鄭 忻，胡國(guó)軍

（1.江西銅業(yè)集團(tuán)公司 貴溪冶煉廠，江西貴溪 335424；2.中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

在閃速冶煉過程中，失重給料系統(tǒng)主要用于對(duì)銅精礦的連續(xù)精準(zhǔn)輸送。干燥好的銅精礦經(jīng)失重給料系統(tǒng)直接輸送到閃速爐反應(yīng)塔內(nèi)與工藝風(fēng)混合反應(yīng)，生成冰銅與渣，從而完成銅精礦的熔煉過程。江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠一系統(tǒng)閃速爐使用的失重給料系統(tǒng)于2001 年年度大修期間改造完成，其系統(tǒng)核心控制器使用已長(zhǎng)達(dá)19 年，存在版本老舊、備件供應(yīng)渠道單一、備件價(jià)格昂貴(型號(hào)已非最新量產(chǎn)型)、備件采購周期長(zhǎng)等諸多問題[1]。國(guó)外集成商針對(duì)此問題給出的更新方案是仍采用專用控制器，沒有徹底解決備件供應(yīng)的問題，且控制方案為內(nèi)部集成方案，靈活度極低，已難以滿足工廠高產(chǎn)能對(duì)穩(wěn)定性提出的更高要求。因此，有必要研究開發(fā)一種技術(shù)先進(jìn)、基于通用控制器（如PLC）的銅精礦失重計(jì)量控制裝置，取代現(xiàn)有的控制器，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性，確保閃速爐長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定運(yùn)行[2]。本文簡(jiǎn)述了一種替代原有進(jìn)口系統(tǒng)控制部分的失重給料控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。

1 失重給料系統(tǒng)工作原理

失重秤是一種間斷給料、連續(xù)出料的稱重設(shè)備，是一種能對(duì)質(zhì)量、流量進(jìn)行連續(xù)測(cè)量的控制裝置，在冶金、礦山、化工、水泥等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[3]。失重給料系統(tǒng)過程可分為兩個(gè)階段:1）加料階段。當(dāng)計(jì)量倉內(nèi)的物料質(zhì)量低于設(shè)定的下限值時(shí)，則進(jìn)入加料階段。此時(shí)計(jì)量倉頂部的加料閥打開，物料在重力作用下進(jìn)入計(jì)量倉，同時(shí)與布袋連通的排氣閥打開以釋放計(jì)量倉內(nèi)因物料體積增加而升高的壓力。在此階段中螺旋給料機(jī)的轉(zhuǎn)速保持恒定。2）排料階段。當(dāng)計(jì)量倉內(nèi)的物料質(zhì)量高于設(shè)定的上限值時(shí)，加料閥關(guān)閉，螺旋轉(zhuǎn)速解除鎖定并交由控制器控制。通過持續(xù)控制下部給料螺旋轉(zhuǎn)速，控制單位時(shí)間內(nèi)排出精礦的流量，從而達(dá)到穩(wěn)定給料的目的[4]。由于計(jì)量倉內(nèi)物料體積持續(xù)減少而產(chǎn)生的負(fù)壓由此時(shí)打開的吸氣閥吸入空氣來平衡。兩個(gè)階段交替重復(fù)，完成連續(xù)給料的過程。 失重控制過程見圖1。

圖1 失重控制過程示意

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

經(jīng)過近年來國(guó)內(nèi)一些設(shè)備制造商對(duì)失重計(jì)量稱重技術(shù)的深入研究，絕大多數(shù)失重給料系統(tǒng)的集成廠商采用失重控制儀表處理核心算法并控制螺旋轉(zhuǎn)速、PLC 控制輔助設(shè)備的整合方式[5]。但如果采用這種方式，核心技術(shù)仍然掌握在失重控制儀表廠家手中，在不滿足控制穩(wěn)定性要求的情況下，冶煉廠無法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。因此，此次研發(fā)的重點(diǎn)是在設(shè)計(jì)上將系統(tǒng)的基本組件定為PLC 控制，設(shè)備均采用市面上成熟、通用的產(chǎn)品；且所有算法及控制都通過PLC來實(shí)現(xiàn)。其優(yōu)點(diǎn)是：相比動(dòng)輒數(shù)十萬的設(shè)備費(fèi)用，通用設(shè)備的預(yù)算更加公開透明；而通過PLC 來實(shí)現(xiàn)算法及控制，能使冶煉廠結(jié)合自身維護(hù)失重給料系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)實(shí)際使用過程中遇到的不同情況進(jìn)行優(yōu)化控制。

為提高關(guān)鍵設(shè)備可靠性，保障關(guān)鍵設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行，此次貴溪冶煉廠自主進(jìn)行的失重給料系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)突破性地采用了“冗余稱重信號(hào)轉(zhuǎn)換器+冗余PLC 控制器+冗余電源”的配置，避免了單一硬件故障而導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)，確保了系統(tǒng)的高可靠性。 集成商提供方案與自主設(shè)計(jì)方案對(duì)比見圖2。

3 控制方案及算法

由失重給料的系統(tǒng)工作原理可知，其控制主要分為兩個(gè)部分，一部分為螺旋給料機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，一部分為加料閥、呼氣閥、吸氣閥等閥門的控制。

圖2 方案對(duì)比

3.1 轉(zhuǎn)速控制

螺旋給料轉(zhuǎn)速控制涉及瞬時(shí)給料量的算法，這是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，也是給料量穩(wěn)定性的重要保障。如果采用失重控制儀表來計(jì)算瞬時(shí)給料量，與原進(jìn)口成套系統(tǒng)一樣需要依賴儀表廠家，核心控制程序無法查看，大部分控制參數(shù)無法在線修改，因此本系統(tǒng)中采用PLC 完成所有控制方案及算法。

瞬時(shí)給料量M 的算法見式（1）：

式中：m1為計(jì)量倉內(nèi)當(dāng)前物料質(zhì)量；m0為在之前某一時(shí)刻計(jì)量倉內(nèi)物料質(zhì)量；Δt 為m1與m0取值的時(shí)間間隔。

在給料過程中稱重傳感器對(duì)失重倉不間斷地進(jìn)行稱量，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂破鳎⒚總€(gè)單位時(shí)間內(nèi)的瞬時(shí)給料量與設(shè)定值進(jìn)行比較[6]。

加料期內(nèi)，m1-m0為負(fù)值，無法正確反應(yīng)出一定時(shí)間間隔內(nèi)物料的質(zhì)量損失，因此在加料期內(nèi)計(jì)算停止，螺旋轉(zhuǎn)速控制固定在進(jìn)入加料期的瞬間。當(dāng)進(jìn)入排料期后，計(jì)算恢復(fù)，螺旋轉(zhuǎn)速也恢復(fù)正?？刂啤Ｋ月菪D(zhuǎn)速的控制實(shí)質(zhì)上是一個(gè)間歇性的閉環(huán)控制，系統(tǒng)中使用工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的PID（比例—積分—微分）控制塊來實(shí)現(xiàn)，在PLC 中組態(tài)實(shí)現(xiàn)排料期內(nèi)PID 控制塊的啟用與加料期PID 控制塊的停用即可。

由于稱重傳感器的靈敏度較高，現(xiàn)場(chǎng)受震動(dòng)、物料特性變化、信號(hào)干擾等諸多環(huán)境因素的影響，直接計(jì)算得出的瞬時(shí)給料量波動(dòng)很大，不宜直接用于PID 控制。因此本系統(tǒng)采用了加權(quán)遞推均值濾波的方法對(duì)計(jì)算值進(jìn)行處理，弱化干擾所帶來的影響，對(duì)于穩(wěn)定控制螺旋轉(zhuǎn)速起到了積極的作用。

3.2 設(shè)備控制

設(shè)備控制動(dòng)作條件單一，與通斷閥控制料位的邏輯相似，無需做過多的信號(hào)處理，故系統(tǒng)中用簡(jiǎn)單的SR（復(fù)位優(yōu)先型SR 雙穩(wěn)態(tài)）觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。再由組態(tài)SR 觸發(fā)器輸出的設(shè)備控制中間線圈來驅(qū)動(dòng)其它設(shè)備的動(dòng)作以及螺旋轉(zhuǎn)速控制PID 的啟停。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用

為測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量，搭建了1 套簡(jiǎn)易的失重計(jì)量裝置，包含計(jì)量倉、計(jì)量倉支架、計(jì)量倉拉桿、稱重傳感器、傳感器拉桿、進(jìn)料閥、出料閥等設(shè)備。裝置采用2 個(gè)懸掛式稱重傳感器，將計(jì)量倉及其中的物料質(zhì)量懸掛于傳感器上。稱重傳感器感應(yīng)到的質(zhì)量隨計(jì)量倉內(nèi)物料不斷減少而減少，通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)傳感器感應(yīng)到的質(zhì)量損失的數(shù)值即可得出對(duì)應(yīng)的物料流量。在物料進(jìn)行連續(xù)輸送時(shí)，失重計(jì)量裝置能夠滿足其連續(xù)測(cè)量及高測(cè)量精度的雙重要求。失重計(jì)量實(shí)驗(yàn)裝置見圖3。

圖3 失重計(jì)量實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)裝置針對(duì)基礎(chǔ)失重給料控制系統(tǒng)進(jìn)行了7×24 h 不間斷運(yùn)行測(cè)試，以及模擬現(xiàn)場(chǎng)震動(dòng)抗干擾性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明控制系統(tǒng)完全能滿足上線使用需求。

江銅集團(tuán)貴溪冶煉廠一系統(tǒng)閃速爐利用2019年渣直排改造的機(jī)會(huì)，在不改變現(xiàn)有失重秤現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械部件、裝備結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將原有進(jìn)口專用控制器成功替換為上述自主研發(fā)的失重給料控制系統(tǒng)，完成了失重給料系統(tǒng)大腦的整體替換。上線后的失重給料控制系統(tǒng)集成了與DCS 系統(tǒng)的通訊功能，使工藝人員在DCS 操作界面上能夠直接對(duì)失重給料控制系統(tǒng)中與工藝相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行修改和調(diào)整。替換前后給料量趨勢(shì)對(duì)比見圖4。

圖4 替換前后給料量趨勢(shì)對(duì)比

改造后的系統(tǒng)進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)開放性和控制的穩(wěn)定性，而系統(tǒng)中關(guān)鍵硬件的冗余配置也提升了系統(tǒng)的可靠性，大幅降低了由于控制系統(tǒng)因素對(duì)閃速爐投料量及爐況的影響，運(yùn)行至今尚未出現(xiàn)過因控制系統(tǒng)原因?qū)е碌耐＼囀鹿?。降低了系統(tǒng)后續(xù)備件成本，便于合理安排檢修計(jì)劃，有效地提高了閃速爐作業(yè)的穩(wěn)定性，具有很好的推廣使用價(jià)值。

5 結(jié)論

失重給料系統(tǒng)是生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行是否穩(wěn)定直接關(guān)系到產(chǎn)品品質(zhì)的好壞，高可靠性、開放性的控制系統(tǒng)是提高失重給料系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要保障。自主研發(fā)的失重給料控制系統(tǒng)的成功上線應(yīng)用，摘掉了貴冶失重給料控制系統(tǒng)依賴進(jìn)口的帽子，給失重給料控制領(lǐng)域帶來了貴冶方案。