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0 引 言

為適應國內外鉬行業(yè)的發(fā)展，提高工藝裝備水平，2010 年某公司引進 2 臺 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，產品各項質量指標均達到標準要求，且經濟技術指標優(yōu)良［1］。整個多膛爐焙燒生產線采用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，還是產品冷卻、物料破碎篩分以及到產品包裝都實現(xiàn)了精確化、自動化控制，生產線工藝裝備達到鉬行業(yè)領先水平。

1 問題的提出

80 年代末國內某公司多膛爐的加料系統(tǒng)是在料倉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內，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塊使螺旋給料機堵塞空轉，爐內出現(xiàn)嚴重斷料現(xiàn)象，其結果影響爐內氧化反應過程; ( 2) 底部為鐘型的料罐存放鉬精礦雖則是按每袋投料設定，但料罐加料時常常殘存留的鉬精礦無準確的計量稱量手段，造成加入爐內的鉬精礦計量不能精確;( 3) 加料料倉錐角小，易于使物料產生蓬料，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)，導致爐況惡化，對焙燒鉬精礦生產操作造成了嚴重影響。為攻克這一技術難題，金鉬股份技術人員對引進的 2 臺 12 層多膛爐的加料系統(tǒng)進行嚴密的技術論證，結合現(xiàn)代 PLC 及 DCS 的系統(tǒng)控制技術手段，為多膛爐配備適合鉬精礦特性的、自動化程度高、計量準確、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奠定了堅實的基礎。

2 制定方案

2. 1 系統(tǒng)工藝

焙燒鉬精礦的生產過程從機理上來說是一個氧化反應過程，極其穩(wěn)定的反應環(huán)境對工藝操作至關重要［2］。多膛爐的多層爐膛一方面為氧化鉬焙燒提供相對穩(wěn)定的焙燒環(huán)境，另一方面當原料加入量，爐內負壓、反應溫度、空氣進氣量等工藝參數(shù)保持相對穩(wěn)定時，焙燒過程實現(xiàn)物料及熱量平衡即可保持相對平衡，產品質量的穩(wěn)定可靠就得到相應的保證。金鉬股份 2 臺多膛爐的原料供應，主要原料除公司自產鉬精礦外，其中少部分為外購鉬精礦，鉬精礦原料的品位、含雜成分一般較為穩(wěn)定，波動較小。這時 2 臺多膛爐生產過程中原料加入量的準確控制、穩(wěn)定加入顯得尤為重要。因此設計并選擇一套適合鉬精礦特性的、自動化程度高、計量準確、穩(wěn)定可靠的原料供給失重秤將成為多膛爐加料系統(tǒng)控制的一個重要生產環(huán)節(jié)。

2. 2 基本介紹

失重秤是一種原料給定設施，運用動態(tài)控制技術，搭載動態(tài)稱重控制器，通過實時調節(jié)螺桿、振動給料機、泵等各種執(zhí)行機構的運行速度來控制給料流量，又稱為恒流量給料器，廣泛運用于橡塑、環(huán)保、化工、食品、鋼鐵有色等行業(yè)的連續(xù)給料生產線上，失重秤給料系統(tǒng)的問世，不僅可以提高給料的準確性、穩(wěn)定性及可靠性，并且能夠大幅度提升工廠的運營效率，減輕操作工人的勞動強度，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經濟效益與社會效益，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; 溫度范圍: － 10 ～ 40 ℃ ; 相對濕度: ＜ 95% ( 無凝露) ; 電源: 三相 380 V( + 10% ～－ 15% ) 50 Hz

2. 5 失重秤組成、各部件簡介

典型的失重秤系統(tǒng)主要由稱重料倉、驅動及給料裝置、稱重傳感器、補料閥、驅動控制器、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系統(tǒng)實際情況，系統(tǒng)不配備料倉及補料閥，系統(tǒng)設計從稱重料倉開始。原料經過上游的鉬精礦預處理系統(tǒng)烘干處理，使得鉬精礦水分含量小于5% ，后經刮板輸送機、斗式提升機等輸送設備輸送到失重秤系統(tǒng)。

3 設備選型及組成

3. 1 稱重料倉

稱重料倉的結構、下料口的尺寸特別關鍵。稱重料倉用于裝載鉬精礦，金鉬股份多膛爐系統(tǒng)設計鉬精礦入爐水分含量為 5% 以下，鉬精礦自身的流動性較差，容易粘結，如果料倉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。本項目料倉采用天圓地方的結構形式，料倉容積 15 m3，下料口為 600 ～ 700 × 1 500 ～ 1 600 mm 的大尺寸下料口，料倉錐度為 65° ～ 75°。為防止銹蝕，倉體選用 8 ～ 10 mm 厚的不銹鋼板焊接做成，內表面鏡面拋光處理，上面用軟連接與上游補料設備的管道相接，下面連接出料裝置。

3. 2 驅動及出料裝置

驅動及出料裝置用于原料的準確輸出、連接稱重料倉及下游設備。由于要配套大尺寸下料口，故本項目采用大口徑雙螺桿螺旋輸送機，配套變頻電動機及合適速比的減速機，雙螺旋的螺距、葉片直徑、螺旋軸直徑等參數(shù)等需經過嚴格計算，確保螺旋輸送機最大輸送能力控制在( 2. 3 ～ 3 ± 0. 1) m3 /h。正確的輸送率范圍，一般實際工作范圍為額定輸送量的 60% ～ 75% 最佳。采用交流調速，對應變頻率為 35 ～ 45 Hz 最佳。這樣才能保證調節(jié)范圍寬，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在輸送率過低時，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。雙螺旋輸送機與下游設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料倉內物料的重量。本項目選用稱量精度為 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，料倉配置 3塊稱重傳感器。該種傳感器特點如下: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 種頂板結構( 固定式、半浮動式、浮動式) ，可以消除料斗因熱脹冷縮帶來的稱量誤差; 安裝、更換快速簡單，維護方便。

3. 4 驅動控制器

驅動控制器用于控制驅動的給料速度，根據(jù)驅動要求，選用 ABB 系列變頻器作為驅動設備。

3. 5 控制模塊

控制模塊用于控制失重秤的運行，失重秤使用的控制模塊是一款由 Mettler － Toledo 研發(fā)團隊開發(fā)的高效流量控制專用儀表。其特點如下: 樹狀菜單，操作簡單; 高效的 PID 控制算法; 專用的 MELSI 稱重型號處理芯片; TraxDSPTM 專利動態(tài)數(shù)字濾波技術; SmartControl 自學習功能，系統(tǒng)自適應調整技術;VibraPＲO 防振動濾波技術; 高速 A/D 轉化率，366次/s; 豐富的輸入輸出及報警功能; 豐富的信息顯示: 當前重量、流量、電機運行頻率、累計量等; 多種通訊接口: 模擬量輸入輸出等。

4 PLC 控制系統(tǒng)設計

4. 1 PLC 原理分析

PLC 是以微處理技術為核心，綜合了自動控制技術、計算機技術和通訊技術的一種新型工業(yè)控制裝置。具有可靠性強、抗干擾能力強和使用方便等特點，廣泛應用于工業(yè)領域［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 擴展接口組成。其中，中央處理器( CPU) 是 PLC 工作的核心，存儲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 與外圍設備相連接的部件，負責將輸入輸出信號轉換為 CPU 可處理的信號，擴展接口用于擴展模塊與基本單元相連。PLC 內部以循環(huán)掃描的形式執(zhí)行內部程序，當PLC 開始工作時，CPU 按照存儲器內部的用戶數(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)運算，而且還要完成對輸入信號的量化采樣和對輸出信號的刷新。每個掃描周期可分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新 3 個主要階段。

4. 2 主控 PLC 設計

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 模塊作為平臺的核心信息處理設備。經過初步計算，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，采用智能擴展模塊 PLC 連 接 至PＲOFIBUS － DP 總線，實現(xiàn)與多膛爐 DCS 控制系統(tǒng)的通訊?？刂颇K實現(xiàn)給料過程的 PID 控制，通過端口與 PLC 之間進行數(shù)字量和模擬量的輸入/輸 出通訊。系統(tǒng)在現(xiàn)場需實現(xiàn)的功能: 啟動/停止、遠程/就地切換、手動清倉、給料流量設定，高低料位報警、補料設備啟動/停止、緊急停止等。遠程( DCS) 實現(xiàn)需實現(xiàn)的功能: 啟動/停止控制、遠程給料流量設定、實時給料流量反饋、倉內物料重量顯示、故障報警等。以實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程控制、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失重秤系統(tǒng)( 稱重料倉、輸送機和散裝物料) 不間斷地進行稱量，并將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)绞е爻涌刂苾x表，控制系統(tǒng)按每個單位時間( dG/dT) 測量的“失重”與所需給料量( 預設值) 進行比較，計算出重量在單位時間的變化比率作為瞬時流量，得出可以作為控制對象的“實際流量”，實際( 測量) 的流量與設定的流量之間存在的差異，系統(tǒng)通過 PID 反饋算法，進行逼近目標流量的控制運算，并輸出調節(jié)信號控制變頻器進而控制螺旋的轉速，實現(xiàn)出料量的變化，儀表系統(tǒng)能夠不斷自動調節(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 。當測量的重量達到料倉低料位時，控制器將給料系統(tǒng)按容積給料進行控制，然后料倉快速重新裝料，失重控制器加料期間采用容積計量法工作。

4. 4 典型失重秤工作流程

( 1) 檢查并確保生產線上所有設備可正常運行，設置失重秤相關參數(shù); ( 2) 開啟失重秤上游補料設備，給失重秤補料至高料位 ; ( 3) 啟動失重秤，失重秤開始給料，通過控制器內 PID 閉環(huán)算法，給料流量迅速達到設置的值并在短時間內穩(wěn)定;( 4) 失重秤料倉內物料至補料下限，控制器發(fā)送補料信號給補料閥，同時失重秤給料按照某一固定頻率給料( 補料模式可以設置) ; ( 5) 補料設備開啟，快速將失重秤料倉補料至高料位，補料設備關閉; ( 6)失重秤恢復 PID 閉環(huán)算法，按照設置的流量值給料;( 7) 重復第 5 步至第 7 步……在失重秤運行過程中，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) ，系統(tǒng)會快速跟隨至新的流量點并快速穩(wěn)定。

4. 5 應用數(shù)據(jù)采集

經過實際測試，4 臺失重秤給料量控制精確，線性關系極其穩(wěn)定，設備運行平穩(wěn)，功能齊全，實現(xiàn)預期目標。目前 4 臺失重秤已經運行了 6 年，給料量控制準確，系統(tǒng)控制靈活、穩(wěn)定、可靠，自動化程度較高，確保了金鉬股份 2 臺多膛爐的平穩(wěn)運行。

5 結 論

( 1) 經過金鉬股份 2 臺多膛爐的實際運行情況來看，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，確保了爐內反應氣氛的穩(wěn)定。( 2) 鑒于該形式失重秤的 PLC 控制系統(tǒng)使配料系統(tǒng)給料量控制準確，系統(tǒng)控制靈活、穩(wěn)定、可靠，金鉬股份進一步利用失重秤的精確控制原理，自主開發(fā)研制應用于多膛爐預處理配料系統(tǒng)，確保了多種鉬精礦在配料過程中的準確化、自動化。同時，該種失重秤的原理在金鉬股份回轉窯加料系統(tǒng)也得以應用，均取得了較好的運行效果。

參考文獻

［1］ 康向文，尹孝剛，沈明科，等． 多膛爐低溫焙燒節(jié)能降耗技術研究［J］． 中國鉬業(yè)，2013，37( 5) : 33 － 34．

［2］ 向鐵根． 鉬冶金［M］． 長沙: 中南大學出版社，2009: 43－ 44．

［3］ 王永華． 現(xiàn)代電氣控制及 PLC 應用技術［M］． 北京: 北京航空航天大學出版社，2008．

［4］ 梁海軍． 失重秤在工業(yè)生產中的應用［J］． 科技傳播，2011( 上) : 166 － 167．

［5］ 廖常初． PLC 編程及應用( 第 4 版) ［M］． 北京: 機械工業(yè)出版社，北京: 2016

 

 

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