朱世薇

(謙比希銅冶煉有限公司 贊比亞卡魯魯西北京代表處，北京 100029)

0 概述

配料系統(tǒng)是整個(gè)ISA煉銅生產(chǎn)工藝流程的源頭，它擔(dān)負(fù)著ISA熔煉混合物料供應(yīng)任務(wù)，其主要生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 配料系統(tǒng)生產(chǎn)流程簡(jiǎn)圖

謙比希銅精礦和混合雜礦用10 t抓斗橋式起重機(jī)分別抓到兩個(gè)17 m3料倉(cāng)內(nèi)，其它各輔料也通過(guò)10 t抓斗橋式起重機(jī)分別抓到各自14 m3料倉(cāng)內(nèi)。銅精礦用可變轉(zhuǎn)速的圓盤式電子皮帶稱完成定量供料；各種熔劑和輔料用可調(diào)速直拖式電子皮帶稱進(jìn)行供料。根據(jù)ISA熔煉工藝配比的要求，將銅精礦、轉(zhuǎn)爐渣、石英石、石灰石、煤、返料等進(jìn)行配料，配好的物料經(jīng)1#、2#膠帶運(yùn)輸機(jī)送至緩沖料斗，然后經(jīng)由緩沖料斗下料至熔煉爐頂?shù)碾p層可調(diào)速電子皮帶稱上，雙層可調(diào)速電子皮帶稱按照設(shè)定的加料速率將混合料經(jīng)由爐頂加料小車加入Φ3.66×15.89 m熔煉爐的熔池中。

由以上配料系統(tǒng)的生產(chǎn)流程可以看到，在ISA生產(chǎn)工藝中，由于原料的種類多，配料成分變化大，各種物料的配料比例也會(huì)根據(jù)生產(chǎn)的要求隨時(shí)變化，為確保ISA熔煉爐生產(chǎn)流程的順暢，冰銅品位、渣含銅等生產(chǎn)指標(biāo)達(dá)到控制目標(biāo)，必須對(duì)各種物料進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量及精確控制各種物料的下料量。

1 電子皮帶稱的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 電子皮帶稱的組成結(jié)構(gòu)

電子皮帶秤的基本組成主要包括：皮帶輸送機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置、稱重傳感器、測(cè)速傳感器、稱重控制儀表等組成。

(1)皮帶輸送機(jī)主要用于輸送物料和作為稱重傳感器和速度傳感器的承載裝置。

(2)驅(qū)動(dòng)裝置主要為變頻電機(jī)及減速機(jī)，用于調(diào)整皮帶運(yùn)輸機(jī)輸運(yùn)物料的速度。

(3)稱重傳感器是將被稱物料的重力轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字電信號(hào)的元件。

(4)測(cè)速傳感器是將被測(cè)托輥的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)的元件。

(5)稱重控制器是用于接收稱重傳感器和測(cè)速傳感器輸出的電信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行處理，包括采樣、濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)算處理之后，以質(zhì)量流量單位給出計(jì)量結(jié)果，同時(shí)可以完成如PID動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、變頻器控制接口、瞬時(shí)流量顯示、累積流量計(jì)算及顯示、參數(shù)設(shè)定、校稱以及其它預(yù)定功能的電子裝置。

圖2 電子皮帶稱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 電子皮帶稱工作原理

(1)測(cè)速傳感器工作原理

測(cè)速傳感器由OMRON E6B2- CWZ6C增量式旋轉(zhuǎn)編碼器及配套聯(lián)軸部件組成。旋轉(zhuǎn)編碼器通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量，編碼器由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成，光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與被檢測(cè)設(shè)備同軸，被檢測(cè)設(shè)備旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與其同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)。其工作原理示意圖如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)編碼器工作原理簡(jiǎn)圖

增量式編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，其計(jì)數(shù)起點(diǎn)任意設(shè)定，可實(shí)現(xiàn)多圈無(wú)限累加和測(cè)量。編碼器軸轉(zhuǎn)一圈會(huì)輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定。通過(guò)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前被檢測(cè)設(shè)備的轉(zhuǎn)速。

(2)稱重傳感器工作原理

稱重傳感器，主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片、測(cè)量電路和傳輸電纜四部分組成。利用電阻應(yīng)變片變形時(shí)其電阻也隨之改變的原理工作。由稱重傳感器安裝結(jié)構(gòu)圖可以看到：

圖4 稱重傳感器安裝結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)載有物料的皮帶通過(guò)稱量段，物料的重量作用在托輥上，托輥通過(guò)計(jì)量杠桿將力傳遞給稱重傳感器，使稱重傳感器受到向下拉力，產(chǎn)生變形，其變形量與重力成正比。傳感器變形之后，使貼在它上下兩側(cè)表面上的四個(gè)相等阻值R的電阻應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的阻值變化：上表面受力壓縮，應(yīng)變片電阻值減少ΔR；下表面受力拉伸，阻值增大ΔR。測(cè)量電路采用如圖5惠斯登全橋式等臂電橋電路檢測(cè)出當(dāng)傳感器無(wú)受力時(shí)，橋路平衡，信號(hào)輸出為零；當(dāng)傳感器受力，應(yīng)變片發(fā)生形變，橋路阻值發(fā)生變化失去平衡，信號(hào)端便有毫伏信號(hào)輸出。

圖6 電子皮帶稱自動(dòng)控制原理圖

電橋輸出信號(hào)計(jì)算公式如式(1)所示：

ΔU=K×ΔR/R×E

(1)

式中 ΔU—電橋輸出信號(hào)；

K—比例系數(shù)；

ΔR—電阻應(yīng)變片受力變形后的阻值變化量；

R—電阻應(yīng)變片未受力時(shí)的電阻值；

E—橋路供電電壓。

由式(1)可知，電橋輸出信號(hào)ΔU不僅與電阻應(yīng)變片阻值變化量ΔR成正比，而且與橋路供電電壓E成正比。

(3)稱重控制器物料流量計(jì)量原理

皮帶輸送機(jī)所輸送物料的流量可通過(guò)測(cè)量某段皮帶長(zhǎng)度上物料的瞬時(shí)重量及同一時(shí)刻的皮帶速度計(jì)算得到。當(dāng)皮帶輸送機(jī)輸送物料時(shí)，連續(xù)測(cè)量稱重皮帶上物料的重量值，將其與同一時(shí)刻皮帶速度值相乘，所得的計(jì)算結(jié)果便為物料的瞬時(shí)流量。

Q(t)=q×v

(2)

式中Q(t)—物料的瞬時(shí)流量，kg/s；

q—單位皮帶長(zhǎng)度上的物料重量，kg/m；

v—皮帶運(yùn)行速度，m/s。

(4)電子皮帶稱的遠(yuǎn)程控制

電子皮帶稱可以根據(jù)生產(chǎn)需求實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停，并將電子稱的運(yùn)行狀態(tài)反饋給DCS。與此同時(shí)，電子皮帶稱還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定量輸送物料的功能。電子皮帶稱自動(dòng)控制原理如圖6所示。

電子皮帶稱的稱重控制器接收由DCS傳來(lái)的設(shè)定值以及根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)皮帶稱傳回的信號(hào)計(jì)算出實(shí)際下料量，下料量給定值與實(shí)際料量經(jīng)過(guò)稱重控制器的PID控制器運(yùn)算后，輸出4～20 mA信號(hào)傳至電子皮帶稱的驅(qū)動(dòng)裝置——變頻電機(jī)上，形成閉環(huán)控制。從而使下料量精確。

3 電子皮帶稱的校驗(yàn)

配料控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種物料測(cè)量料量與實(shí)際入爐物料流量存在偏差，造成冰銅品位和爐渣成分出現(xiàn)波動(dòng)，爐況變差，給生產(chǎn)操作帶來(lái)不利影響。這種測(cè)量偏差除了由于稱重傳感器、測(cè)速傳感器以及稱重控制器等電子器件自身的故障引起測(cè)量偏差之外，還與定量給料機(jī)輸運(yùn)部分有關(guān)，例如新定量給料機(jī)投用初期和使用一段時(shí)間之后皮帶張緊程序不同，稱體機(jī)械形變等，造成電子皮帶稱零點(diǎn)和滿度的漂移，可通過(guò)定期對(duì)電子皮帶稱進(jìn)行自動(dòng)校驗(yàn)零點(diǎn)和滿度來(lái)消除漂移。

自動(dòng)零點(diǎn)和滿度校準(zhǔn)是在電子的基礎(chǔ)上，保持皮帶以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，通過(guò)使皮帶處于空載狀態(tài)和在皮帶上加載鏈碼，計(jì)算出校準(zhǔn)常數(shù)。

校準(zhǔn)常數(shù)(t)=
試驗(yàn)長(zhǎng)度(皮帶長(zhǎng)度×皮帶運(yùn)行圈數(shù))×
皮帶上已知恒定重量(kg/m)/1 000

當(dāng)皮帶為空載時(shí)，此公式計(jì)算值為零點(diǎn)校準(zhǔn)常數(shù)；當(dāng)皮帶帶動(dòng)鏈碼運(yùn)行，則是滿度校準(zhǔn)常數(shù)。自動(dòng)零點(diǎn)和滿度校準(zhǔn)就是把實(shí)際皮帶稱測(cè)得的零點(diǎn)和滿度值與校準(zhǔn)常數(shù)進(jìn)行比較，在允差范圍內(nèi)，認(rèn)定皮帶稱稱量準(zhǔn)確；超出允差，則認(rèn)定皮帶稱零點(diǎn)或滿度漂移，需要進(jìn)行零點(diǎn)和滿度修正，從而保證電子皮帶稱稱量的準(zhǔn)確性。

4 投用后電子皮帶稱出現(xiàn)的問(wèn)題和解決辦法

(1)電子皮帶稱的電子元件的常見(jiàn)故障

在配料系統(tǒng)投入生產(chǎn)過(guò)程中，電子皮帶稱的稱重傳感器和速度傳感器的故障通過(guò)以下常規(guī)檢查手段，便可找到故障原因，恢復(fù)正常工作。稱重傳感器和速度傳感器常規(guī)檢查步驟如表1所示。

雖然通過(guò)以上檢查手段可以方便快速地查找故障，但也有些特殊情況，需要通過(guò)其他手段來(lái)查找故障原因。

(2)利用稱重控制器的校驗(yàn)功能查找故障原因

在配料系統(tǒng)投入使用一段時(shí)間后，操作人員反映雙層定量給料機(jī)實(shí)際入爐物料比測(cè)量值明顯偏大，前端幾個(gè)物料稱設(shè)定值總和在90 t/h時(shí)，雙層定量給料機(jī)的設(shè)定值在60 t/h即可把中間料斗的物料拉空，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。對(duì)雙層定量給料機(jī)的稱重傳感器和速度傳感器進(jìn)行常規(guī)檢查，供電電壓和輸出信號(hào)電壓均處于正常范圍內(nèi)。在進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)零點(diǎn)和滿度時(shí)，雖然校驗(yàn)值與校驗(yàn)常數(shù)比較，處于允差范圍內(nèi)，但是用時(shí)與正常校驗(yàn)時(shí)間有明顯差別，以下為滿度校驗(yàn)時(shí)間記錄。

從表2可以看到，故障后零點(diǎn)和滿度校驗(yàn)時(shí)間有很大的跳動(dòng)，且都比正常校驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)。根據(jù)自動(dòng)校驗(yàn)計(jì)時(shí)的原理是稱重控制器計(jì)算速度傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)，當(dāng)累計(jì)到要求的脈沖時(shí)，結(jié)束校準(zhǔn)的這段時(shí)間為校準(zhǔn)時(shí)間。在正常情況下，速度傳感器在79 s內(nèi)輸出計(jì)數(shù)脈沖達(dá)到目標(biāo)脈沖值，而從上表中看出故障后校驗(yàn)時(shí)間均高于79 s的時(shí)間內(nèi)才能達(dá)到累積脈沖，說(shuō)明速度傳感器輸出脈沖少于正常情況，存在問(wèn)題。將速度傳感器拆下檢查之后，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)編碼器內(nèi)部的光電碼盤不能很好的與連接軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，有旋轉(zhuǎn)不暢、發(fā)卡的現(xiàn)象，造成速度傳感器旋轉(zhuǎn)時(shí)，送出的脈沖少于正常情況下的脈沖。

(3)采用多種手段改善雙層定量給料機(jī)料量波動(dòng)大的現(xiàn)象

雙層電子皮帶稱采用徐州衡器廠有限公司生產(chǎn)型號(hào)為ICS- DT- 1000電子皮帶稱，它的主要作用是根據(jù)生產(chǎn)要求控制入爐物料流量并對(duì)將要入爐的混合物料進(jìn)行稱量，其稱量結(jié)果將參與艾薩風(fēng)、氧、油及富氧濃度、冰銅品位、渣型的控制。雙層電子皮帶稱的機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)、測(cè)量方式與圓盤式電子皮帶稱、直拖式電子皮帶稱不同，其設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 雙層電子皮帶稱設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

由以上結(jié)構(gòu)圖可以看到，稱重傳感器和速度傳感器位于下層皮帶，而調(diào)速電機(jī)位于上層皮帶，在這種情況下，稱重控制器得到的皮帶稱量信號(hào)并不是上層皮帶實(shí)時(shí)物料流量，存在較大時(shí)間滯后；由于這種給料機(jī)的結(jié)構(gòu)，混合物料由上層皮帶掉落在下層皮帶時(shí)，不能均勻地鋪在下層皮帶上，而是呈波浪式分布，使稱量數(shù)據(jù)產(chǎn)生波動(dòng)，給控制器帶來(lái)擾動(dòng)。針對(duì)這種情況，如果采用常規(guī)PID調(diào)節(jié)，只能使控制回路品質(zhì)變差，產(chǎn)生較大振蕩，降低變頻電機(jī)的使用壽命；與此同時(shí)，與此料量相關(guān)的ISA爐風(fēng)、氧、油等皆因此而產(chǎn)生大波動(dòng)，給安全操作帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這些情況，一方面對(duì)瞬時(shí)料量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，消除因設(shè)備固有機(jī)械原因引起的給料量的擾動(dòng)。數(shù)字濾波公式如下所示：

式中Yn—當(dāng)前輸出，經(jīng)過(guò)濾波計(jì)算的瞬時(shí)流量，t/h；

Yn-1—上一時(shí)間輸出，經(jīng)過(guò)濾波計(jì)算的瞬時(shí)流量，t/h；

Δt—瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)刷新時(shí)間，s；

TA—數(shù)學(xué)濾波時(shí)間常數(shù)，s；

Xn—當(dāng)前輸入，未經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波處理的瞬時(shí)流量，t/h。

圖8 數(shù)字濾波時(shí)間常數(shù)的階躍響應(yīng)圖

下面用階躍輸入來(lái)說(shuō)明數(shù)學(xué)濾波的作用。如下圖所示，當(dāng)經(jīng)歷一個(gè)數(shù)字濾波時(shí)間常數(shù)的時(shí)間間隔時(shí)，輸出達(dá)到總響應(yīng)值的63.2%，其后每經(jīng)歷一個(gè)數(shù)字濾波時(shí)間常數(shù)的時(shí)間間隔，仍可達(dá)到前一次殘留響應(yīng)值的63.2%。

通過(guò)設(shè)置數(shù)字濾波時(shí)間常數(shù)的方法，有效抑制由于雙層皮帶下料特征帶來(lái)的瞬時(shí)料量的擾動(dòng)。

另一方面，采用現(xiàn)場(chǎng)湊試法，改善稱重控制器PID回路的調(diào)節(jié)性能。通過(guò)調(diào)整稱重控制器PID功能參數(shù)，減小比例系數(shù)，增加積分時(shí)間，降低PID調(diào)節(jié)回路產(chǎn)生振蕩的風(fēng)險(xiǎn)，提高穩(wěn)定性。以下為雙層電子皮帶稱實(shí)際料量在PID控制進(jìn)行優(yōu)化前和優(yōu)化后的趨勢(shì)曲線。

圖9 優(yōu)化前雙層電子皮帶稱實(shí)時(shí)流量趨勢(shì)曲線

由圖可以看到，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的曲線相對(duì)平穩(wěn)，有利于降低雙層定量給料機(jī)變頻電機(jī)頻繁動(dòng)作，避免入爐物料流量的劇烈變化，造成ISA爐風(fēng)、氧、油量的大的波動(dòng)。

圖10 優(yōu)化后的雙層電子實(shí)時(shí)流量趨勢(shì)曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

電子皮帶稱自投入使用以來(lái)，由于測(cè)量準(zhǔn)確、控制方式靈活多樣、性能穩(wěn)定可靠、智能化程度高，滿足了ISA配料系統(tǒng)流程順暢、故障率低、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的需求，同時(shí)在很大程度上提高了配料的精確度，為ISA爐生產(chǎn)工藝指標(biāo)的可控性提供了有利保障。