電子皮帶稱在ISA熔煉工藝配料自動控制系統中的應用

2021-01-20 04:59:24朱世薇

有色設備 2020年6期

朱世薇

(謙比希銅冶煉有限公司贊比亞卡魯魯西北京代表處，北京 100029)

0 概述

配料系統是整個ISA煉銅生產工藝流程的源頭，它擔負著ISA熔煉混合物料供應任務，其主要生產流程如圖1所示。

圖1 配料系統生產流程簡圖

謙比希銅精礦和混合雜礦用10 t抓斗橋式起重機分別抓到兩個17 m3料倉內，其它各輔料也通過10 t抓斗橋式起重機分別抓到各自14 m3料倉內。銅精礦用可變轉速的圓盤式電子皮帶稱完成定量供料；各種熔劑和輔料用可調速直拖式電子皮帶稱進行供料。根據ISA熔煉工藝配比的要求，將銅精礦、轉爐渣、石英石、石灰石、煤、返料等進行配料，配好的物料經1#、2#膠帶運輸機送至緩沖料斗，然后經由緩沖料斗下料至熔煉爐頂的雙層可調速電子皮帶稱上，雙層可調速電子皮帶稱按照設定的加料速率將混合料經由爐頂加料小車加入Φ3.66×15.89 m熔煉爐的熔池中。

由以上配料系統的生產流程可以看到，在ISA生產工藝中，由于原料的種類多，配料成分變化大，各種物料的配料比例也會根據生產的要求隨時變化，為確保ISA熔煉爐生產流程的順暢，冰銅品位、渣含銅等生產指標達到控制目標，必須對各種物料進行準確計量及精確控制各種物料的下料量。

1 電子皮帶稱的結構和工作原理

1.1 電子皮帶稱的組成結構

電子皮帶秤的基本組成主要包括：皮帶輸送機、驅動裝置、稱重傳感器、測速傳感器、稱重控制儀表等組成。

(1)皮帶輸送機主要用于輸送物料和作為稱重傳感器和速度傳感器的承載裝置。

(2)驅動裝置主要為變頻電機及減速機，用于調整皮帶運輸機輸運物料的速度。

(3)稱重傳感器是將被稱物料的重力轉換為模擬或數字電信號的元件。

(4)測速傳感器是將被測托輥的轉速轉換為脈沖信號的元件。

(5)稱重控制器是用于接收稱重傳感器和測速傳感器輸出的電信號，并對其進行處理，包括采樣、濾波、放大、A/D轉換、計算處理之后，以質量流量單位給出計量結果，同時可以完成如PID動態調節、變頻器控制接口、瞬時流量顯示、累積流量計算及顯示、參數設定、校稱以及其它預定功能的電子裝置。

圖2 電子皮帶稱結構簡圖

2 電子皮帶稱工作原理

(1)測速傳感器工作原理

測速傳感器由OMRON E6B2- CWZ6C增量式旋轉編碼器及配套聯軸部件組成。旋轉編碼器通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量，編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成，光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與被檢測設備同軸，被檢測設備旋轉時，光柵盤與其同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號。其工作原理示意圖如圖3所示。

圖3 旋轉編碼器工作原理簡圖

增量式編碼器轉軸旋轉時，其計數起點任意設定，可實現多圈無限累加和測量。編碼器軸轉一圈會輸出固定的脈沖，脈沖數由編碼器光柵的線數決定。通過計算單位時間內編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前被檢測設備的轉速。

(2)稱重傳感器工作原理

稱重傳感器，主要由彈性元件、電阻應變片、測量電路和傳輸電纜四部分組成。利用電阻應變片變形時其電阻也隨之改變的原理工作。由稱重傳感器安裝結構圖可以看到：

圖4 稱重傳感器安裝結構圖

當載有物料的皮帶通過稱量段，物料的重量作用在托輥上，托輥通過計量杠桿將力傳遞給稱重傳感器，使稱重傳感器受到向下拉力，產生變形，其變形量與重力成正比。傳感器變形之后，使貼在它上下兩側表面上的四個相等阻值R的電阻應變片產生相應的阻值變化：上表面受力壓縮，應變片電阻值減少ΔR；下表面受力拉伸，阻值增大ΔR。測量電路采用如圖5惠斯登全橋式等臂電橋電路檢測出當傳感器無受力時，橋路平衡，信號輸出為零；當傳感器受力，應變片發生形變，橋路阻值發生變化失去平衡，信號端便有毫伏信號輸出。

圖6 電子皮帶稱自動控制原理圖

電橋輸出信號計算公式如式(1)所示：

ΔU=K×ΔR/R×E

(1)

式中 ΔU—電橋輸出信號；

K—比例系數；

ΔR—電阻應變片受力變形后的阻值變化量；

R—電阻應變片未受力時的電阻值；

E—橋路供電電壓。

由式(1)可知，電橋輸出信號ΔU不僅與電阻應變片阻值變化量ΔR成正比，而且與橋路供電電壓E成正比。

(3)稱重控制器物料流量計量原理

皮帶輸送機所輸送物料的流量可通過測量某段皮帶長度上物料的瞬時重量及同一時刻的皮帶速度計算得到。當皮帶輸送機輸送物料時，連續測量稱重皮帶上物料的重量值，將其與同一時刻皮帶速度值相乘，所得的計算結果便為物料的瞬時流量。

Q(t)=q×v

(2)

式中Q(t)—物料的瞬時流量，kg/s；

q—單位皮帶長度上的物料重量，kg/m；

v—皮帶運行速度，m/s。

(4)電子皮帶稱的遠程控制

電子皮帶稱可以根據生產需求實現遠程啟停，并將電子稱的運行狀態反饋給DCS。與此同時，電子皮帶稱還可以實現自動定量輸送物料的功能。電子皮帶稱自動控制原理如圖6所示。

電子皮帶稱的稱重控制器接收由DCS傳來的設定值以及根據現場皮帶稱傳回的信號計算出實際下料量，下料量給定值與實際料量經過稱重控制器的PID控制器運算后，輸出4～20 mA信號傳至電子皮帶稱的驅動裝置——變頻電機上，形成閉環控制。從而使下料量精確。

3 電子皮帶稱的校驗

配料控制系統在實際應用過程中，有時會出現各種物料測量料量與實際入爐物料流量存在偏差，造成冰銅品位和爐渣成分出現波動，爐況變差，給生產操作帶來不利影響。這種測量偏差除了由于稱重傳感器、測速傳感器以及稱重控制器等電子器件自身的故障引起測量偏差之外，還與定量給料機輸運部分有關，例如新定量給料機投用初期和使用一段時間之后皮帶張緊程序不同，稱體機械形變等，造成電子皮帶稱零點和滿度的漂移，可通過定期對電子皮帶稱進行自動校驗零點和滿度來消除漂移。

自動零點和滿度校準是在電子的基礎上，保持皮帶以最高轉速運行，通過使皮帶處于空載狀態和在皮帶上加載鏈碼，計算出校準常數。

校準常數(t)=
試驗長度(皮帶長度×皮帶運行圈數)×
皮帶上已知恒定重量(kg/m)/1 000

當皮帶為空載時，此公式計算值為零點校準常數；當皮帶帶動鏈碼運行，則是滿度校準常數。自動零點和滿度校準就是把實際皮帶稱測得的零點和滿度值與校準常數進行比較，在允差范圍內，認定皮帶稱稱量準確；超出允差，則認定皮帶稱零點或滿度漂移，需要進行零點和滿度修正，從而保證電子皮帶稱稱量的準確性。

4 投用后電子皮帶稱出現的問題和解決辦法

(1)電子皮帶稱的電子元件的常見故障

在配料系統投入生產過程中，電子皮帶稱的稱重傳感器和速度傳感器的故障通過以下常規檢查手段，便可找到故障原因，恢復正常工作。稱重傳感器和速度傳感器常規檢查步驟如表1所示。

雖然通過以上檢查手段可以方便快速地查找故障，但也有些特殊情況，需要通過其他手段來查找故障原因。

(2)利用稱重控制器的校驗功能查找故障原因

在配料系統投入使用一段時間后，操作人員反映雙層定量給料機實際入爐物料比測量值明顯偏大，前端幾個物料稱設定值總和在90 t/h時，雙層定量給料機的設定值在60 t/h即可把中間料斗的物料拉空，嚴重影響正常生產。對雙層定量給料機的稱重傳感器和速度傳感器進行常規檢查，供電電壓和輸出信號電壓均處于正常范圍內。在進行自動校準零點和滿度時，雖然校驗值與校驗常數比較，處于允差范圍內，但是用時與正常校驗時間有明顯差別，以下為滿度校驗時間記錄。

從表2可以看到，故障后零點和滿度校驗時間有很大的跳動，且都比正常校驗時間長。根據自動校驗計時的原理是稱重控制器計算速度傳感器發出的脈沖數，當累計到要求的脈沖時，結束校準的這段時間為校準時間。在正常情況下，速度傳感器在79 s內輸出計數脈沖達到目標脈沖值，而從上表中看出故障后校驗時間均高于79 s的時間內才能達到累積脈沖，說明速度傳感器輸出脈沖少于正常情況，存在問題。將速度傳感器拆下檢查之后，發現旋轉編碼器內部的光電碼盤不能很好的與連接軸同步轉動，有旋轉不暢、發卡的現象，造成速度傳感器旋轉時，送出的脈沖少于正常情況下的脈沖。

(3)采用多種手段改善雙層定量給料機料量波動大的現象

雙層電子皮帶稱采用徐州衡器廠有限公司生產型號為ICS- DT- 1000電子皮帶稱，它的主要作用是根據生產要求控制入爐物料流量并對將要入爐的混合物料進行稱量，其稱量結果將參與艾薩風、氧、油及富氧濃度、冰銅品位、渣型的控制。雙層電子皮帶稱的機械安裝結構、測量方式與圓盤式電子皮帶稱、直拖式電子皮帶稱不同，其設備結構如圖7所示。

圖7 雙層電子皮帶稱設備結構圖

由以上結構圖可以看到，稱重傳感器和速度傳感器位于下層皮帶，而調速電機位于上層皮帶，在這種情況下，稱重控制器得到的皮帶稱量信號并不是上層皮帶實時物料流量，存在較大時間滯后；由于這種給料機的結構，混合物料由上層皮帶掉落在下層皮帶時，不能均勻地鋪在下層皮帶上，而是呈波浪式分布，使稱量數據產生波動，給控制器帶來擾動。針對這種情況，如果采用常規PID調節，只能使控制回路品質變差，產生較大振蕩，降低變頻電機的使用壽命；與此同時，與此料量相關的ISA爐風、氧、油等皆因此而產生大波動，給安全操作帶來較大風險。針對這些情況，一方面對瞬時料量數據進行數字濾波處理，消除因設備固有機械原因引起的給料量的擾動。數字濾波公式如下所示：

式中Yn—當前輸出，經過濾波計算的瞬時流量，t/h；

Yn-1—上一時間輸出，經過濾波計算的瞬時流量，t/h；

Δt—瞬時流量數據刷新時間，s；

TA—數學濾波時間常數，s；

Xn—當前輸入，未經過數字濾波處理的瞬時流量，t/h。