李 超，陳德海1，，劉俊林1，，周 興，梁祖禎，王家利，余萬元

（1.云南黃金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，云南 昆明 650229；2.云南滇金投資有限公司，云南 昆明 650215）

通常海綿金是一種微細(xì)粉末，有時(shí)有較大顆粒的金塊，其主要化學(xué)成分Au含量76.64%、水含量23.27%，其余0.000 9%的元素為Fe、Cu、Ag，密度不大（真密度在1.42 g/cm3左右），是溶金王水通過還原出來海綿狀金粉。我國的主要黃金精煉企業(yè)，在黃金精提純過程中粗金-王水溶金-還原王水-海綿金-烘干-鑄錠這套工藝中[1]，海綿金的干燥時(shí)間直接影響著企業(yè)黃金進(jìn)出庫的周期。傳統(tǒng)的海綿金干燥方法為電爐絲烘干，整個(gè)過程中效率低、能耗高，為使海綿金干燥過程快速高效、節(jié)能環(huán)保，響應(yīng)低碳經(jīng)濟(jì)的號(hào)召，急需改善新工藝研發(fā)新型設(shè)備[2]。

本文所介紹的裝置為某公司和某大學(xué)共同合作研發(fā)出的工業(yè)化微波干燥海綿金設(shè)備，其單臺(tái)裝機(jī)容量為36 kW。全套微波干燥生產(chǎn)裝置配置PLC控制系統(tǒng)作為生產(chǎn)線的閉環(huán)反饋控制，微波快速干燥系統(tǒng)達(dá)到單臺(tái)設(shè)備產(chǎn)能150 kg/2h；干燥后樣品水分不高于0.8‰、功耗＜0.5 kW/kg，其微波泄漏符合國家標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（GB10436-89）的要求。微波自動(dòng)干燥設(shè)備正常運(yùn)行并穩(wěn)定工作，建成200 kg/d生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)全套微波干燥裝置智能化控制。

1 微波干燥海綿金粉生產(chǎn)裝備工藝特點(diǎn)

1.1 工藝技術(shù)控制特點(diǎn)

國內(nèi)微波干燥主要用于食品工業(yè)、制藥工業(yè)、脫硫、醫(yī)療、殺蟲滅菌等非金屬的干燥[4]，而對(duì)于處在微波場中是金屬物，就會(huì)產(chǎn)生打火放電現(xiàn)象[5]，導(dǎo)致微波干燥效率降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞微波發(fā)生器；海綿金屬于金屬，而且干燥溫度過高，海綿金容易結(jié)塊[5]，影響后續(xù)熔煉鑄錠過程，這就需要開發(fā)出一種能夠控制微波干燥設(shè)備能夠干燥金屬物料的控制系統(tǒng)-PLC智能化控制系統(tǒng)。

本研究通過PLC控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)加熱的海綿金物料進(jìn)行溫度監(jiān)控、對(duì)微波加熱腔內(nèi)的微波場強(qiáng)監(jiān)控、對(duì)微波發(fā)生器進(jìn)行溫度監(jiān)控及微波冷卻液溫度進(jìn)行監(jiān)控[6]，同時(shí)對(duì)干燥生產(chǎn)線的加熱干燥與生產(chǎn)運(yùn)行過程進(jìn)行自動(dòng)控制與自動(dòng)檢測：即實(shí)時(shí)、在線自動(dòng)控制微波功率、檢測磁控管工作狀況、海綿金溫度、原料水分、冷卻水壓水流、爐門開閉、排濕收塵系統(tǒng)、安全聯(lián)動(dòng)、故障報(bào)警等工藝流程與技術(shù)參數(shù)的自動(dòng)檢測、安全聯(lián)鎖運(yùn)行及實(shí)時(shí)調(diào)控，自動(dòng)調(diào)節(jié)微波輸出功率，使微波在干燥海綿金水分的同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生打火放電現(xiàn)象，微波加熱效率達(dá)到最大化。干燥生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)，微波由微波發(fā)生器產(chǎn)生后，經(jīng)微波饋能機(jī)構(gòu)輸入諧振加熱腔體，此時(shí)海綿金物料中的水分在微波能的輻射加熱作用下被低溫加熱揮發(fā)，與海綿金及水分有效分離[7]，并通過排濕收塵系統(tǒng)排出加熱腔體外，進(jìn)而達(dá)到低溫清潔環(huán)保脫水干燥的目的。

1.2 裝置主要結(jié)構(gòu)

微波干燥海綿金技術(shù)與裝置首次采用箱式多邊形和全密閉微波腔體優(yōu)化組合新技術(shù)。該生產(chǎn)試驗(yàn)線由微波系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、排濕收塵與機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)組成。

微波干燥海綿金生產(chǎn)試驗(yàn)線由上箱式多腔體微波干燥裝置組成，微波功率分別為36 kW，微波干燥腔可通過調(diào)整微波源功率達(dá)到控制干燥效果和產(chǎn)量的目的。

干燥裝置微波腔體上面分別設(shè)有24個(gè)微波發(fā)生器；微波腔體內(nèi)有料車，微波腔體上端與板式換熱器相聯(lián)，板式換熱器連接到抽氣泵上，開關(guān)電源連接著微波發(fā)生器，海綿金裝進(jìn)料車通過進(jìn)出料門，從進(jìn)料口進(jìn)入后，進(jìn)入微波腔體，在微波作用下，水蒸氣通過板式換熱器和抽濕風(fēng)罩后，由抽氣泵抽走，實(shí)現(xiàn)海綿金干燥生產(chǎn)。

圖1 微波干燥海綿金生產(chǎn)試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of production test devices for microwave drying sponge gold production

1.2.1 微波系統(tǒng)

微波系統(tǒng)主要包含：微波電源、微波發(fā)生器、諧振加熱腔體、微波抑制器四部分。

1）微波電源：由三極管、保險(xiǎn)管電容、整流橋、變壓器、整流二極管、電感電容、水冷油浸箱等部件組成；用來產(chǎn)生高壓直流電與低壓交流電來提供給磁控管產(chǎn)生微波，確保磁控管連續(xù)正常工作；

2）微波發(fā)生器：由含水冷器的磁控管、導(dǎo)波介質(zhì)、陶瓷隔離片組成；在供給微波電源后，產(chǎn)生連續(xù)高頻電磁波，輻射到諧振腔內(nèi)；

3）微波加熱腔：加入腔體由鈦合金制作成的多邊形密封腔體，腔體門加裝了帶有安全保護(hù)功能；腔體為微波與物料相互作用提供加熱空間，并確保安全傳輸微波、密閉微波、加熱物料與排出濕汽；

4）微波抑制器：為嚴(yán)防微波向外泄漏，在進(jìn)出料端、排濕管道入口等處均安裝了由微波吸收劑方格抑制器和微波扼流孔網(wǎng)組成的多種微波抑制體；用以吸收并抑制可能泄漏的微量微波，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

1.2.2 供電系統(tǒng)

由三相五線制供電提供（3×380±5%） V、（50±1%） Hz、接地電阻≤4 Ω、總?cè)萘?5 kW的工業(yè)用電，經(jīng)各斷路器后分為多條支路，為整套微波干燥生產(chǎn)試驗(yàn)線各種負(fù)載提供電源與生產(chǎn)動(dòng)力。

1.2.3 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)包含：機(jī)架、進(jìn)出料機(jī)構(gòu)、鈦合金物料盤系統(tǒng)等三部分。

1）機(jī)架：由支撐機(jī)架、腔體、外殼等組成，用于支撐微波腔體、微波發(fā)生器與微波電源；

2）進(jìn)出料機(jī)構(gòu)：由進(jìn)料軌道、料車、滑輪等組成，用于將含水海綿金送入微波加熱腔進(jìn)行干燥；

3） 鈦合金物料盤系統(tǒng)：由四個(gè)鈦合金盤組成；用于盛放海綿金在微波加熱腔內(nèi)加熱，使其在微波輻射加熱下，脫除多余的水分快速干燥海綿金。

1.2.4 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)主要包含：排濕收塵系統(tǒng)和冷卻循環(huán)水系統(tǒng)兩個(gè)系統(tǒng)。

1） 排濕收塵系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：①排濕收塵：由1條總風(fēng)管道、1臺(tái)離心風(fēng)機(jī)及收塵器組成，用于將微波加熱干燥后脫除的的水份及時(shí)排出微波腔體，并送入收塵器回收海綿金粉塵；②收塵器：由圓錐旋風(fēng)器、管道、排塵囗、閘閥等部件組成，用于將隨水蒸汽排出的海綿金微細(xì)粉塵進(jìn)行回收；

2）冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一臺(tái)15 kW冷卻循環(huán)水機(jī)、進(jìn)出水管道、水壓表、閘閥、支線管道、分水器、球閥、水流開關(guān)、匯水器等組成，分別用于冷卻磁控管、油浸變壓器箱，在確保設(shè)備不會(huì)應(yīng)為高溫而損壞其部件。

2 微波干燥海綿金生產(chǎn)裝置控制系統(tǒng)開發(fā)

目前，國內(nèi)干燥設(shè)備檢測工具為普通電工儀表、風(fēng)速儀、壓力計(jì)、干濕球溫度計(jì)等，檢測后的計(jì)算和分析也依靠人工完成，并通過諸如手動(dòng)調(diào)節(jié)加熱器溫度和調(diào)整擋風(fēng)板位置等措施得到所需干燥溫濕度[8]。許多干燥設(shè)備還停留在只能顯示干燥溫濕度，憑借工人多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來控制設(shè)備的運(yùn)行，而無真正意義的智能控制系統(tǒng)。由于這種控制模式人為因素較大、延時(shí)性大，導(dǎo)致控制系統(tǒng)精度不高，嚴(yán)重影響物料的干燥品質(zhì)，而且還會(huì)延長干燥時(shí)間和增加能源消耗，不利于企業(yè)的發(fā)展。

2.1 操作控制原理簡介

全套微波干燥生產(chǎn)裝置配置PLC控制系統(tǒng)作為生產(chǎn)線的閉環(huán)反饋控制，自動(dòng)調(diào)控微波功率與原料運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)智能化控制，以達(dá)到最佳生產(chǎn)效益。

全系統(tǒng)由1個(gè)主站中控制系統(tǒng)和1個(gè)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)組成；微波干燥控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有一套PLC控制系統(tǒng)、24套電流采集模塊，上位監(jiān)控系統(tǒng)放置于主站中控制系統(tǒng)，確保信息快速可靠進(jìn)行傳輸通信。微波干燥海綿金裝置工作與控制原理如圖2所示。

圖2 控制基本原理圖Fig.2 Basic control principle diagram

2.2 PLC控制系統(tǒng)開發(fā)

微波干燥裝置共由1個(gè)主站系統(tǒng)進(jìn)行控制，全部安裝于微波腔體外側(cè)，且配有電流互感器、分路斷路器、交流接觸器、分組開關(guān)、電機(jī)斷路器等。

2.2.1 控制功能

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作控制時(shí)達(dá)到啟動(dòng)方便的目的，在主控站操作員站上提供“一鍵啟動(dòng)”微波干燥操作模式即“自動(dòng)”操作功能。當(dāng)選擇“一鍵啟動(dòng)”操作時(shí)，需要先將所有的“自動(dòng)/手動(dòng)”轉(zhuǎn)換開關(guān)都處于“自動(dòng)”位置上，點(diǎn)擊微波干燥的“啟動(dòng)”按鈕后，自動(dòng)操作控制系統(tǒng)便會(huì)按照預(yù)先設(shè)定的程序，依次開啟冷卻水泵→排濕風(fēng)機(jī)→照明等。當(dāng)所有排濕風(fēng)機(jī)、腔內(nèi)照明、斷路器合閘信號(hào)和接觸器吸合信號(hào)等正常后，自動(dòng)操作控制系統(tǒng)依次按照設(shè)定的間隔時(shí)間，開啟相應(yīng)微波干燥裝置的微波電源組，開始微波干燥海綿金生產(chǎn)作業(yè)。

為滿足檢修或人工緊急干預(yù)需要，PLC系統(tǒng)設(shè)置了“手動(dòng)”操作功能。在進(jìn)行“手動(dòng)”操作功能時(shí)，可以分別對(duì)各個(gè)控制回路進(jìn)行“手動(dòng)”單獨(dú)“啟動(dòng)/停止”操作時(shí)。

速衛(wèi)起重機(jī)貿(mào)易（上海）有限公司是SWF在中國的貿(mào)易公司。SWF是全球起重機(jī)和起升設(shè)備行業(yè)的業(yè)界領(lǐng)先者，客戶包括獨(dú)立的起重機(jī)制造商、提升設(shè)備經(jīng)銷商和服務(wù)公司。SWF擁有極為全面的產(chǎn)品目錄，被廣泛應(yīng)用于對(duì)性能和質(zhì)量有極高要求的領(lǐng)域。此外，公司還擁有完整的服務(wù)包，包括全天候客戶服務(wù)支持、客戶專用配置軟件、技術(shù)和銷售培訓(xùn)以及一系列的客戶特定服務(wù)。

2.2.2 操作界面功能

在操作界面上，還單獨(dú)設(shè)置有微波指示燈、電源啟動(dòng)按鈕、電源停止按鈕、報(bào)警指示、蜂鳴器、聲消除按鈕與急停按鈕。微波指示燈用于微波開啟后，提示工作人員微波已經(jīng)開啟，注意微波輻射；電源啟動(dòng)按鈕與電源停止按鈕，用于微波設(shè)備電源的啟停；報(bào)警指示在當(dāng)控制系統(tǒng)所控制的設(shè)備一旦出現(xiàn)故障時(shí)，PLC系統(tǒng)能立即判別故障原因并在操作面板上記錄及顯示故障信息，此時(shí)蜂鳴器響起，待操作者確認(rèn)；同時(shí)腔體的故障報(bào)警燈閃亮，提醒操作人員了解故障狀態(tài)后，及時(shí)檢修與維護(hù)，當(dāng)維修處理好后，按下聲消除按鈕，蜂鳴聲消除；急停按鈕在微波設(shè)備某一環(huán)節(jié)發(fā)生故障時(shí)，可用于緊急切斷微波輸出電源，微波發(fā)生器停止工作，防止微波泄漏，解除急停狀態(tài)，需要操作人員進(jìn)行復(fù)位，并經(jīng)確認(rèn)后，方能恢復(fù)正常工作。

圖3 系統(tǒng)控制邏輯圖Fig.3 Control logic diagram of the system

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

在進(jìn)行海綿金微波干燥生產(chǎn)試驗(yàn)時(shí)，由于原料水分減少因素影響和波動(dòng)，有必要對(duì)微波干燥裝置的工藝控制參數(shù)進(jìn)行適時(shí)調(diào)控，為方便對(duì)PLC控制系統(tǒng)的各類參數(shù)進(jìn)行變更或重新設(shè)置，在“系統(tǒng)監(jiān)控”狀態(tài)下，可完成各工藝參數(shù)的變更。

2.3.1 磁控管監(jiān)測

24只磁控管分別以8只為一組，分為前中后三組，通過互感器監(jiān)視所有磁控管的電流，互感器測量出的電流經(jīng)過變送器變送成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后輸入模擬量輸入模塊，控制器可對(duì)信號(hào)是否在正常范圍內(nèi)進(jìn)行判斷處理，判斷結(jié)果和磁控管的狀態(tài)可在管理層的觸摸屏上進(jìn)行顯示。

每組8根磁控管分為每只磁控管電壓、功率實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制；磁控管的小組組合考慮三相平衡后間隔選??；每一組磁控管啟動(dòng)時(shí)采取順序供電控制方式，間隔時(shí)間為5 s；當(dāng)監(jiān)測到料管內(nèi)中間點(diǎn)的溫度高于或者低于正常值時(shí)，控制器通過模擬量輸出模塊輸出（4～20）mA的信號(hào)給第二組和第三組各小組的高壓變壓器的調(diào)壓模塊，通過調(diào)壓模塊對(duì)高壓變壓器的輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以控制各小組磁控管的功率大小，當(dāng)溫度進(jìn)入正常范圍后，功率調(diào)節(jié)結(jié)束。

2.3.2 溫度監(jiān)測

爐腔內(nèi)1個(gè)：由1個(gè)紅外測溫儀檢測物料溫度信號(hào)，對(duì)海綿金進(jìn)行在線檢測出溫度信號(hào)后，送入PLC控制系統(tǒng)作為工藝操作控制參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)控制；并通過對(duì)正在行進(jìn)中的海綿金的原料溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將檢測信號(hào)送達(dá)PLC控制系統(tǒng)后，用于調(diào)控微波功率，將溫度控制在260℃以下，達(dá)到低溫清潔干燥效果；

由一個(gè)水流量/壓力開關(guān)實(shí)時(shí)對(duì)微波發(fā)生器冷卻液進(jìn)行監(jiān)控，保障冷卻在個(gè)參數(shù)流量≥15 m2/h、壓力為≥0.2MPa下，微波發(fā)生器能正常工作。

2.3.4 加熱腔場強(qiáng)監(jiān)測

由一個(gè)場強(qiáng)檢測儀監(jiān)測腔體內(nèi)微波強(qiáng)度，對(duì)海綿金加熱脫水過程中，加熱腔內(nèi)進(jìn)行在線檢測出場強(qiáng)信號(hào)后，送入PLC控制系統(tǒng)作為工藝操作控制參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)控制；通過對(duì)腔體內(nèi)部的場強(qiáng)監(jiān)控，將控制腔體內(nèi)部場強(qiáng)密度控制在≤200 W/m2，用于調(diào)控微波輸出時(shí)間，避免腔體內(nèi)部產(chǎn)生打火放電現(xiàn)象。

2.3.5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

針對(duì)密封式海綿金微波干燥裝置，為便于全程操作控制與管理，專門設(shè)置了視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

視頻監(jiān)視器由1個(gè)視頻攝像頭、傳輸電纜、與顯示屏組成。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要用于對(duì)海綿金微波干燥腔內(nèi)的生產(chǎn)運(yùn)行狀況及重點(diǎn)部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，便于值班人員集中監(jiān)視、及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理。

3 微波干燥海綿金粉生產(chǎn)裝備控制系統(tǒng)的應(yīng)用

把含水率為25%左右的金粉倒入設(shè)備料盤中鋪平整均勻，料盤跟隨料車推入設(shè)備加熱腔內(nèi)，關(guān)好爐門，打開冷卻循環(huán)水，啟動(dòng)微波設(shè)備總電源。準(zhǔn)備開啟微波系統(tǒng)，具體操作如下：

1）啟動(dòng)微波之前認(rèn)真檢查循環(huán)水是否已經(jīng)開啟，腔體內(nèi)是否已經(jīng)放入物料，腔體門是否關(guān)閉嚴(yán)實(shí)，查看觸摸屏中的報(bào)警畫面，是否存在報(bào)警信息，確認(rèn)一切無誤后，才可以啟動(dòng)微波；

2）根據(jù)實(shí)際所需，在“參數(shù)設(shè)置”畫面設(shè)置好相四個(gè)加入階段第一階段180℃（30 min），第二階段240℃（25 min），第三階段260℃（35 min） 第四階200℃（30 min），加熱時(shí)間一共2 h；

3）在控制柜門上將選擇開關(guān)置于“自動(dòng)”位置，觸摸屏左側(cè)出現(xiàn)“自動(dòng)”指示；

4）按下柜門上的“啟動(dòng)”按鈕，反應(yīng)器將按照參數(shù)設(shè)置中設(shè)定的加熱曲線段參數(shù)自動(dòng)運(yùn)行，PID自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓輸出；

5）自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，主界面中實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前加熱所處階段及當(dāng)前階段剩余時(shí)間，并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前電流、電壓、微波功率以及當(dāng)前實(shí)時(shí)溫度。在此界面顯示設(shè)備的實(shí)時(shí)工藝數(shù)據(jù)，便于運(yùn)行時(shí)觀察記錄；

6） 經(jīng)過2 h后，金粉烘干至熔煉要求；關(guān)閉微波電源，打開爐門，取出烘干的金粉，關(guān)閉爐門；

7）停機(jī)時(shí)，關(guān)閉微波設(shè)備電源后，冷卻循環(huán)水繼續(xù)冷卻30 min后方可關(guān)閉。

微波干燥海綿金粉生產(chǎn)裝備生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)見表1。

表1 生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)Tab.1 Production practices data

從表1可以看出，開發(fā)的微波干燥系統(tǒng)，生產(chǎn)能力≥100 kg/2h，且干燥后的水分平均為0.64，平均能耗為0.45 kW/h，本研究工藝技術(shù)在全封閉環(huán)境下操作，隔絕了高溫所產(chǎn)生的熱輻射、煙氣和微波輻射等，達(dá)到了生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定、干燥速度快、加熱均勻、高效節(jié)能、清潔衛(wèi)生、安全無害、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)[9]。

4 結(jié)語

經(jīng)過二年多的生產(chǎn)運(yùn)行與調(diào)試，進(jìn)一步完善了PLC系統(tǒng)的適應(yīng)范圍，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)控微波功率，達(dá)到智能化調(diào)控。全套微波干燥生產(chǎn)線及其控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）通過開發(fā)PLC系統(tǒng)控制對(duì)設(shè)備的控制系統(tǒng)與監(jiān)測系統(tǒng)的反饋，及時(shí)控制調(diào)整微波功率，使微波在干燥海綿金水分的同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生打火放電現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了微波能夠干燥金屬物料；

2）微波干燥控制系統(tǒng)能夠高效、節(jié)能的干燥海綿金，而且加熱均勻、易于控制，作業(yè)環(huán)境好，自動(dòng)化程度高，達(dá)到低溫清潔環(huán)保脫水干燥的目的；

3）有利于提高企業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，實(shí)現(xiàn)海綿金干燥技術(shù)的升級(jí)換代，開發(fā)的微波干燥系統(tǒng)，生產(chǎn)能力≥100 kg/2h，平均能耗為0.45 kW/h，且干燥后的水分平均為0.64‰。