔn)確，系統(tǒng)控制靈活、穩(wěn)定、可靠，自動(dòng)化程度較高，確保了金鉬股份 2 臺(tái)多膛爐的平穩(wěn)運(yùn)行。

5 結(jié) 論

( 1) 經(jīng)過金鉬股份 2 臺(tái)多膛爐的實(shí)際運(yùn)行情況來看，基于 PLC 與 PID 控制的失重秤有效地解決了鉬精礦入爐量的精確、穩(wěn)定控制問題，確保了爐內(nèi)反應(yīng)氣氛的穩(wěn)定。( 2) 鑒于該形式失重秤的 PLC 控制系統(tǒng)使配料系統(tǒng)給料量控制準(zhǔn)確，系統(tǒng)控制靈活、穩(wěn)定、可靠，金鉬股份進(jìn)一步利用失重秤的精確控制原理，自主開發(fā)研制應(yīng)用于多膛爐預(yù)處理配料系統(tǒng)，確保了多種鉬精礦在配料過程中的準(zhǔn)確化、自動(dòng)化。同時(shí)，該種失重秤的原理在金鉬股份回轉(zhuǎn)窯加料系統(tǒng)也得以應(yīng)用，均取得了較好的運(yùn)行效果。

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