TQS/M多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)

胡云燕，左召明，雷仕慶，楊寶輝（.合肥水泥研究設(shè)計院，合肥 3005；.合肥固泰自動化有限公司，合肥 3005）

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TQS/M多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)

胡云燕1，左召明1，雷仕慶1，楊寶輝2
（1.合肥水泥研究設(shè)計院，合肥 230051；2.合肥固泰自動化有限公司，合肥 230051）

摘 要：介紹了一種適用于喂料量在600kg/h以下的小流量的黏結(jié)性粉體物料的定量喂料設(shè)備，其具有密封的環(huán)保結(jié)構(gòu)、一機(jī)多喂的集成設(shè)計等特點(diǎn)，已應(yīng)用于國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電生產(chǎn)線中的消石灰定量給料。

關(guān)鍵詞：多通道；小流量；粉體；定量喂料；垃圾焚燒；消石灰

近年來，在建材、冶金、電力等行業(yè)中，國內(nèi)外致力于研究粉體過程計量和控制設(shè)備的廠家不斷涌現(xiàn)，粉體定量喂料的技術(shù)水平也在不斷提高。但大都只能用于常規(guī)的規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)中，其產(chǎn)量通常在1～500t/h的范圍，能很好適用于喂料量在600kg/h以下的小流量的黏結(jié)性粉體物料的計量設(shè)備寥寥無幾。本文介紹了國內(nèi)最新研制出的TQS/M多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)，其獨(dú)特的多通道模式可為用戶節(jié)約大量的投資成本和占地空間。該系統(tǒng)現(xiàn)已在垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)和鎂鋁冶煉行業(yè)得到了很好的推廣應(yīng)用，并得到用戶的一致好評。本文介紹并總結(jié)了該系統(tǒng)在垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)的應(yīng)用。

1　系統(tǒng)的應(yīng)用背景

我國屬于發(fā)展中國家，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、城市化進(jìn)程加快、居民生活水平不斷提高，城市垃圾的產(chǎn)生量也在不斷增加。目前國內(nèi)600多座城市的垃圾產(chǎn)生量以每年7%～8%的速度增長，城市垃圾的妥善高效處理顯得尤其迫切。

國際上較為發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)，大部分都采取垃圾焚燒發(fā)電的方法處理城市生活垃圾，不僅能使生活垃圾所占用的空間大幅度減少，節(jié)省大量的土地填埋空間，而且能將垃圾焚燒過程中的熱能轉(zhuǎn)換成電能，變廢為寶，是實(shí)現(xiàn)垃圾無害化、減容化、資源化處理最為有效的方法。但在垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的煙氣中含有大量粉塵和有害的酸性氣體，如HCl、二英等，需要對其凈化處理方可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。要除去這些有害物質(zhì)，目前在垃圾焚燒煙氣處理系統(tǒng)中，工藝上一般采用干法脫酸除塵的方法。脫酸劑一般采用消石灰，吸收劑一般采用活性炭。消石灰和活性炭按一定比例加入到儲存?zhèn)}內(nèi)，采用定量喂料設(shè)備自動給料，通過氣力輸送將消石灰及活性炭送至反應(yīng)容器中。消石灰和活性炭的添加量比較小，一般用量不超過400kg/h。國內(nèi)大多采用小型螺旋鉸刀喂料，但由于消石灰及活性炭都很容易吸潮黏壁，嚴(yán)重情況下，會與葉片黏連成一體，造成無法連續(xù)喂料、給料量不穩(wěn)定，計量精度很低。國內(nèi)還有采用圓盤式給料設(shè)備，但也因?yàn)榧夹g(shù)不成熟，無法解決黏結(jié)性物料的進(jìn)出料問題，給料不穩(wěn)定，仍然達(dá)不到理想的效果。

在垃圾焚燒煙氣處理過程中，若消石灰和活性炭等添加量不足或添加量不穩(wěn)定，會造成脫酸效果不好，二英排放不達(dá)標(biāo)，再次污染環(huán)境。因此，能否連續(xù)穩(wěn)定添加消石灰和活性炭，對提高脫酸效果至關(guān)重要。國內(nèi)最新研制出的“TQS/M多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)”設(shè)備裝置能很好地解決這些難題。

2　系統(tǒng)的組成

TQS/M多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)由三個主要環(huán)節(jié)組成，即活化預(yù)給料裝置、微型轉(zhuǎn)子定量喂料裝置和風(fēng)力抽吸輸送裝置。如圖1所示。

圖1 TQS/M多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)

根據(jù)垃圾焚燒工藝中大部分采用一地多條生產(chǎn)線的模式，該系統(tǒng)構(gòu)成在設(shè)計中采用了“一機(jī)多喂”的多通道系統(tǒng)，其中活化預(yù)給料裝置為一套共用，定量給料裝置設(shè)計為多路。活化預(yù)給料裝置主要由可控進(jìn)料組件、稱重倉、稱重傳感器、活化喂料機(jī)、支撐框架組成，起到預(yù)定進(jìn)料及穩(wěn)流的作用。微型定量喂料裝置主要由隔斷活化倉、負(fù)壓抽吸型微型轉(zhuǎn)子喂料設(shè)備、葉輪氣力輔助噴吹清掃裝置組成，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)定量喂料的功能。風(fēng)力抽吸輸送裝置由風(fēng)力抽吸泵、出料噴吹助力裝置組成，負(fù)責(zé)把物料強(qiáng)力徹底地吹送至指定工藝管路。

整套系統(tǒng)設(shè)備的所有環(huán)節(jié)全程密封，保證了在粉料通過時絕無粉塵飛揚(yáng)現(xiàn)象，現(xiàn)場使用干凈環(huán)保。

3　控制系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)工作過程中，根據(jù)微粉物料的特性，首先必須保證稱重喂料倉出口的料壓保持穩(wěn)定，為此，需對稱重倉的料面高度和內(nèi)部料流實(shí)施有效的控制?？梢赃x用可控的葉輪給料機(jī)和氣動閘閥作為稱重倉的前級進(jìn)料設(shè)備，安裝在稱重倉的上方，其作用是對稱重倉的料面高度進(jìn)行合理的控制。根據(jù)需要控制活化喂料機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，以保證微粉物料的流暢及穩(wěn)定，并對流量進(jìn)行粗調(diào)，使物料穩(wěn)定地進(jìn)入微型轉(zhuǎn)子定量喂料裝置?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)微型轉(zhuǎn)子喂料設(shè)備的瞬時流量值與設(shè)定值比較結(jié)果，控制微型轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使瞬時值始終跟蹤設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)對微粉的準(zhǔn)確計量與穩(wěn)定控制。

粉體物料經(jīng)進(jìn)料裝置平穩(wěn)進(jìn)入稱重喂料倉，通過活化喂料機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)保持穩(wěn)定的預(yù)給料，根據(jù)需要填充到微型轉(zhuǎn)子喂料設(shè)備的扇區(qū)中，變頻調(diào)速電機(jī)通過減速箱和主軸將動力傳至微型轉(zhuǎn)子喂料設(shè)備，帶動微型轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。隨著微型轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，充有粉體的扇區(qū)轉(zhuǎn)到出料口處時，落入風(fēng)力抽吸泵，在輸送空氣的帶動下快速地到達(dá)下級工藝設(shè)備。同時，根據(jù)采集到的稱重倉失重信號，對喂料進(jìn)行階段性在線校正。輔助清掃裝置也同步啟動工作，對出料扇區(qū)的物料進(jìn)行助力清掃，以保證出料的完全性。以上時序示意見圖2。

圖2 時序示意圖

瞬時流量及累積流量的求取公式如下：

式中：Q — 瞬時流量；Ki— 優(yōu)化權(quán)重值；M —流量計重當(dāng)量。

4　控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1硬件配置

選用性能優(yōu)越的德國西門子公司SIMATIC PLC S7系列模塊作為控制系統(tǒng)的核心部件，其特點(diǎn)是體積小巧、功能強(qiáng)大、系統(tǒng)配置方便、性能可靠穩(wěn)定，特別適合惡劣的工作環(huán)境。配以10.4吋TFT65536彩色觸摸屏來實(shí)現(xiàn)完美體驗(yàn)的人機(jī)對話功能，采用知名品牌ABB、富士等電器元件組成電氣控制柜，從基礎(chǔ)上保證了整個控制系統(tǒng)的良好品質(zhì)。

采用中英文可切換的雙語環(huán)境，運(yùn)用SIMATIC CPU的強(qiáng)大功能，完成對系統(tǒng)所有信息的監(jiān)視及控制操作?？蓪?shí)現(xiàn)系統(tǒng)各功能設(shè)備的邏輯連鎖、調(diào)試標(biāo)定、狀態(tài)反饋以及系統(tǒng)的斷電保護(hù)和過程參數(shù)的在線設(shè)定、修改、自動補(bǔ)償?shù)裙δ堋Ｍㄟ^其實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場信號的采集與控制輸出，以及與中央控制室（DCS系統(tǒng)）的標(biāo)準(zhǔn)信號（4～20mA）通訊。另外還可實(shí)現(xiàn)Profibus-DP和工業(yè)以太網(wǎng)等多種模式的通訊。

4.2軟件支持

通過STEP 7 MicroWIN軟件平臺，根據(jù)需要，采取梯形圖與語句表混合的方式，完成對S7 PLC200的程序編寫及調(diào)試。

通過觸摸屏的組態(tài)軟件，完成系統(tǒng)的組態(tài)。采用中英文可切換的雙語環(huán)境，顯示參數(shù)信息多，使得人機(jī)對話功能更加直觀簡便。

5　系統(tǒng)功能

5.1軟件功能

通過觸摸屏面板完成人機(jī)對話，對系統(tǒng)進(jìn)行所有信息的監(jiān)視及設(shè)備的控制操作見圖3。

（系統(tǒng)菜單）

（實(shí)時操作界面）

圖3 現(xiàn)場控制柜觸摸屏面板

（1）參數(shù)設(shè)定與修改：可在線設(shè)定控制方式、給定流量、倉重控制上下限值。亦可在線修改量程、補(bǔ)償系數(shù)、調(diào)節(jié)參數(shù)、校正參數(shù)、報警限值及系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)等。

（2）動態(tài)顯示窗口：可顯示運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)定流量、瞬時流量、累積量、電機(jī)轉(zhuǎn)速、倉荷重及報警狀態(tài)等過程狀態(tài)與參數(shù)。

（3）標(biāo)定及校正：具有掛碼標(biāo)定、轉(zhuǎn)速校正、倉標(biāo)定、通訊線性校正等實(shí)用功能。

5.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和輸出

通過CPU224XP及I/O模塊完成了系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)量及狀態(tài)量的采集、控制量及狀態(tài)量的輸出。

AI：稱重倉荷重、遠(yuǎn)程流量設(shè)定等。

AO：定量喂料機(jī)調(diào)速控制、瞬時流量輸出、瞬時倉重輸出等。

DI：喂料機(jī)動力備妥及狀態(tài)反饋、定量喂料機(jī)測速、進(jìn)料閥位置狀態(tài)反饋、遠(yuǎn)程啟停命令、遠(yuǎn)程聯(lián)鎖條件等。

DO：喂料機(jī)啟停、進(jìn)料閥開關(guān)命令、系統(tǒng)運(yùn)行反饋、遠(yuǎn)程控制備妥、累計脈沖信號、系統(tǒng)報警等。

其中稱重倉荷重由稱重傳感器測量后，經(jīng)現(xiàn)場信號放大器轉(zhuǎn)換成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號送入PLC的AI接口。系統(tǒng)的模擬量數(shù)據(jù)采集后都進(jìn)行了一系列的軟硬件濾波、抗干擾及量化處理。

5.3控制模式

（1）電氣控制：系統(tǒng)中每臺設(shè)備的啟停可為單機(jī)模式，先后次序互相之間沒有強(qiáng)制的制約?？筛鶕?jù)工藝和生產(chǎn)的要求進(jìn)行獨(dú)立的啟動/停止。

（2）調(diào)節(jié)模式：1）模式0（速度調(diào)節(jié)：設(shè)備調(diào)試和工況異常時使用），計量設(shè)備、喂料設(shè)備的給定轉(zhuǎn)速可在觸摸屏上單獨(dú)設(shè)定，系統(tǒng)僅自動調(diào)節(jié)跟蹤轉(zhuǎn)速，不對流量進(jìn)行自動控制。2）模式1（流量調(diào)節(jié)：工況良好時使用），喂料設(shè)備的給定轉(zhuǎn)速單獨(dú)設(shè)定，系統(tǒng)以流量調(diào)節(jié)模式對計量設(shè)備進(jìn)行自動控制。

5.4通訊模式

具有本地控制室操作和遠(yuǎn)程中控室操作模式，可以很方便地通過現(xiàn)場觸摸屏根據(jù)需要進(jìn)行切換選擇。

（1）本地控制：用戶在現(xiàn)場控制室，通過觸摸屏面板，能觀察所需的過程參數(shù)和狀態(tài)，可以完成流量及倉重限值的設(shè)定、控制參數(shù)的直接修改和整定、系統(tǒng)設(shè)備的啟動和停止、不同工作方式的切換等。

（2）遠(yuǎn)程控制：在中央控制室，通過與本地控制柜的信號對接，觀察到瞬時流量和倉重的反饋、現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況，能夠根據(jù)需要隨時改變設(shè)定流量并控制系統(tǒng)的設(shè)備啟停。

5.5系統(tǒng)報警處理

對稱重倉荷重、定量喂料機(jī)轉(zhuǎn)速、喂料機(jī)動力備妥及狀態(tài)、進(jìn)料閥位置狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)信息，判斷出工況是否異常，及時把報警信息送達(dá)中控，并在現(xiàn)場觸摸屏上顯示詳細(xì)的報警清單，提醒和幫助操作人員快速判斷和處理問題。

5.6程序流程圖（見圖4）

圖4 程序流程圖

6　現(xiàn)場調(diào)試

6.1稱重倉的標(biāo)定

基于系統(tǒng)的工作原理，稱重倉內(nèi)物料重量測量的準(zhǔn)確性將顯得尤其重要?？稍诂F(xiàn)場通過掛碼的方式對稱重倉進(jìn)行標(biāo)定，數(shù)據(jù)見表1。

表1　稱重倉標(biāo)定數(shù)據(jù)

采樣值為稱重倉的A/D采樣字，Max、Min表示一分鐘內(nèi)采樣字的靜態(tài)波動范圍，平均值為對應(yīng)掛碼的采樣字均值，等均差為相同的掛碼變化量（如200kg）所帶來的采樣值的變化。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，等均差數(shù)值的同一性基本一致，表明稱重倉測量通道的線性度較好。從加碼減碼得到的數(shù)據(jù)可知，其測量通道的回歸特性也不錯。所以，通過掛碼校正的倉重值完全能反映出真實(shí)的倉重，其測量計算所得的失重流量也具有較高的準(zhǔn)確度。

6.2流量標(biāo)定

系統(tǒng)調(diào)試完成運(yùn)行正常后，利用該控制系統(tǒng)的流量標(biāo)定功能，以倉重數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，對喂料進(jìn)行實(shí)物流量標(biāo)定。標(biāo)定時段內(nèi)給定流量的范圍：200kg/h左右。數(shù)據(jù)收集見表2。

表2　TQS/M多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，逐步校正后的喂料誤差都在理想范圍之內(nèi)，實(shí)際的應(yīng)用效果，從環(huán)保部門實(shí)時抽查的大氣指標(biāo)值也得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證。

7　結(jié)語

從設(shè)備結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)來看，整個工作過程都處于全封閉中，避免了揚(yáng)塵現(xiàn)象，使用戶可以省去專用除塵裝置，既節(jié)省了設(shè)備投資，也節(jié)約了電能。且設(shè)備全部采用特殊處理，堅固耐用，適合在惡劣的工業(yè)環(huán)境中使用，特別是消石灰和活性炭這樣的粉塵物料的喂料。利用自身稱重倉，在生產(chǎn)過程中就能很容易做到在線標(biāo)定，大大減少了調(diào)試和維護(hù)的工作量。

TQS/M多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)裝置用于微量粉體定量喂料以來，其特有的活化預(yù)給料裝置、微型轉(zhuǎn)子定量喂料裝置、風(fēng)力抽吸輸送裝置，在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行了有機(jī)的功能完美結(jié)合，徹底解決了小流量粉體喂料的黏結(jié)、滯留、堵卡、計量不準(zhǔn)確等難題，滿足了生產(chǎn)的要求。其獨(dú)特的一機(jī)多喂的多通道工藝設(shè)計，更為用戶極大降低了投入成本。

TQS/M多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)裝置自投入使用以來，受到廣大用戶的一致好評。無論是垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)尾氣處理脫酸及吸收劑的定量喂料，還是鎂鋁等有色金屬冶煉行業(yè)反應(yīng)熱爐的燃料（如：石油焦粉、廢舊輪胎粉末等）的定量喂料，效果良好，料量穩(wěn)定，料流連續(xù)，計量準(zhǔn)確。

隨著用戶在設(shè)備維護(hù)、節(jié)能環(huán)保等方面要求的提高，其密封的環(huán)保結(jié)構(gòu)、一機(jī)多喂的集成設(shè)計、故障少易維護(hù)、投資少見效快等特點(diǎn)，應(yīng)會在小流量粉體定量喂料方面得到越來越多的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 西門子（中國）有限公司.深入淺出西門子S7-200PLC[M].北京：北京航空航天工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[2] 合肥水泥研究設(shè)計院.垃圾焚燒爐干法尾氣凈化處理系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2008（8）.

Control System for Ration Feeding of TQS/M Multicenter Minim Powder Substance

HU Yun-yan, ZUO Zhao-ming, LEI Shi-qing, YANG Bao-hui
(1.Hefei Institute of Cement Research and Designing, Hefei 230051;
2.Hefei Gutai Automatization Co., Ltd, Hefei 230051, China)

Abstract:The paper presents the ration feeding equipment of a little runoff powder substances of cohesiveness under 600kg/h. It bears the characteristics of the sealed environmental protection structure and an integrated design which one machine can work for many feedings. It has been applied in the ration feeding of lime hydrate in the production line of refuse incineration and generating electricity of the country.

Keywords:multicenter; little runoff; powder substance; ration feeding; refuse incineration; lime hydrate

中圖分類號：X705

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-5377（2016）03-0055-05