具有PLC控制的失重秤在多膛炉加料系统的应用研究

李渭军，乌红绪，李卫昌

(金堆城钼业股份有限公司，陕西 华县 714101)

具有PLC控制的失重秤在多膛炉加料系统的应用研究

李渭军，乌红绪，李卫昌

(金堆城钼业股份有限公司，陕西 华县 714101)

多膛炉焙烧钼精矿生产需要有一个稳定、准确的钼精矿原料加料系统，其目的是确保炉内焙烧反应气氛稳定。本文通过对多膛炉加料系统设备及其控制分析，设计并确定在多膛炉加料系统使用具有PLC控制功能的失重称，采用PID控制算法，进而使失重秤系统与多膛炉上位机实现实时通讯和给料系统的自动控制，从而确保多膛炉焙烧生产稳定运行和产品质量优良。

多膛炉加料；失重称；PID控制；PLC控制

0 引 言

为适应国内外钼行业的发展，提高工艺装备水平，2010年金堆城钼业股份有限公司引进2台12层多膛炉用于焙烧钼精矿，多年来通过工艺摸索和不断改进，产品各项质量指标均达到标准要求，且经济技术指标优良[1]。整个多膛炉焙烧生产线采用PLC及DCS的系统控制方式，多膛炉系统无论从钼精矿原料加入、焙烧工艺控制，还是产品冷却、物料破碎筛分以及到产品包装都实现了精确化、自动化控制，生产线工艺装备达到钼行业领先水平。

1 问题的提出

80年代末国内钼业公司多膛炉的加料系统是在料仓上放置有底座为钟型的下料口料罐，钼精矿通过料罐依靠打开钟型底部料口使物料落入至与多膛炉第1层安装的螺旋给料机内，然后将物料输送至炉膛，它存在以下问题：(1)钼精矿因水油成分含量较高而结块使螺旋给料机堵塞空转，炉内出现严重断料现象，其结果影响炉内氧化反应过程；(2)底部为钟型的料罐存放钼精矿虽则是按每袋投料设定，但料罐加料时常常残存留的钼精矿无准确的计量称量手段，造成加入炉内的钼精矿计量不能精确；(3)加料料仓锥角小，易于使物料产生蓬料，出现加料极不均匀等不正常情况。由此使得多膛炉的加料不稳定、不连续，导致炉况恶化，对焙烧钼精矿生产操作造成了严重影响。为攻克这一技术难题，金钼股份技术人员对引进的2台12层多膛炉的加料系统进行严密的技术论证，结合现代PLC及DCS的系统控制技术手段，为多膛炉配备适合钼精矿特性的、自动化程度高、计量准确、稳定可靠的原料供给失重秤系统装备，极大地提高多膛炉的工艺控制水平，为确保炉况稳定和提高了多膛炉一次出炉合格率指标奠定了坚实的基础。

2 制定方案

2.1 系统工艺

焙烧钼精矿的生产过程从机理上来说是一个氧化反应过程，极其稳定的反应环境对工艺操作至关重要[2]。多膛炉的多层炉膛一方面为氧化钼焙烧提供相对稳定的焙烧环境，另一方面当原料加入量，炉内负压、反应温度、空气进气量等工艺参数保持相对稳定时，焙烧过程实现物料及热量平衡即可保持相对平衡，产品质量的稳定可靠就得到相应的保证。

金钼股份2台多膛炉的原料供应，主要原料除公司自产钼精矿外，其中少部分为外购钼精矿，钼精矿原料的品位、含杂成分一般较为稳定，波动较小。这时2台多膛炉生产过程中原料加入量的准确控制、稳定加入显得尤为重要。因此设计并选择一套适合钼精矿特性的、自动化程度高、计量准确、稳定可靠的原料供给失重秤将成为多膛炉加料系统控制的一个重要生产环节。

2.2 基本介绍

失重秤是一种原料给定设施，运用动态控制技术，搭载动态称重控制器，通过实时调节螺杆、振动给料机、泵等各种执行机构的运行速度来控制给料流量，又称为恒流量给料器，广泛运用于橡塑、环保、化工、食品、钢铁有色等行业的连续给料生产线上，失重秤给料系统的问世，不仅可以提高给料的准确性、稳定性及可靠性，并且能够大幅度提升工厂的运营效率，减轻操作工人的劳动强度，为企业创造更多的经济效益与社会效益，彻底颠覆了传统的手工配料模式，在配料发展史上具有深远的里程碑意义[3]物料属性见表1。

2.3 物料属性

表1 物料属性表

2.4 工作环境

安装位置：室内；温度范围：-10～40 ℃；相对湿度：<95%(无凝露)；电源：三相380 V(+10%～-15%) 50 Hz

2.5 失重秤组成、各部件简介

典型的失重秤系统主要由称重料仓、驱动及给料装置、称重传感器、补料阀、驱动控制器、控制模块、组态模块(选配)和操作面板(选配)等组成(见图1)[4]。

图1 失重秤整体布置示意图

在本系统中，根据原料的特性及金钼股份多膛炉的生产系统实际情况，系统不配备料仓及补料阀，系统设计从称重料仓开始。原料经过上游的钼精矿预处理系统烘干处理，使得钼精矿水分含量小于5%，后经刮板输送机、斗式提升机等输送设备输送到失重秤系统。

3 设备选型及组成

3.1 称重料仓

称重料仓的结构、下料口的尺寸特别关键。称重料仓用于装载钼精矿，金钼股份多膛炉系统设计钼精矿入炉水分含量为5%以下，钼精矿自身的流动性较差，容易粘结，如果料仓在下料口尺寸和锥度较小，下料过程物料容易搭桥，物料将存在下料困难。故料仓在制作过程中，下料口的尺寸要尽可能的大，钼精矿就能依靠自身的重力自由下滑。本项目料仓采用天圆地方的结构形式，料仓容积15 m3，下料口为600～700×1 500～1 600 mm的大尺寸下料口，料仓锥度为65°～75°。为防止锈蚀，仓体选用8～10 mm厚的不锈钢板焊接做成，内表面镜面抛光处理，上面用软连接与上游补料设备的管道相接，下面连接出料装置。

3.2 驱动及出料装置

驱动及出料装置用于原料的准确输出、连接称重料仓及下游设备。由于要配套大尺寸下料口，故本项目采用大口径双螺杆螺旋输送机，配套变频电动机及合适速比的减速机，双螺旋的螺距、叶片直径、螺旋轴直径等参数等需经过严格计算，确保螺旋输送机最大输送能力控制在(2.3～3±0.1)m3/h。

正确的输送率范围，一般实际工作范围为额定输送量的60%～75%最佳。采用交流调速，对应变频率为35～45 Hz最佳。这样才能保证调节范围宽，系统运行稳定，在输送率过低时，系统稳定性差。

双螺旋输送机与下游设备的连接必须使用软连接。

3.3 称重传感器

称重传感器用于检测料仓内物料的重量。本项目选用称量精度为500 g及最大称量范围为9 000 kg的FW(C)称重模块作为称重传感器，料仓配置3块称重传感器。该种传感器特点如下：

FW(C)系列称重模块：①称重传感器获得荷兰颁发的OIML R60 C3证书；②满足NTEP10000ⅢL要求；③3种顶板结构(固定式、半浮动式、浮动式)，可以消除料斗因热胀冷缩带来的称量误差；安装、更换快速简单，维护方便。

3.4 驱动控制器

驱动控制器用于控制驱动的给料速度，根据驱动要求，选用ABB系列变频器作为驱动设备。

3.5 控制模块

控制模块用于控制失重秤的运行，失重秤使用的控制模块是一款由Mettler-Toledo研发团队开发的高效流量控制专用仪表。其特点如下：树状菜单，操作简单；高效的PID控制算法；专用的MELSI称重型号处理芯片；TraxDSPTM专利动态数字滤波技术；SmartControl自学习功能，系统自适应调整技术；VibraPRO防振动滤波技术；高速A/D转化率，366次/s；丰富的输入输出及报警功能；丰富的信息显示：当前重量、流量、电机运行频率、累计量等；多种通讯接口：模拟量输入输出等。

4 PLC控制系统设计

4.1 PLC原理分析

PLC是以微处理技术为核心，综合了自动控制技术、计算机技术和通讯技术的一种新型工业控制装置。具有可靠性强、抗干扰能力强和使用方便等特点，广泛应用于工业领域[5]。

主控PLC主要由中央处理器、电源、存贮器、输入/输出接口电路、外接接口和I/O扩展接口组成。其中，中央处理器(CPU)是PLC工作的核心，存储器主要用于存放用户数据和工作数据，输入/输出接口电路是PLC与外围设备相连接的部件，负责将输入输出信号转换为CPU可处理的信号，扩展接口用于扩展模块与基本单元相连。

PLC内部以循环扫描的形式执行内部程序，当PLC开始工作时，CPU按照存储器内部的用户数据作周期性循环扫描工作。每次扫描过程中不仅要执行用户程序，按照程序要求做逻辑、算数运算，而且还要完成对输入信号的量化采样和对输出信号的刷新。每个扫描周期可分为输入采样、程序执行和输出刷新3个主要阶段。

4.2 主控PLC设计

根据失重秤控制系统的功能需求和选型原则，选用西门子系列的PLC模块作为平台的核心信息处理设备。经过初步计算， PLC需要数字量输入通道8路，数字量输出通道7路，模拟量输入通道3路，模拟量输出通道2路。采用CPU为数字量4输入/4输出模块，采用智能扩展模块PLC连接至PROFIBUS-DP总线，实现与多膛炉DCS控制系统的通讯。

控制模块实现给料过程的PID控制，通过端口与PLC之间进行数字量和模拟量的输入/输出通讯。

系统在现场需实现的功能：启动/停止、远程/就地切换、手动清仓、给料流量设定，高低料位报警、补料设备启动/停止、紧急停止等。

远程(DCS)实现需实现的功能：启动/停止控制、远程给料流量设定、实时给料流量反馈、仓内物料重量显示、故障报警等。以实现系统的远程控制、数据修改、数据监控以及状态监控等。

4.3 控制系统工作原理

原料供给多膛炉时的加料量的称量主要依靠失重秤系统来确定。失重秤在给料过程中称重传感器对失重秤系统(称重料仓、输送机和散装物料)不间断地进行称量，并将数据实时传输到失重秤控制仪表，控制系统按每个单位时间(dG/dT)测量的“失重”与所需给料量(预设值)进行比较，计算出重量在单位时间的变化比率作为瞬时流量，得出可以作为控制对象的“实际流量”,实际(测量)的流量与设定的流量之间存在的差异,系统通过PID反馈算法，进行逼近目标流量的控制运算，并输出调节信号控制变频器进而控制螺旋的转速，实现出料量的变化，仪表系统能够不断自动调节给料速度，从而在没有过程滞后的情况下保持精确的给料量(见图2)。

当测量的重量达到料仓低料位时，控制器将给料系统按容积给料进行控制，然后料仓快速重新装料，失重控制器加料期间采用容积计量法工作。

图2 现场系统控制图

4.4 典型失重秤工作流程

(1)检查并确保生产线上所有设备可正常运行，设置失重秤相关参数；(2)开启失重秤上游补料设备，给失重秤补料至高料位(见图3)；(3)启动失重秤，失重秤开始给料，通过控制器内PID闭环算法，给料流量迅速达到设置的值并在短时间内稳定；(4)失重秤料仓内物料至补料下限，控制器发送补料信号给补料阀，同时失重秤给料按照某一固定频率给料(补料模式可以设置)；(5)补料设备开启，快速将失重秤料仓补料至高料位，补料设备关闭；(6)失重秤恢复PID闭环算法，按照设置的流量值给料；(7)重复第5步至第7步……

在失重秤运行过程中，可以改变给料流量值(需保证在失重秤可以满足的流量范围内)，系统会快速跟随至新的流量点并快速稳定。

4.5 应用数据采集

多膛炉4台失重秤应用过程数据采集表见表2。

图3 典型失重秤工作流程示意图

设备编号设定流量/(kg·h-1)实际流量/(kg·h-1)运行时间/min计算下料量/kg实际下料量/kg运行频率/Hz偏差/%(实际/设定-1)11800178512036003570292-0832215021641204300432536106932200218512044004370364-068425002522120500050455423091

经过实际测试，4台失重秤给料量控制精确，线性关系极其稳定，设备运行平稳，功能齐全，实现预期目标。目前4台失重秤已经运行了6年，给料量控制准确，系统控制灵活、稳定、可靠，自动化程度较高，确保了金钼股份2台多膛炉的平稳运行。

5 结 论

(1)经过金钼股份2台多膛炉的实际运行情况来看，基于PLC与PID控制的失重秤有效地解决了钼精矿入炉量的精确、稳定控制问题，确保了炉内反应气氛的稳定。

(2)鉴于该形式失重秤的PLC控制系统使配料系统给料量控制准确，系统控制灵活、稳定、可靠，金钼股份进一步利用失重秤的精确控制原理，自主开

发研制应用于多膛炉预处理配料系统，确保了多种钼精矿在配料过程中的准确化、自动化。同时，该种失重秤的原理在金钼股份回转窑加料系统也得以应用，均取得了较好的运行效果。

[1] 康向文，尹孝刚，沈明科，等.多膛炉低温焙烧节能降耗技术研究[J].中国钼业,2013，37(5)：33-34.

[2] 向铁根.钼冶金[M].长沙：中南大学出版社，2009：43-44.

[3] 王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[4] 梁海军.失重秤在工业生产中的应用[J].科技传播,2011(上)：166-167.

[5] 廖常初.PLC编程及应用(第4版)[M].北京：机械工业出版社,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

李渭军(1979—)，男，工程师，主要从事电气技术、钼冶金技术管理。E-mail:sky63@163.com

10.13384/j.cnki.cmi.1006-2602.2017.05.008