李渭軍，烏紅緒，李衛(wèi)昌

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西 華縣 714101)

具有PLC控制的失重秤在多膛爐加料系統(tǒng)的應(yīng)用研究

李渭軍，烏紅緒，李衛(wèi)昌

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西 華縣 714101)

多膛爐焙燒鉬精礦生產(chǎn)需要有一個(gè)穩(wěn)定、準(zhǔn)確的鉬精礦原料加料系統(tǒng)，其目的是確保爐內(nèi)焙燒反應(yīng)氣氛穩(wěn)定。本文通過(guò)對(duì)多膛爐加料系統(tǒng)設(shè)備及其控制分析，設(shè)計(jì)并確定在多膛爐加料系統(tǒng)使用具有PLC控制功能的失重稱，采用PID控制算法，進(jìn)而使失重秤系統(tǒng)與多膛爐上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊和給料系統(tǒng)的自動(dòng)控制，從而確保多膛爐焙燒生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良。

多膛爐加料；失重稱；PID控制；PLC控制

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年金堆城鉬業(yè)股份有限公司引進(jìn)2臺(tái)12層多膛爐用于焙燒鉬精礦，多年來(lái)通過(guò)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(wú)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(wèn)題的提出

80年代末國(guó)內(nèi)鉬業(yè)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(guò)料罐依靠打開(kāi)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(wèn)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(guò)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(wú)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?tīng)t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(guò)程從機(jī)理上來(lái)說(shuō)是一個(gè)氧化反應(yīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(wèn)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]物料屬性見(jiàn)表1。

2.3 物料屬性

表1 物料屬性表

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(wú)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(見(jiàn)圖1)[4]。

圖1 失重秤整體布置示意圖

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(kāi)始。原料經(jīng)過(guò)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(guò)程物料容易搭橋，物料將存在下料困難。故料倉(cāng)在制作過(guò)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(guò)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(guò)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9 000 kg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(shū)；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(lái)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(kāi)發(fā)的高效流量控制專用儀表。其特點(diǎn)如下：樹(shù)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(kāi)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(guò)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(mén)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(guò)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。

控制模塊實(shí)現(xiàn)給料過(guò)程的PID控制，通過(guò)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：?jiǎn)?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：?jiǎn)?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(lái)確定。失重秤在給料過(guò)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(guò)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(méi)有過(guò)程滯后的情況下保持精確的給料量(見(jiàn)圖2)。

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。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)控制圖

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(kāi)啟失重秤上游補(bǔ)料設(shè)備，給失重秤補(bǔ)料至高料位(見(jiàn)圖3)；(3)啟動(dòng)失重秤，失重秤開(kāi)始給料，通過(guò)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(kāi)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(guò)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

多膛爐4臺(tái)失重秤應(yīng)用過(guò)程數(shù)據(jù)采集表見(jiàn)表2。

圖3 典型失重秤工作流程示意圖

設(shè)備編號(hào)設(shè)定流量/(kg·h-1)實(shí)際流量/(kg·h-1)運(yùn)行時(shí)間/min計(jì)算下料量/kg實(shí)際下料量/kg運(yùn)行頻率/Hz偏差/%(實(shí)際/設(shè)定-1)11800178512036003570292-0832215021641204300432536106932200218512044004370364-068425002522120500050455423091

經(jīng)過(guò)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(guò)金鉬股份2臺(tái)多膛爐的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)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(wèn)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(kāi)

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(guò)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。

[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(shù)研究[J].中國(guó)鉬業(yè),2013，37(5)：33-34.

[2] 向鐵根.鉬冶金[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2009：43-44.

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

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

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

APPLICATIONOFLOSS-IN-WEIGHTBALANCEWITHPLCCONTROLINFEEDINGSYSTEMOFMULTI-HEARTHFURNACE

LI Wei-Jun，WU Hong-xu, LI Wei-Chang

(Jinduicheng Molybdenum Co，Ltd, Huaxian 714101，Shaanxi，China)

The process of roasting molybdenum concentrates with multi - hearth Furnace needs a stable and accurate feeding system to make sure a relatively stable atmosphere of roasting reaction in furnace.Through analyzing the feeding equipment and control methods, the loss-in-weight balance for feeding system with PLC control function was designed and determined by using PID control algorithm.Balance system and multi-hearth furnace have a real-time communication to achieve automatic control of feeding .It can ensure the stable operation of furnace and product quality.

multi-hearth furnace feeding； loss-in-weight balance； PID control； PLC control

TF841.2

A

1006-2602(2017)05-0036-04

2017-04-20；

2017-06-12

李渭軍(1979—)，男，工程師，主要從事電氣技術(shù)、鉬冶金技術(shù)管理。E-mail:sky63@163.com

10.13384/j.cnki.cmi.1006-2602.2017.05.008