具有PLC控制的失重秤在多膛爐加料系統(tǒng)的應用研究

李渭軍，烏紅緒，李衛(wèi)昌

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西 華縣 714101)

具有PLC控制的失重秤在多膛爐加料系統(tǒng)的應用研究

李渭軍，烏紅緒，李衛(wèi)昌

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西 華縣 714101)

多膛爐焙燒鉬精礦生產需要有一個穩(wěn)定、準確的鉬精礦原料加料系統(tǒng)，其目的是確保爐內焙燒反應氣氛穩(wěn)定。本文通過對多膛爐加料系統(tǒng)設備及其控制分析，設計并確定在多膛爐加料系統(tǒng)使用具有PLC控制功能的失重稱，采用PID控制算法，進而使失重秤系統(tǒng)與多膛爐上位機實現(xiàn)實時通訊和給料系統(tǒng)的自動控制，從而確保多膛爐焙燒生產穩(wěn)定運行和產品質量優(yōu)良。

多膛爐加料；失重稱；PID控制；PLC控制

0 引 言

為適應國內外鉬行業(yè)的發(fā)展，提高工藝裝備水平，2010年金堆城鉬業(yè)股份有限公司引進2臺12層多膛爐用于焙燒鉬精礦，多年來通過工藝摸索和不斷改進，產品各項質量指標均達到標準要求，且經(jīng)濟技術指標優(yōu)良[1]。整個多膛爐焙燒生產線采用PLC及DCS的系統(tǒng)控制方式，多膛爐系統(tǒng)無論從鉬精礦原料加入、焙燒工藝控制，還是產品冷卻、物料破碎篩分以及到產品包裝都實現(xiàn)了精確化、自動化控制，生產線工藝裝備達到鉬行業(yè)領先水平。

1 問題的提出

80年代末國內鉬業(yè)公司多膛爐的加料系統(tǒng)是在料倉上放置有底座為鐘型的下料口料罐，鉬精礦通過料罐依靠打開鐘型底部料口使物料落入至與多膛爐第1層安裝的螺旋給料機內，然后將物料輸送至爐膛，它存在以下問題：(1)鉬精礦因水油成分含量較高而結塊使螺旋給料機堵塞空轉，爐內出現(xiàn)嚴重斷料現(xiàn)象，其結果影響爐內氧化反應過程；(2)底部為鐘型的料罐存放鉬精礦雖則是按每袋投料設定，但料罐加料時常常殘存留的鉬精礦無準確的計量稱量手段，造成加入爐內的鉬精礦計量不能精確；(3)加料料倉錐角小，易于使物料產生蓬料，出現(xiàn)加料極不均勻等不正常情況。由此使得多膛爐的加料不穩(wěn)定、不連續(xù)，導致爐況惡化，對焙燒鉬精礦生產操作造成了嚴重影響。為攻克這一技術難題，金鉬股份技術人員對引進的2臺12層多膛爐的加料系統(tǒng)進行嚴密的技術論證，結合現(xiàn)代PLC及DCS的系統(tǒng)控制技術手段，為多膛爐配備適合鉬精礦特性的、自動化程度高、計量準確、穩(wěn)定可靠的原料供給失重秤系統(tǒng)裝備，極大地提高多膛爐的工藝控制水平，為確保爐況穩(wěn)定和提高了多膛爐一次出爐合格率指標奠定了堅實的基礎。

2 制定方案

2.1 系統(tǒng)工藝

焙燒鉬精礦的生產過程從機理上來說是一個氧化反應過程，極其穩(wěn)定的反應環(huán)境對工藝操作至關重要[2]。多膛爐的多層爐膛一方面為氧化鉬焙燒提供相對穩(wěn)定的焙燒環(huán)境，另一方面當原料加入量，爐內負壓、反應溫度、空氣進氣量等工藝參數(shù)保持相對穩(wěn)定時，焙燒過程實現(xiàn)物料及熱量平衡即可保持相對平衡，產品質量的穩(wěn)定可靠就得到相應的保證。

金鉬股份2臺多膛爐的原料供應，主要原料除公司自產鉬精礦外，其中少部分為外購鉬精礦，鉬精礦原料的品位、含雜成分一般較為穩(wěn)定，波動較小。這時2臺多膛爐生產過程中原料加入量的準確控制、穩(wěn)定加入顯得尤為重要。因此設計并選擇一套適合鉬精礦特性的、自動化程度高、計量準確、穩(wěn)定可靠的原料供給失重秤將成為多膛爐加料系統(tǒng)控制的一個重要生產環(huán)節(jié)。

2.2 基本介紹

失重秤是一種原料給定設施，運用動態(tài)控制技術，搭載動態(tài)稱重控制器，通過實時調節(jié)螺桿、振動給料機、泵等各種執(zhí)行機構的運行速度來控制給料流量，又稱為恒流量給料器，廣泛運用于橡塑、環(huán)保、化工、食品、鋼鐵有色等行業(yè)的連續(xù)給料生產線上，失重秤給料系統(tǒng)的問世，不僅可以提高給料的準確性、穩(wěn)定性及可靠性，并且能夠大幅度提升工廠的運營效率，減輕操作工人的勞動強度，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益與社會效益，徹底顛覆了傳統(tǒng)的手工配料模式，在配料發(fā)展史上具有深遠的里程碑意義[3]物料屬性見表1。

2.3 物料屬性

表1 物料屬性表

2.4 工作環(huán)境

安裝位置：室內；溫度范圍：-10～40 ℃；相對濕度：<95%(無凝露)；電源：三相380 V(+10%～-15%) 50 Hz

2.5 失重秤組成、各部件簡介

典型的失重秤系統(tǒng)主要由稱重料倉、驅動及給料裝置、稱重傳感器、補料閥、驅動控制器、控制模塊、組態(tài)模塊(選配)和操作面板(選配)等組成(見圖1)[4]。

圖1 失重秤整體布置示意圖

在本系統(tǒng)中，根據(jù)原料的特性及金鉬股份多膛爐的生產系統(tǒng)實際情況，系統(tǒng)不配備料倉及補料閥，系統(tǒng)設計從稱重料倉開始。原料經(jīng)過上游的鉬精礦預處理系統(tǒng)烘干處理，使得鉬精礦水分含量小于5%，后經(jīng)刮板輸送機、斗式提升機等輸送設備輸送到失重秤系統(tǒng)。

3 設備選型及組成

3.1 稱重料倉

稱重料倉的結構、下料口的尺寸特別關鍵。稱重料倉用于裝載鉬精礦，金鉬股份多膛爐系統(tǒng)設計鉬精礦入爐水分含量為5%以下，鉬精礦自身的流動性較差，容易粘結，如果料倉在下料口尺寸和錐度較小，下料過程物料容易搭橋，物料將存在下料困難。故料倉在制作過程中，下料口的尺寸要盡可能的大，鉬精礦就能依靠自身的重力自由下滑。本項目料倉采用天圓地方的結構形式，料倉容積15 m3，下料口為600～700×1 500～1 600 mm的大尺寸下料口，料倉錐度為65°～75°。為防止銹蝕，倉體選用8～10 mm厚的不銹鋼板焊接做成，內表面鏡面拋光處理，上面用軟連接與上游補料設備的管道相接，下面連接出料裝置。

3.2 驅動及出料裝置

驅動及出料裝置用于原料的準確輸出、連接稱重料倉及下游設備。由于要配套大尺寸下料口，故本項目采用大口徑雙螺桿螺旋輸送機，配套變頻電動機及合適速比的減速機，雙螺旋的螺距、葉片直徑、螺旋軸直徑等參數(shù)等需經(jīng)過嚴格計算，確保螺旋輸送機最大輸送能力控制在(2.3～3±0.1)m3/h。

正確的輸送率范圍，一般實際工作范圍為額定輸送量的60%～75%最佳。采用交流調速，對應變頻率為35～45 Hz最佳。這樣才能保證調節(jié)范圍寬，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在輸送率過低時，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。

雙螺旋輸送機與下游設備的連接必須使用軟連接。

3.3 稱重傳感器

稱重傳感器用于檢測料倉內物料的重量。本項目選用稱量精度為500 g及最大稱量范圍為9 000 kg的FW(C)稱重模塊作為稱重傳感器，料倉配置3塊稱重傳感器。該種傳感器特點如下：

FW(C)系列稱重模塊：①稱重傳感器獲得荷蘭頒發(fā)的OIML R60 C3證書；②滿足NTEP10000ⅢL要求；③3種頂板結構(固定式、半浮動式、浮動式)，可以消除料斗因熱脹冷縮帶來的稱量誤差；安裝、更換快速簡單，維護方便。

3.4 驅動控制器

驅動控制器用于控制驅動的給料速度，根據(jù)驅動要求，選用ABB系列變頻器作為驅動設備。

3.5 控制模塊

控制模塊用于控制失重秤的運行，失重秤使用的控制模塊是一款由Mettler-Toledo研發(fā)團隊開發(fā)的高效流量控制專用儀表。其特點如下：樹狀菜單，操作簡單；高效的PID控制算法；專用的MELSI稱重型號處理芯片；TraxDSPTM專利動態(tài)數(shù)字濾波技術；SmartControl自學習功能，系統(tǒng)自適應調整技術；VibraPRO防振動濾波技術；高速A/D轉化率，366次/s；豐富的輸入輸出及報警功能；豐富的信息顯示：當前重量、流量、電機運行頻率、累計量等；多種通訊接口：模擬量輸入輸出等。

4 PLC控制系統(tǒng)設計

4.1 PLC原理分析

PLC是以微處理技術為核心，綜合了自動控制技術、計算機技術和通訊技術的一種新型工業(yè)控制裝置。具有可靠性強、抗干擾能力強和使用方便等特點，廣泛應用于工業(yè)領域[5]。

主控PLC主要由中央處理器、電源、存貯器、輸入/輸出接口電路、外接接口和I/O擴展接口組成。其中，中央處理器(CPU)是PLC工作的核心，存儲器主要用于存放用戶數(shù)據(jù)和工作數(shù)據(jù)，輸入/輸出接口電路是PLC與外圍設備相連接的部件，負責將輸入輸出信號轉換為CPU可處理的信號，擴展接口用于擴展模塊與基本單元相連。

PLC內部以循環(huán)掃描的形式執(zhí)行內部程序，當PLC開始工作時，CPU按照存儲器內部的用戶數(shù)據(jù)作周期性循環(huán)掃描工作。每次掃描過程中不僅要執(zhí)行用戶程序，按照程序要求做邏輯、算數(shù)運算，而且還要完成對輸入信號的量化采樣和對輸出信號的刷新。每個掃描周期可分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新3個主要階段。

4.2 主控PLC設計

根據(jù)失重秤控制系統(tǒng)的功能需求和選型原則，選用西門子系列的PLC模塊作為平臺的核心信息處理設備。經(jīng)過初步計算， PLC需要數(shù)字量輸入通道8路，數(shù)字量輸出通道7路，模擬量輸入通道3路，模擬量輸出通道2路。采用CPU為數(shù)字量4輸入/4輸出模塊，采用智能擴展模塊PLC連接至PROFIBUS-DP總線，實現(xiàn)與多膛爐DCS控制系統(tǒng)的通訊。

控制模塊實現(xiàn)給料過程的PID控制，通過端口與PLC之間進行數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出通訊。

系統(tǒng)在現(xiàn)場需實現(xiàn)的功能：啟動/停止、遠程/就地切換、手動清倉、給料流量設定，高低料位報警、補料設備啟動/停止、緊急停止等。

遠程(DCS)實現(xiàn)需實現(xiàn)的功能：啟動/停止控制、遠程給料流量設定、實時給料流量反饋、倉內物料重量顯示、故障報警等。以實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程控制、數(shù)據(jù)修改、數(shù)據(jù)監(jiān)控以及狀態(tài)監(jiān)控等。

4.3 控制系統(tǒng)工作原理

原料供給多膛爐時的加料量的稱量主要依靠失重秤系統(tǒng)來確定。失重秤在給料過程中稱重傳感器對失重秤系統(tǒng)(稱重料倉、輸送機和散裝物料)不間斷地進行稱量，并將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)绞е爻涌刂苾x表，控制系統(tǒng)按每個單位時間(dG/dT)測量的“失重”與所需給料量(預設值)進行比較，計算出重量在單位時間的變化比率作為瞬時流量，得出可以作為控制對象的“實際流量”,實際(測量)的流量與設定的流量之間存在的差異,系統(tǒng)通過PID反饋算法，進行逼近目標流量的控制運算，并輸出調節(jié)信號控制變頻器進而控制螺旋的轉速，實現(xiàn)出料量的變化，儀表系統(tǒng)能夠不斷自動調節(jié)給料速度，從而在沒有過程滯后的情況下保持精確的給料量(見圖2)。

當測量的重量達到料倉低料位時，控制器將給料系統(tǒng)按容積給料進行控制，然后料倉快速重新裝料，失重控制器加料期間采用容積計量法工作。

圖2 現(xiàn)場系統(tǒng)控制圖

4.4 典型失重秤工作流程

(1)檢查并確保生產線上所有設備可正常運行，設置失重秤相關參數(shù)；(2)開啟失重秤上游補料設備，給失重秤補料至高料位(見圖3)；(3)啟動失重秤，失重秤開始給料，通過控制器內PID閉環(huán)算法，給料流量迅速達到設置的值并在短時間內穩(wěn)定；(4)失重秤料倉內物料至補料下限，控制器發(fā)送補料信號給補料閥，同時失重秤給料按照某一固定頻率給料(補料模式可以設置)；(5)補料設備開啟，快速將失重秤料倉補料至高料位，補料設備關閉；(6)失重秤恢復PID閉環(huán)算法，按照設置的流量值給料；(7)重復第5步至第7步……

在失重秤運行過程中，可以改變給料流量值(需保證在失重秤可以滿足的流量范圍內)，系統(tǒng)會快速跟隨至新的流量點并快速穩(wěn)定。

4.5 應用數(shù)據(jù)采集

多膛爐4臺失重秤應用過程數(shù)據(jù)采集表見表2。

圖3 典型失重秤工作流程示意圖

設備編號設定流量/(kg·h-1)實際流量/(kg·h-1)運行時間/min計算下料量/kg實際下料量/kg運行頻率/Hz偏差/%(實際/設定-1)11800178512036003570292-0832215021641204300432536106932200218512044004370364-068425002522120500050455423091

經(jīng)過實際測試，4臺失重秤給料量控制精確，線性關系極其穩(wěn)定，設備運行平穩(wěn)，功能齊全，實現(xiàn)預期目標。目前4臺失重秤已經(jīng)運行了6年，給料量控制準確，系統(tǒng)控制靈活、穩(wěn)定、可靠，自動化程度較高，確保了金鉬股份2臺多膛爐的平穩(wěn)運行。

5 結 論

(1)經(jīng)過金鉬股份2臺多膛爐的實際運行情況來看，基于PLC與PID控制的失重秤有效地解決了鉬精礦入爐量的精確、穩(wěn)定控制問題，確保了爐內反應氣氛的穩(wěn)定。

(2)鑒于該形式失重秤的PLC控制系統(tǒng)使配料系統(tǒng)給料量控制準確，系統(tǒng)控制靈活、穩(wěn)定、可靠，金鉬股份進一步利用失重秤的精確控制原理，自主開

發(fā)研制應用于多膛爐預處理配料系統(tǒng)，確保了多種鉬精礦在配料過程中的準確化、自動化。同時，該種失重秤的原理在金鉬股份回轉窯加料系統(tǒng)也得以應用，均取得了較好的運行效果。

[1] 康向文，尹孝剛，沈明科，等.多膛爐低溫焙燒節(jié)能降耗技術研究[J].中國鉬業(yè),2013，37(5)：33-34.

[2] 向鐵根.鉬冶金[M].長沙：中南大學出版社，2009：43-44.

[3] 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[4] 梁海軍.失重秤在工業(yè)生產中的應用[J].科技傳播,2011(上)：166-167.

[5] 廖常初.PLC編程及應用(第4版)[M].北京：機械工業(yè)出版社,北京：2016.

APPLICATIONOFLOSS-IN-WEIGHTBALANCEWITHPLCCONTROLINFEEDINGSYSTEMOFMULTI-HEARTHFURNACE

LI Wei-Jun，WU Hong-xu, LI Wei-Chang

(Jinduicheng Molybdenum Co，Ltd, Huaxian 714101，Shaanxi，China)

The process of roasting molybdenum concentrates with multi - hearth Furnace needs a stable and accurate feeding system to make sure a relatively stable atmosphere of roasting reaction in furnace.Through analyzing the feeding equipment and control methods, the loss-in-weight balance for feeding system with PLC control function was designed and determined by using PID control algorithm.Balance system and multi-hearth furnace have a real-time communication to achieve automatic control of feeding .It can ensure the stable operation of furnace and product quality.

multi-hearth furnace feeding； loss-in-weight balance； PID control； PLC control

TF841.2

A

1006-2602(2017)05-0036-04

2017-04-20；

2017-06-12

李渭軍(1979—)，男，工程師，主要從事電氣技術、鉬冶金技術管理。E-mail:sky63@163.com

10.13384/j.cnki.cmi.1006-2602.2017.05.008