燒結(jié)礦全自動在線質(zhì)檢系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

劉 陽，吳紅桃，雷 坤，李建兵

（安陽鋼鐵集團公司，河南 安陽 455000）

0 引 言

隨著當(dāng)今鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的大型化、現(xiàn)代化，生產(chǎn)過程越來越高速化、連續(xù)化、自動化，對燒結(jié)礦質(zhì)量檢驗的準(zhǔn)確性也提出了更高的要求，自動檢驗替代人工取樣檢驗勢在必行[1]。2006年安鋼針對燒結(jié)礦質(zhì)量檢驗的落后局面，提出了自動檢驗的設(shè)想，并在考察國內(nèi)其他單位現(xiàn)場使用效果的基礎(chǔ)上，討論了在安鋼實施燒結(jié)礦自動檢驗的可能性。經(jīng)考察研究后于2007年6月研發(fā)了燒結(jié)礦全自動質(zhì)檢系統(tǒng)，即在燒結(jié)礦成品皮帶機頭部現(xiàn)場設(shè)計制作一套自動化試驗系統(tǒng)，利用高度落差，依次完成從取樣、分樣、縮分、制樣、試驗到完畢返料等一系列功能。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成和工藝流程

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成簡介

該系統(tǒng)由機械設(shè)備和電氣控制兩部分構(gòu)成。機械設(shè)備主要有1臺頭部取樣機、2條輸送帶、2臺電動三通器、1臺三級振篩、1臺六級振篩、8個稱重料斗、4臺破碎機、4臺電動縮分器、2臺電振給料器、1臺轉(zhuǎn)鼓機、1臺機械搖篩、1臺棄料斗提機和1臺人工取樣收集斗；電氣設(shè)備主要有工控機、監(jiān)視器、顯示器、畫面分割器、可編程控制器（PLC）、變頻器、稱重傳感器、檢測元件、空氣短路器、接觸器、熱保護器、穩(wěn)壓電源等組成。控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場手動控制、自動控制和上位工控機控制3種方式。

圖1 系統(tǒng)運行流程示意圖

1.2 試驗工藝流程

完整的在線燒結(jié)礦的質(zhì)量檢驗過程，包括從運行的料流中均勻采樣、制樣、試驗、返料等一系列作業(yè)，是一個復(fù)雜的過程[2]，其簡要流程見圖1。

（1）取樣。當(dāng)燒結(jié)礦成品皮帶工作時，頭部取樣機每隔15min（可以調(diào)節(jié)范圍為15～60min），自動從燒結(jié)礦成品皮帶機頭下料口，橫截全流幅集子樣約30kg（可調(diào)范圍為 20～50kg）。

（2）分樣。樣品通過頭部三通器到二分器，二分器中的子樣部分溜入大顎破碎機，部分溜入六級振篩。

（3）制樣縮分。二分器分給大顎破碎機的物料經(jīng)過破碎進入三級振篩，經(jīng)三級振篩后分兩部分，一部分篩分出粒級為10.0～12.5 mm的物料，經(jīng)1號和2號縮分器2次縮分出2～3 kg，獲得的試樣供燒結(jié)礦冶金性能測試使用。經(jīng)過三級振篩的另一部分物料經(jīng)過3號縮分器的縮分，經(jīng)電振給料器喂入小顎破碎機和輥式破碎機加工，再經(jīng)過4號縮分器的縮分，獲得的試樣供化學(xué)分析使用。

（4）粒級測定及自動轉(zhuǎn)鼓試驗。二分器分一部分子樣給六級振篩，振篩利用雙曲柄機構(gòu)，能夠持續(xù)往復(fù)運動[3]，將試樣篩分為-5.0 mm、-10.0 mm+5.0 mm、-16.0 mm+10.0 mm、-25.0 mm+16.0 mm、-40.0 mm+25.0mm、+40.0mm 6 個粒級，分別進入 1#、2#、3#、4#、5#、6#秤斗，當(dāng)6個秤斗的料質(zhì)量和達到約120kg時，3#、4#、5#秤斗中的物料各自進行混勻。根據(jù)計算機程序設(shè)定的三級配鼓要求，計算出各個不同粒級樣品應(yīng)配鼓質(zhì)量（配鼓方法示例計算見表1），通過變頻器、閉環(huán)控制模塊等電氣控制系統(tǒng)對配鼓電振給料機的信號輸入，從而得到各個粒級的配鼓質(zhì)量，然后經(jīng)過配鼓輸送帶和配鼓三通器到達鼓前秤斗進行轉(zhuǎn)鼓前質(zhì)量稱量，達到配鼓要求時，自動轉(zhuǎn)鼓開始做轉(zhuǎn)鼓實驗（配鼓時，六級振篩不再篩分，配鼓完畢后方可篩分）。經(jīng)轉(zhuǎn)鼓8min旋轉(zhuǎn)200r后，自動把樣品倒入搖篩，經(jīng)自動搖篩1.5 min篩分30個往復(fù)后，由鼓后秤斗分別稱出-6.3mm和+6.3mm的質(zhì)量，計算機自動計算出轉(zhuǎn)鼓指數(shù)。

表1 轉(zhuǎn)鼓實驗配料計算

配制轉(zhuǎn)鼓試樣（15±0.15）kg，其中：

共計15.01kg。

（5）棄料返回?？s分器縮分的棄料和1#、2#、6#秤斗料通過棄料溜管溜到棄料收集輸送帶到達斗提機，通過斗提機將棄料返送到燒結(jié)礦主皮帶輸送機，回到主料流。

（6）應(yīng)急系統(tǒng)。當(dāng)自動取樣故障時，通過頭部三通器將試樣導(dǎo)入人工取樣溜管，獲得試樣供人工制樣、人工測定燒結(jié)礦粒度組成和燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)使用。

2 PLC控制系統(tǒng)的組成

檢驗設(shè)備控制系統(tǒng)分為取樣篩分組、破碎制樣組和強度檢測組3部分，這3個部分由共同的工控機和PLC系統(tǒng)控制。由于整個檢驗系統(tǒng)所有的電氣設(shè)備的控制都由這套PLC系統(tǒng)集中控制，所以其點數(shù)多，任務(wù)復(fù)雜。為了避免因PLC出現(xiàn)故障而造成整個系統(tǒng)癱瘓，另外安裝配備了1套PLC系統(tǒng)，2套PLC系統(tǒng)之間可以相互切換，從而保證了整個檢驗系統(tǒng)較高的作業(yè)率。

系統(tǒng)由上位機和下位機2部分組成。其上位機采用聯(lián)想工控機，操作系統(tǒng)為Windows2000，組態(tài)軟件采用SIMATIC WINCC6.0，其圖形界面可動態(tài)顯示現(xiàn)場各種設(shè)備的運行狀態(tài)，顯示系統(tǒng)運行的各種參數(shù)，操作人員可以用鼠標(biāo)點擊按扭來控制現(xiàn)場設(shè)備的啟停、更改系統(tǒng)的運行參數(shù)，操作簡單明了，具有良好的人機界面。下位機系統(tǒng)采用本地主控制站和遠(yuǎn)程I/O，主站和遠(yuǎn)程之間通過Profibus（process field bus）連接，其傳輸速率高，抗干擾能力強。主站由電源模版、CPU模版、閉環(huán)控制模版、信號模版和擴展模版組成。其CPU采用MPI接口，通過Profibus與遠(yuǎn)程I/O或現(xiàn)場智能儀表通信，上位機和下位機通過MPI接口通信[4]。

3 自動配鼓控制系統(tǒng)組成及工作原理

自動配鼓控制系統(tǒng)采用質(zhì)量配料法[5]，各種粒級的燒結(jié)礦按照計算好的配比通過電子配料秤配料。配料的精確度直接影響轉(zhuǎn)鼓試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，所以對控制系統(tǒng)提出了較高的要求。自動配料系統(tǒng)主要由閉環(huán)控制模版、電振給料器、電子皮帶秤、稱重顯示器、變頻器等組成。各種粒級的配比由計算機程序計算好后，物料的流量經(jīng)電子皮帶秤、稱重顯示器轉(zhuǎn)換為4～20mA信號輸入到閉環(huán)控制模版的功能模版，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量[6]。與計算出的值比較，再經(jīng)過PID運算，得到控制量的數(shù)字值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為4～20mA的模擬量給變頻器，變頻器根據(jù)這個信號控制電振給料器的頻率，從而使給料器的給料量圍繞在計算值周圍，實現(xiàn)自動配料功能。自動配料系統(tǒng)原理圖見圖2。

圖2 自動配料系統(tǒng)原理

PID算法[7]如下：設(shè)Yr（t）為t時刻計算好的下料量，Y（t）為t時刻的實際下料量，則e（t）=Yr（t）-Y（t）為t時刻的下料偏差，設(shè)此時系統(tǒng)的控制輸出為u（t），則有

式中：Kp、ti、td——比例系數(shù)、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)。

調(diào)整上述3個系數(shù)就可以改變控制輸出，得到理想的控制效果。

4 試驗數(shù)據(jù)對比分析

表2 2007年8月2日轉(zhuǎn)鼓強度測定實驗原始記錄

表3 2007年8月1日對比實驗原始記錄

系統(tǒng)試運行期間對試驗數(shù)據(jù)進行了研究分析。表2數(shù)據(jù)是2007年8月2號全自動質(zhì)檢系統(tǒng)試驗原始記錄，可以看出：每批試樣總質(zhì)量約120kg，每次轉(zhuǎn)鼓試樣質(zhì)量10.0～40.0mm粒級部分滿足60kg以上；入鼓試樣質(zhì)量為（15±0.15）kg，入鼓試樣質(zhì)量與出鼓試樣質(zhì)量之差均≤1.0%。試驗數(shù)據(jù)完全滿足燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度測定方法GB8209-87的各項規(guī)定。

該設(shè)備研制成功后反復(fù)作了對比試驗，從一批燒結(jié)礦中取樣300 kg樣品，用該設(shè)備做2次試驗進行對比，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。從表3中每批平行的2個試樣其轉(zhuǎn)鼓指數(shù)對比可以得出：轉(zhuǎn)鼓指數(shù)誤差絕對值均≤1.4%，在允許誤差范圍內(nèi)，符合GB8209-87標(biāo)準(zhǔn)中7.2.2條款中的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)允許差值ΔT的要求，檢驗操作合格。

5 運行效果

2007年6月經(jīng)過連續(xù)一周的試運行、功能考核，大量的取制樣檢測結(jié)果證明該系統(tǒng)對燒結(jié)礦進行的粒度分析、冷強度測定均能滿足GB10122-88和GB8209-87標(biāo)準(zhǔn)的要求，各項性能指標(biāo)均達到設(shè)計要求。

（1）可以調(diào)整頭部取樣機取樣時間間隔和每次取樣的重量，達到每天需要檢測的次數(shù)，方便可靠。

（2）通過PLC系統(tǒng)可以對取樣篩分組、破碎制樣組和強度檢測組進行集中控制，更加方便，時效性更好。

（3）報表自動打印?？梢越y(tǒng)計每次鼓前篩分各個粒級的重量、每個粒級配鼓重量、鼓后篩分出+6.3mm粒級和-6.3mm粒級的重量、篩分指數(shù)、轉(zhuǎn)鼓指數(shù)及其對應(yīng)的時間，并在當(dāng)班結(jié)束時打印出來。

（4）異常情況自動報警[8]?？刂葡到y(tǒng)在運行中實時監(jiān)控各種設(shè)備的運行狀況，當(dāng)這些設(shè)備相應(yīng)的機械或電器保護（如限位保護、熱保護、短路保護等）被破壞時，報警器會立即聲光報警，同時上位機有閃爍的紅色文字提示相應(yīng)設(shè)備故障。

（5）便捷的秤斗零點校正功能[9]。該系統(tǒng)只有相應(yīng)操作權(quán)限才能進入的秤斗參數(shù)設(shè)定畫面，專業(yè)標(biāo)秤人員可以不定時對各個秤斗設(shè)置零點和稱量值校正，使實驗數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。

6 結(jié)束語

隨著國內(nèi)外取制樣設(shè)備技術(shù)的不斷提高，安鋼將利用先進的技術(shù)不斷改進和完善燒結(jié)礦全自動質(zhì)檢系統(tǒng)，使之操作更加方便，運行更加可靠，并為推動檢驗技術(shù)的進步發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

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