失重秤控制系統(tǒng)的改造及應用

王正斌

（金隆銅業(yè)有限公司，安徽銅陵 244022）

金隆銅業(yè)公司閃速爐投產20多年來，經(jīng)過多次挖潛改造，熔煉爐單爐處理產能從100 kt/a提升至目前的350 kt/a。為了確保閃速爐熱負荷運行平衡，對閃速爐投料量的控制精度要求也越來越高。

在2006年實施350 kt/a擴建時，金隆銅業(yè)從芬蘭引進了全套銅精礦失重計量設備，用于閃速爐入爐精礦投入量的計量控制，取代原來的埋刮板機給料計量系統(tǒng)。失重計量設備的組成包括進料閥、呼吸閥、均壓閥、計量倉、攪拌器、下料螺旋等。對這些設備的動作及狀態(tài)的在線監(jiān)視、控制和操作通過一套WB930控制系統(tǒng)實現(xiàn)。

作為整個失重計量控制系統(tǒng)的核心，WB930控制器是芬蘭勞特普利森有限公司早年為失重秤專門研制的集稱重儀表與控制功能于一體的智能型專用控制器。正因為其專用性特點，使設備維護比較困難，備品備件不便購買且價格昂貴。另外，WB930系統(tǒng)診斷功能比較簡單，無法實現(xiàn)系統(tǒng)故障點的快速查詢和定位。因此，有必要研究開發(fā)一種技術先進、基于通用控制器（如PLC）的銅精礦失重計量控制裝置，取代現(xiàn)有的WB930控制器，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護性，確保閃速爐長期安全、穩(wěn)定運行[1]。

1 WB930控制器原理

1.1 工作原理

流態(tài)化的物料從中間倉底部的卸料錐排出，通過加料閥（圓頂閥）加入到失重給料系統(tǒng)的計量倉內。計量倉中物料的減少量由傳感器檢測，并由WB930控制器對加料量的設定值和實際值之間的差值進行連續(xù)計算，并通過調節(jié)螺旋加料機的速度實現(xiàn)對實際加料量的調節(jié)。當計量倉內的物料質量下降到裝料下限時，開始重新裝料，此時螺旋加料機的速度控制被鎖定，直至達到裝料上限（在非常短時間內）。當裝料的影響穩(wěn)定后，螺旋加料機再次開始進行速度調節(jié)。稱重螺旋加料機將物料通過1臺振動給料器使物料更均勻地加入到精礦噴嘴中。

圖1 失重倉進料下料簡圖

在這一過程中，被控的設備主要包括：流態(tài)化閥、通氣閥（呼吸閥和均壓閥）、加料閥、機械攪拌器、螺旋加料機。

1.2 控制系統(tǒng)組成

銅精礦失重計量控制系統(tǒng)主要由以下3部分組成。

1）測量部分：主要包括計量倉稱重傳感器3只，用于連續(xù)測量精礦計量倉重量；加料閥壓力開關2個，檢測密封器壓力；加料螺旋轉速檢測，電磁式脈沖傳感器。

2）控制部分：控制柜（內裝WB930控制器）1臺，完成系統(tǒng)全部控制功能，安裝于閃速爐控制室，盤面配有操作屏，用于系統(tǒng)調試及維護操作；現(xiàn)場操作箱1臺，用于工藝點檢時機旁操作；DCS控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工藝的正常生產操作。

3）執(zhí)行部分：通氣閥2個，配套電磁閥及開/關限位；加料閥2個，配套電磁閥及開/關限位，配套密封氣電磁閥及壓力開關；機械攪拌器馬達驅動4臺，運行狀態(tài)檢測；螺旋加料機馬達變頻驅動2臺，運行狀態(tài)檢測、電流檢測、轉速檢測（脈沖傳感器）控制、配套冷卻風機及其運行狀態(tài)檢測；精礦中間倉用流態(tài)化閥2個，螺旋用流態(tài)化閥2個，配套電磁閥共 4個[2-3]。

2 優(yōu)化改造方案及實施

2.1 改造內容及范圍

1）硬件方面。（1）新增PLC控制柜（配觸摸屏）取代原WB930控制柜，安裝尺寸及位置不變。（2）新增稱重變送器，防護等級IP54以上，安裝于現(xiàn)場；（3）新增專用電纜用于連接稱重模塊（Load Cell）接線盒。稱重變送器通過DeviceNet總線與PLC通訊，取消原稱重模塊與WB930之間硬接線，稱重傳感器保留。系統(tǒng)各部分之間的連接電纜、導線原則上保留，必要時（如絕緣層老化等原因）可考慮更換。

2）軟件方面。由于金隆現(xiàn)有WB930控制器的程序固化在其內存芯片中，是編譯過的執(zhí)行代碼，無法瀏覽查詢，更無法導出。因此，新增PLC控制系統(tǒng)中的失重控制程序需要重新設計、編程和調試。這也是本次改造的重點內容。

2.2 PLC控制系統(tǒng)方案

經(jīng)過多次技術比較，最終確定PLC采用美國A-B公司的控制系統(tǒng)，主要配置如表1所示。

表1 PLC控制系統(tǒng)主要配置

PLC控制系統(tǒng)具有開放性，可以自動根據(jù)工況選擇控制曲線，也能及時對控制參數(shù)，甚至控制曲線進行修改。在計量倉進料期間，通過簡單的設定就能滿足在此期間螺旋加料機轉速多種控制方案（轉速保持不變、轉速線性遞減、轉速非線性變化）的選擇，從而實現(xiàn)閃速爐投料量的穩(wěn)定與精確控制。該套控制系統(tǒng)還留有與將來FF控制系統(tǒng)的通訊接口。

2.3 改造實施

此次改造難度大且存在一定的安全風險，為不影響生產，只能利用2015年年修期進行對接，現(xiàn)場工期很短。

準備階段（2015年8月26日—9月1日）：首先對新控制柜進行工廠測試，對程序的每個功能完成仿真測試。本次改造的技術難點是對稱重信號的抗干擾處理，以及對失重期間質量模擬信號算法的優(yōu)化。由于在仿真測試時沒有真正的質量信號，所以如何模擬真實投料情況就成為一個難題。實施小組經(jīng)過認真討論、反復研究和實驗，結合現(xiàn)場觀察不斷進行程序修改，最終較好地完成了控制系統(tǒng)的離線測試工作。9月1日，系統(tǒng)已具備安裝到現(xiàn)場的條件。

安裝調試階段：9月6日開始拆除現(xiàn)場原控制柜，并對新控制柜進行安裝、接線；9月16日開始對新控制系統(tǒng)進行在線測試，主要目的是測試各單體設備的控制和測量是否正常，同時對失重倉進行質量校驗。9月18日進行空負荷聯(lián)動試車，9月19日晚開始進行負荷聯(lián)動試車，期間對控制系統(tǒng)的相關參數(shù)進行了在線調整，參數(shù)調到最合適的數(shù)值，最終使新控制系統(tǒng)各項指標完全達到工藝控制和操作的要求，并交付使用，至今運行正常。圖2為2015年11月3日從HONEYWELL TDC3000截取的歷史趨勢畫面。

圖2 從HONEYWELL TDC3000截取的歷史趨勢畫面

從圖2可以看出，F(xiàn)F投料量180 t/h，失重控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，投料量波動在允許范圍[4]。

3 改造后的主要應用

3.1 可視化功能增強

改造后，簡潔的流程圖畫面見圖3，參數(shù)設定畫面見圖4，后臺參數(shù)畫面設定見圖5，控制流程畫面見圖6。

圖3 改造后流程圖畫面

圖4 改造后參數(shù)設定畫面

圖5 后臺參數(shù)畫面

圖6 控制流程畫面

通過圖3中簡潔的流程圖畫面，操作人員可以直觀地了解當前系統(tǒng)所處的狀態(tài)，包括手/自動、進料、下料等，以及各個設備所處的運行狀態(tài)。通過圖4界面，操作人員可以方便地進行計量倉料位上、下限的設定和FF投料量的本地設定等。通過圖5界面，可以實現(xiàn)在投料量不同的情況下，螺旋轉速的PID調節(jié)參數(shù)自動變更。通過圖6界面，可以對系統(tǒng)的啟動條件、停止條件一目了然，不再需要通過圖紙一一查對。

3.2 流態(tài)化抑制功能

改造后的PLC控制系統(tǒng)較原WB930控制系統(tǒng)在實現(xiàn)抑制流態(tài)化功能上有很大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）新系統(tǒng)控制面板上實時顯示投料量、螺旋轉速、PID輸出值曲線及失重倉質量值，有助于工藝分析，判斷流態(tài)化是受何種因素影響產生，以便及時采取應對措施。產生流態(tài)化的常規(guī)故障因素有失重倉擋料傘的大小、進料速度的快慢、每次進料量的多少、螺旋入料口下料流暢與否等。

2）PID輸出變化率及強度可進行設定調整，而原WB930系統(tǒng)無法進行調整。此參數(shù)調整后，可控制螺旋速度變化速率及強度，在同等的情況下，可降低流態(tài)化強度。

3）失重倉上下限設定值可設定在十分位，原WB930失重倉上下限設定值僅能設定在個位。目前，進行十分位參數(shù)設定可有效避免某工作點帶來的不穩(wěn)定，并能夠根據(jù)失重倉下料速度及下料量，更精確地調整失重倉上下限設定值。

4）在失重倉進料時，失重計量處于鎖死狀態(tài)，此時，螺旋進料口處于外力沖擊狀態(tài)，易造成流態(tài)化。原WB930無法實時更改螺旋轉速調整模式，且無法判斷流態(tài)化強度的大小；新PLC控制系統(tǒng)面板上實時顯示失重倉質量，可直觀地根據(jù)質量值變化速率，判斷流態(tài)化強度，從而指導工藝人員調整進料期間螺旋速度變化值，達到有效控制流態(tài)化目的[5]。

4 結語

本次失重控制系統(tǒng)升級改造達到了預期的目的，徹底解決了長期困擾生產和維護人員的關鍵性問題，為公司今后的生產穩(wěn)定提供了有效的保障，為以后類似控制系統(tǒng)升級改造積累了豐富的經(jīng)驗。