0 引 言

為適應國內外鉬行業的發展，提高工藝裝備水平，2010 年某公司引進 2 台 12層多膛爐用於焙燒鉬精礦，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，且經濟技術指標優良［1］。整個多膛爐焙燒生產線采用PLC 及 DCS 的係統控製方式，多膛爐係統無論從鉬精礦原料加入、焙燒工藝控製，還是產品冷卻、物料破碎篩分以及到產品包裝都實現了精確化、自動化控製，生產線工藝裝備達到鉬行業領先水平。

1 問題的提出

80 年代末國內某公司多膛爐的加料係統是在料倉上放置有底座為鍾型的下料口料罐，鉬精礦通過料罐依靠打開鍾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，然後將物料輸送至爐膛，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，爐內出現嚴重斷料現象，其結果影響爐內氧化反應過程; ( 2) 底部為鍾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，易於使物料產生蓬料，出現加料極不均勻等不正常情況。由此使得多膛爐的加料不穩定、不連續，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 台 12 層多膛爐的加料係統進行嚴密的技術論證，結合現代 PLC 及 DCS 的係統控製技術手段，為多膛爐配備適合鉬精礦特性的、自動化程度高、計量準確、穩定可靠的原料供給失重秤係統裝備，極大地提高多膛爐的工藝控製水平，為確保爐況穩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 製定方案

2. 1 係統工藝

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，極其穩定的反應環境對工藝操作至關重要［2］。多膛爐的多層爐膛一方麵為氧化鉬焙燒提供相對穩定的焙燒環境，另一方麵當原料加入量，爐內負壓、反應溫度、空氣進氣量等工藝參數保持相對穩定時，焙燒過程實現物料及熱量平衡即可保持相對平衡，產品質量的穩定可靠就得到相應的保證。金鉬股份 2 台多膛爐的原料供應，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定，波動較小。這時 2 台多膛爐生產過程中原料加入量的準確控製、穩定加入顯得尤為重要。因此設計並選擇一套適合鉬精礦特性的、自動化程度高、計量準確、穩定可靠的原料供給失重秤將成為多膛爐加料係統控製的一個重要生產環節。

2. 2 基本介紹

失重秤是一種原料給定設施，運用動態控製技術，搭載動態稱重控製器，通過實時調節螺杆、振動給料機、泵等各種執行機構的運行速度來控製給料K8凯发登录入口，又稱為恒K8凯发登录入口給料器，廣泛運用於橡塑、環保、化工、食品、鋼鐵有色等行業的連續給料生產線上，失重秤給料係統的問世，不僅可以提高給料的準確性、穩定性及可靠性，並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，為企業創造更多的經濟效益與社會效益，徹底顛覆了傳統的手工配料模式，在配料發展史上具有深遠的裏程碑意義［3］物料屬性。
2. 3 物料屬性

物料名稱 物料堆積比重/( g·cm － 3 ) 物料尺寸 物料特性 物料含水 給料能力範圍/( kg·h － 1 ) 控製精度鉬精礦 ≈1. 3 ≤200 目 顆粒狀，自由流動性差。 ≤5% 1 500 ～ 2 700，正常 2 400 ≤1%

2. 4 工作環境

安裝位置: 室內; 溫度範圍: － 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

典型的失重秤係統主要由稱重料倉、驅動及給料裝置、稱重傳感器、補料閥、驅動控製器、控製模塊、組態模塊( 選配) 和操作麵板( 選配) 等組成 ［4］。

在本係統中，根據原料的特性及金鉬股份多膛爐的生產係統實際情況，係統不配備料倉及補料閥，係統設計從稱重料倉開始。原料經過上遊的鉬精礦預處理係統烘幹處理，使得鉬精礦水分含量小於5% ，後經刮板輸送機、鬥式提升機等輸送設備輸送到失重秤係統。

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。稱重料倉用於裝載鉬精礦，金鉬股份多膛爐係統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。故料倉在製作過程中，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°。為防止鏽蝕，倉體選用 8 ～ 10 mm 厚的不鏽鋼板焊接做成，內表麵鏡麵拋光處理，上麵用軟連接與上遊補料設備的管道相接，下麵連接出料裝置。

3. 2 驅動及出料裝置

驅動及出料裝置用於原料的準確輸出、連接稱重料倉及下遊設備。由於要配套大尺寸下料口，故本項目采用大口徑雙螺杆螺旋輸送機，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、螺旋軸直徑等參數等需經過嚴格計算，確保螺旋輸送機最大輸送能力控製在( 2. 3 ～ 3 ± 0. 1) m3 /h。正確的輸送率範圍，一般實際工作範圍為額定輸送量的 60% ～ 75% 最佳。采用交流調速，對應變頻率為 35 ～ 45 Hz 最佳。這樣才能保證調節範圍寬，係統運行穩定，在輸送率過低時，係統穩定性差。雙螺旋輸送機與下遊設備的連接必須使用軟連接。

3. 3 稱重傳感器

稱重傳感器用於檢測料倉內物料的重量。本項目選用稱量精度為 500 g 及最大稱量範圍為 9 000kg 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) 係列稱重模塊: ①稱重傳感器獲得荷蘭頒發的 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) ，可以消除料鬥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 驅動控製器

驅動控製器用於控製驅動的給料速度，根據驅動要求，選用 ABB 係列變頻器作為驅動設備。

3. 5 控製模塊

控製模塊用於控製失重秤的運行，失重秤使用的控製模塊是一款由 Mettler － Toledo 研發團隊開發的高效K8凯发登录入口控製專用儀表。其特點如下: 樹狀菜單，操作簡單; 高效的 PID 控製算法; 專用的 MELSI 稱重型號處理芯片; TraxDSPTM 專利動態數字濾波技術; SmartControl 自K8凯发大酒店天生赢家功能，係統自適應調整技術;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、K8凯发登录入口、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 控製係統設計

4. 1 PLC 原理分析

PLC 是以微處理技術為核心，綜合了自動控製技術、計算機技術和通訊技術的一種新型工業控製裝置。具有可靠性強、抗幹擾能力強和使用方便等特點，廣泛應用於工業領域［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，存儲器主要用於存放用戶數據和工作數據，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，擴展接口用於擴展模塊與基本單元相連。PLC 內部以循環掃描的形式執行內部程序，當PLC 開始工作時，CPU 按照存儲器內部的用戶數據作周期性循環掃描工作。每次掃描過程中不僅要執行用戶程序，按照程序要求做邏輯、算數運算，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、程序執行和輸出刷新 3 個主要階段。

4. 2 主控 PLC 設計

根據失重秤控製係統的功能需求和選型原則，選用西門子係列的 PLC 模塊作為平台的核心信息處理設備。經過初步計算，PLC 需要數字量輸入通道 8 路，數字量輸出通道 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，實現與多膛爐 DCS 控製係統的通訊。控製模塊實現給料過程的 PID 控製，通過端口與 PLC 之間進行數字量和模擬量的輸入/輸 出通訊。係統在現場需實現的功能: 啟動/停止、遠程/就地切換、手動清倉、給料K8凯发登录入口設定，高低料位報警、補料設備啟動/停止、緊急停止等。遠程( DCS) 實現需實現的功能: 啟動/停止控製、遠程給料K8凯发登录入口設定、實時給料K8凯发登录入口反饋、倉內物料重量顯示、故障報警等。以實現係統的遠程控製、數據修改、數據監控以及狀態監控等。

4. 3 控製係統工作原理

原料供給多膛爐時的加料量的稱量主要依靠失重秤係統來確定。失重秤在給料過程中稱重傳感器對失重秤係統( 稱重料倉、輸送機和散裝物料) 不間斷地進行稱量，並將數據實時傳輸到失重秤控製儀表，控製係統按每個單位時間( 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K8凯发登录入口，得出可以作為控製對象的“實際K8凯发登录入口”，實際( 測量) 的K8凯发登录入口與設定的K8凯发登录入口之間存在的差異，係統通過 PID 反饋算法，進行逼近目標K8凯发登录入口的控製運算，並輸出調節信號控製變頻器進而控製螺旋的轉速，實現出料量的變化，儀表係統能夠不斷自動調節給料速度，從而在沒有過程滯後的情況下保持精確的給料量 。當測量的重量達到料倉低料位時，控製器將給料係統按容積給料進行控製，然後料倉快速重新裝料，失重控製器加料期間采用容積計量法工作。

4. 4 典型失重秤工作流程

( 1) 檢查並確保生產線上所有設備可正常運行，設置失重秤相關參數; ( 2) 開啟失重秤上遊補料設備，給失重秤補料至高料位 ; ( 3) 啟動失重秤，失重秤開始給料，通過控製器內 PID 閉環算法，給料K8凯发登录入口迅速達到設置的值並在短時間內穩定;( 4) 失重秤料倉內物料至補料下限，控製器發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)失重秤恢複 PID 閉環算法，按照設置的K8凯发登录入口值給料;( 7) 重複第 5 步至第 7 步……在失重秤運行過程中，可以改變給料K8凯发登录入口值( 需保證在失重秤可以滿足的K8凯发登录入口範圍內) ，係統會快速跟隨至新的K8凯发登录入口點並快速穩定。

4. 5 應用數據采集

經過實際測試，4 台失重秤給料量控製精確，線性關係極其穩定，設備運行平穩，功能齊全，實現預期目標。目前 4 台失重秤已經運行了 6 年，給料量控製準確，係統控製靈活、穩定、可靠，自動化程度較高，確保了金鉬股份 2 台多膛爐的平穩運行。

5 結 論

( 1) 經過金鉬股份 2 台多膛爐的實際運行情況來看，基於 PLC 與 PID 控製的失重秤有效地解決了鉬精礦入爐量的精確、穩定控製問題，確保了爐內反應氣氛的穩定。( 2) 鑒於該形式失重秤的 PLC 控製係統使配料係統給料量控製準確，係統控製靈活、穩定、可靠，金鉬股份進一步利用失重秤的精確控製原理，自主開發研製應用於多膛爐預處理配料係統，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係統也得以應用，均取得了較好的運行效果。

參考文獻

［1］ 康向文，尹孝剛，沈明科，等． 多膛爐低溫焙燒節能降耗技術研究［J］． 中國鉬業，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． 現代電氣控製及 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: 機械工業出版社，北京: 2016

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