微波干燥海綿金粉生產(chǎn)裝備控制系統(tǒng)開發(fā)及應用*

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粉末，有時有較大顆粒的金塊，其主要化學成分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]，海綿金的干燥時間直接影響著企業(yè)黃金進出庫的周期。傳統(tǒng)的海綿金干燥方法為電爐絲烘干，整個過程中效率低、能耗高，為使海綿金干燥過程快速高效、節(jié)能環(huán)保，響應低碳經(jīng)濟的號召，急需改善新工藝研發(fā)新型設備[2]。

本文所介紹的裝置為某公司和某大學共同合作研發(fā)出的工業(yè)化微波干燥海綿金設備，其單臺裝機容量為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)達到單臺設備產(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準以及行業(yè)標準（GB10436-89）的要求。微波自動干燥設備正常運行并穩(wěn)定工作，建成200 kg/d生產(chǎn)線，實現(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

1.1 工藝技術控制特點

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]，而對于處在微波場中是金屬物，就會產(chǎn)生打火放電現(xiàn)象[5]，導致微波干燥效率降低，嚴重時還會損壞微波發(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)實時對加熱的海綿金物料進行溫度監(jiān)控、對微波加熱腔內(nèi)的微波場強監(jiān)控、對微波發(fā)生器進行溫度監(jiān)控及微波冷卻液溫度進行監(jiān)控[6]，同時對干燥生產(chǎn)線的加熱干燥與生產(chǎn)運行過程進行自動控制與自動檢測：即實時、在線自動控制微波功率、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、故障報警等工藝流程與技術參數(shù)的自動檢測、安全聯(lián)鎖運行及實時調(diào)控，自動調(diào)節(jié)微波輸出功率，使微波在干燥海綿金水分的同時不會產(chǎn)生打火放電現(xiàn)象，微波加熱效率達到最大化。干燥生產(chǎn)線運行時，微波由微波發(fā)生器產(chǎn)生后，經(jīng)微波饋能機構輸入諧振加熱腔體，此時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，進而達到低溫清潔環(huán)保脫水干燥的目的。

1.2 裝置主要結構

微波干燥海綿金技術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。該生產(chǎn)試驗線由微波系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、排濕收塵與機械動力系統(tǒng)組成。

微波干燥海綿金生產(chǎn)試驗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有24個微波發(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，開關電源連接著微波發(fā)生器，海綿金裝進料車通過進出料門，從進料口進入后，進入微波腔體，在微波作用下，水蒸氣通過板式換熱器和抽濕風罩后，由抽氣泵抽走，實現(xiàn)海綿金干燥生產(chǎn)。

圖1 微波干燥海綿金生產(chǎn)試驗裝置示意圖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、導波介質、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：為嚴防微波向外泄漏，在進出料端、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、總容量45 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)試驗線各種負載提供電源與生產(chǎn)動力。

1.2.3 機械系統(tǒng)

機械動力系統(tǒng)包含：機架、進出料機構、鈦合金物料盤系統(tǒng)等三部分。

1）機架：由支撐機架、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）進出料機構：由進料軌道、料車、滑輪等組成，用于將含水海綿金送入微波加熱腔進行干燥；

3） 鈦合金物料盤系統(tǒng)：由四個鈦合金盤組成；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條總風管道、1臺離心風機及收塵器組成，用于將微波加熱干燥后脫除的的水份及時排出微波腔體，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粉塵進行回收；

2）冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一臺15 kW冷卻循環(huán)水機、進出水管道、水壓表、閘閥、支線管道、分水器、球閥、水流開關、匯水器等組成，分別用于冷卻磁控管、油浸變壓器箱，在確保設備不會應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)干燥設備檢測工具為普通電工儀表、風速儀、壓力計、干濕球溫度計等，檢測后的計算和分析也依靠人工完成，并通過諸如手動調(diào)節(jié)加熱器溫度和調(diào)整擋風板位置等措施得到所需干燥溫濕度[8]。許多干燥設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)驗來控制設備的運行，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、延時性大，導致控制系統(tǒng)精度不高，嚴重影響物料的干燥品質，而且還會延長干燥時間和增加能源消耗，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，自動調(diào)控微波功率與原料運行，實現(xiàn)智能化控制，以達到最佳生產(chǎn)效益。

全系統(tǒng)由1個主站中控制系統(tǒng)和1個實時在線監(jiān)控系統(tǒng)組成；微波干燥控制系統(tǒng)內(nèi)設有一套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個主站系統(tǒng)進行控制，全部安裝于微波腔體外側，且配有電流互感器、分路斷路器、交流接觸器、分組開關、電機斷路器等。

2.2.1 控制功能

為了實現(xiàn)自動操作控制時達到啟動方便的目的，在主控站操作員站上提供“一鍵啟動”微波干燥操作模式即“自動”操作功能。當選擇“一鍵啟動”操作時，需要先將所有的“自動/手動”轉換開關都處于“自動”位置上，點擊微波干燥的“啟動”按鈕后，自動操作控制系統(tǒng)便會按照預先設定的程序，依次開啟冷卻水泵→排濕風機→照明等。當所有排濕風機、腔內(nèi)照明、斷路器合閘信號和接觸器吸合信號等正常后，自動操作控制系統(tǒng)依次按照設定的間隔時間，開啟相應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需要，PLC系統(tǒng)設置了“手動”操作功能。在進行“手動”操作功能時，可以分別對各個控制回路進行“手動”單獨“啟動/停止”操作時。

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2.2.2 操作界面功能

在操作界面上，還單獨設置有微波指示燈、電源啟動按鈕、電源停止按鈕、報警指示、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；電源啟動按鈕與電源停止按鈕，用于微波設備電源的啟停；報警指示在當控制系統(tǒng)所控制的設備一旦出現(xiàn)故障時，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，此時蜂鳴器響起，待操作者確認；同時腔體的故障報警燈閃亮，提醒操作人員了解故障狀態(tài)后，及時檢修與維護，當維修處理好后，按下聲消除按鈕，蜂鳴聲消除；急停按鈕在微波設備某一環(huán)節(jié)發(fā)生故障時，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)，需要操作人員進行復位，并經(jīng)確認后，方能恢復正常工作。

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)

在進行海綿金微波干燥生產(chǎn)試驗時，由于原料水分減少因素影響和波動，有必要對微波干燥裝置的工藝控制參數(shù)進行適時調(diào)控，為方便對PLC控制系統(tǒng)的各類參數(shù)進行變更或重新設置，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)過變送器變送成標準信號后輸入模擬量輸入模塊，控制器可對信號是否在正常范圍內(nèi)進行判斷處理，判斷結果和磁控管的狀態(tài)可在管理層的觸摸屏上進行顯示。

每組8根磁控管分為每只磁控管電壓、功率實現(xiàn)單獨控制；磁控管的小組組合考慮三相平衡后間隔選?。幻恳唤M磁控管啟動時采取順序供電控制方式，間隔時間為5 s；當監(jiān)測到料管內(nèi)中間點的溫度高于或者低于正常值時，控制器通過模擬量輸出模塊輸出（4～20）mA的信號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)壓模塊對高壓變壓器的輸入電壓進行調(diào)節(jié)，以控制各小組磁控管的功率大小，當溫度進入正常范圍后，功率調(diào)節(jié)結束。

2.3.2 溫度監(jiān)測

爐腔內(nèi)1個：由1個紅外測溫儀檢測物料溫度信號，對海綿金進行在線檢測出溫度信號后，送入PLC控制系統(tǒng)作為工藝操作控制參數(shù)，以實現(xiàn)在線自動控制；并通過對正在行進中的海綿金的原料溫度進行實時檢測，并將檢測信號送達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，達到低溫清潔干燥效果；

由一個水流量/壓力開關實時對微波發(fā)生器冷卻液進行監(jiān)控，保障冷卻在個參數(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 加熱腔場強監(jiān)測

由一個場強檢測儀監(jiān)測腔體內(nèi)微波強度，對海綿金加熱脫水過程中，加熱腔內(nèi)進行在線檢測出場強信號后，送入PLC控制系統(tǒng)作為工藝操作控制參數(shù)，以實現(xiàn)在線自動控制；通過對腔體內(nèi)部的場強監(jiān)控，將控制腔體內(nèi)部場強密度控制在≤200 W/m2，用于調(diào)控微波輸出時間，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，專門設置了視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

視頻監(jiān)視器由1個視頻攝像頭、傳輸電纜、與顯示屏組成。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要用于對海綿金微波干燥腔內(nèi)的生產(chǎn)運行狀況及重點部位進行實時監(jiān)視，便于值班人員集中監(jiān)視、及時發(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)的應用

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

1）啟動微波之前認真檢查循環(huán)水是否已經(jīng)開啟，腔體內(nèi)是否已經(jīng)放入物料，腔體門是否關閉嚴實，查看觸摸屏中的報警畫面，是否存在報警信息，確認一切無誤后，才可以啟動微波；

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

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

4）按下柜門上的“啟動”按鈕，反應器將按照參數(shù)設置中設定的加熱曲線段參數(shù)自動運行，PID自動調(diào)節(jié)電壓輸出；

5）自動運行時，主界面中實時顯示當前加熱所處階段及當前階段剩余時間，并實時顯示當前電流、電壓、微波功率以及當前實時溫度。在此界面顯示設備的實時工藝數(shù)據(jù)，便于運行時觀察記錄；

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

7）停機時，關閉微波設備電源后，冷卻循環(huán)水繼續(xù)冷卻30 min后方可關閉。

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

表1 生產(chǎn)實際數(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，達到了生產(chǎn)運行穩(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、自動化程度高等特點[9]。

4 結語

經(jīng)過二年多的生產(chǎn)運行與調(diào)試，進一步完善了PLC系統(tǒng)的適應范圍，實現(xiàn)自動調(diào)控微波功率，達到智能化調(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：

1）通過開發(fā)PLC系統(tǒng)控制對設備的控制系統(tǒng)與監(jiān)測系統(tǒng)的反饋，及時控制調(diào)整微波功率，使微波在干燥海綿金水分的同時不會產(chǎn)生打火放電現(xiàn)象，實現(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，自動化程度高，達到低溫清潔環(huán)保脫水干燥的目的；

3）有利于提高企業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，實現(xiàn)海綿金干燥技術的升級換代，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‰。