燒結礦全自動在線質檢系統的研制與應用

劉 陽，吳紅桃，雷 坤，李建兵

（安陽鋼鐵集團公司，河南 安陽 455000）

0 引 言

隨著當今鋼鐵生產企業的大型化、現代化，生產過程越來越高速化、連續化、自動化，對燒結礦質量檢驗的準確性也提出了更高的要求，自動檢驗替代人工取樣檢驗勢在必行[1]。2006年安鋼針對燒結礦質量檢驗的落后局面，提出了自動檢驗的設想，并在考察國內其他單位現場使用效果的基礎上，討論了在安鋼實施燒結礦自動檢驗的可能性。經考察研究后于2007年6月研發了燒結礦全自動質檢系統，即在燒結礦成品皮帶機頭部現場設計制作一套自動化試驗系統，利用高度落差，依次完成從取樣、分樣、縮分、制樣、試驗到完畢返料等一系列功能。

1 系統的構成和工藝流程

1.1 系統構成簡介

該系統由機械設備和電氣控制兩部分構成。機械設備主要有1臺頭部取樣機、2條輸送帶、2臺電動三通器、1臺三級振篩、1臺六級振篩、8個稱重料斗、4臺破碎機、4臺電動縮分器、2臺電振給料器、1臺轉鼓機、1臺機械搖篩、1臺棄料斗提機和1臺人工取樣收集斗；電氣設備主要有工控機、監視器、顯示器、畫面分割器、可編程控制器（PLC）、變頻器、稱重傳感器、檢測元件、空氣短路器、接觸器、熱保護器、穩壓電源等組成?？刂葡到y分為現場手動控制、自動控制和上位工控機控制3種方式。

圖1 系統運行流程示意圖

1.2 試驗工藝流程

完整的在線燒結礦的質量檢驗過程，包括從運行的料流中均勻采樣、制樣、試驗、返料等一系列作業，是一個復雜的過程[2]，其簡要流程見圖1。

（1）取樣。當燒結礦成品皮帶工作時，頭部取樣機每隔15min（可以調節范圍為15～60min），自動從燒結礦成品皮帶機頭下料口，橫截全流幅集子樣約30kg（可調范圍為 20～50kg）。

（2）分樣。樣品通過頭部三通器到二分器，二分器中的子樣部分溜入大顎破碎機，部分溜入六級振篩。

（3）制樣縮分。二分器分給大顎破碎機的物料經過破碎進入三級振篩，經三級振篩后分兩部分，一部分篩分出粒級為10.0～12.5 mm的物料，經1號和2號縮分器2次縮分出2～3 kg，獲得的試樣供燒結礦冶金性能測試使用。經過三級振篩的另一部分物料經過3號縮分器的縮分，經電振給料器喂入小顎破碎機和輥式破碎機加工，再經過4號縮分器的縮分，獲得的試樣供化學分析使用。

（4）粒級測定及自動轉鼓試驗。二分器分一部分子樣給六級振篩，振篩利用雙曲柄機構，能夠持續往復運動[3]，將試樣篩分為-5.0 mm、-10.0 mm+5.0 mm、-16.0 mm+10.0 mm、-25.0 mm+16.0 mm、-40.0 mm+25.0mm、+40.0mm 6 個粒級，分別進入 1#、2#、3#、4#、5#、6#秤斗，當6個秤斗的料質量和達到約120kg時，3#、4#、5#秤斗中的物料各自進行混勻。根據計算機程序設定的三級配鼓要求，計算出各個不同粒級樣品應配鼓質量（配鼓方法示例計算見表1），通過變頻器、閉環控制模塊等電氣控制系統對配鼓電振給料機的信號輸入，從而得到各個粒級的配鼓質量，然后經過配鼓輸送帶和配鼓三通器到達鼓前秤斗進行轉鼓前質量稱量，達到配鼓要求時，自動轉鼓開始做轉鼓實驗（配鼓時，六級振篩不再篩分，配鼓完畢后方可篩分）。經轉鼓8min旋轉200r后，自動把樣品倒入搖篩，經自動搖篩1.5 min篩分30個往復后，由鼓后秤斗分別稱出-6.3mm和+6.3mm的質量，計算機自動計算出轉鼓指數。

表1 轉鼓實驗配料計算

配制轉鼓試樣（15±0.15）kg，其中：

共計15.01kg。

（5）棄料返回?？s分器縮分的棄料和1#、2#、6#秤斗料通過棄料溜管溜到棄料收集輸送帶到達斗提機，通過斗提機將棄料返送到燒結礦主皮帶輸送機，回到主料流。

（6）應急系統。當自動取樣故障時，通過頭部三通器將試樣導入人工取樣溜管，獲得試樣供人工制樣、人工測定燒結礦粒度組成和燒結礦轉鼓指數使用。

2 PLC控制系統的組成

檢驗設備控制系統分為取樣篩分組、破碎制樣組和強度檢測組3部分，這3個部分由共同的工控機和PLC系統控制。由于整個檢驗系統所有的電氣設備的控制都由這套PLC系統集中控制，所以其點數多，任務復雜。為了避免因PLC出現故障而造成整個系統癱瘓，另外安裝配備了1套PLC系統，2套PLC系統之間可以相互切換，從而保證了整個檢驗系統較高的作業率。

系統由上位機和下位機2部分組成。其上位機采用聯想工控機，操作系統為Windows2000，組態軟件采用SIMATIC WINCC6.0，其圖形界面可動態顯示現場各種設備的運行狀態，顯示系統運行的各種參數，操作人員可以用鼠標點擊按扭來控制現場設備的啟停、更改系統的運行參數，操作簡單明了，具有良好的人機界面。下位機系統采用本地主控制站和遠程I/O，主站和遠程之間通過Profibus（process field bus）連接，其傳輸速率高，抗干擾能力強。主站由電源模版、CPU模版、閉環控制模版、信號模版和擴展模版組成。其CPU采用MPI接口，通過Profibus與遠程I/O或現場智能儀表通信，上位機和下位機通過MPI接口通信[4]。

3 自動配鼓控制系統組成及工作原理

自動配鼓控制系統采用質量配料法[5]，各種粒級的燒結礦按照計算好的配比通過電子配料秤配料。配料的精確度直接影響轉鼓試驗數據的準確度，所以對控制系統提出了較高的要求。自動配料系統主要由閉環控制模版、電振給料器、電子皮帶秤、稱重顯示器、變頻器等組成。各種粒級的配比由計算機程序計算好后，物料的流量經電子皮帶秤、稱重顯示器轉換為4～20mA信號輸入到閉環控制模版的功能模版，經A/D轉換器轉換為數字量[6]。與計算出的值比較，再經過PID運算，得到控制量的數字值，經D/A轉換器轉化為4～20mA的模擬量給變頻器，變頻器根據這個信號控制電振給料器的頻率，從而使給料器的給料量圍繞在計算值周圍，實現自動配料功能。自動配料系統原理圖見圖2。

圖2 自動配料系統原理

PID算法[7]如下：設Yr（t）為t時刻計算好的下料量，Y（t）為t時刻的實際下料量，則e（t）=Yr（t）-Y（t）為t時刻的下料偏差，設此時系統的控制輸出為u（t），則有

式中：Kp、ti、td——比例系數、積分時間常數、微分時間常數。

調整上述3個系數就可以改變控制輸出，得到理想的控制效果。

4 試驗數據對比分析

表2 2007年8月2日轉鼓強度測定實驗原始記錄

表3 2007年8月1日對比實驗原始記錄

系統試運行期間對試驗數據進行了研究分析。表2數據是2007年8月2號全自動質檢系統試驗原始記錄，可以看出：每批試樣總質量約120kg，每次轉鼓試樣質量10.0～40.0mm粒級部分滿足60kg以上；入鼓試樣質量為（15±0.15）kg，入鼓試樣質量與出鼓試樣質量之差均≤1.0%。試驗數據完全滿足燒結礦轉鼓強度測定方法GB8209-87的各項規定。

該設備研制成功后反復作了對比試驗，從一批燒結礦中取樣300 kg樣品，用該設備做2次試驗進行對比，試驗數據如表3所示。從表3中每批平行的2個試樣其轉鼓指數對比可以得出：轉鼓指數誤差絕對值均≤1.4%，在允許誤差范圍內，符合GB8209-87標準中7.2.2條款中的轉鼓指數允許差值ΔT的要求，檢驗操作合格。

5 運行效果

2007年6月經過連續一周的試運行、功能考核，大量的取制樣檢測結果證明該系統對燒結礦進行的粒度分析、冷強度測定均能滿足GB10122-88和GB8209-87標準的要求，各項性能指標均達到設計要求。

（1）可以調整頭部取樣機取樣時間間隔和每次取樣的重量，達到每天需要檢測的次數，方便可靠。

（2）通過PLC系統可以對取樣篩分組、破碎制樣組和強度檢測組進行集中控制，更加方便，時效性更好。

（3）報表自動打印?？梢越y計每次鼓前篩分各個粒級的重量、每個粒級配鼓重量、鼓后篩分出+6.3mm粒級和-6.3mm粒級的重量、篩分指數、轉鼓指數及其對應的時間，并在當班結束時打印出來。

（4）異常情況自動報警[8]?？刂葡到y在運行中實時監控各種設備的運行狀況，當這些設備相應的機械或電器保護（如限位保護、熱保護、短路保護等）被破壞時，報警器會立即聲光報警，同時上位機有閃爍的紅色文字提示相應設備故障。

（5）便捷的秤斗零點校正功能[9]。該系統只有相應操作權限才能進入的秤斗參數設定畫面，專業標秤人員可以不定時對各個秤斗設置零點和稱量值校正，使實驗數據更加準確可靠。

6 結束語

隨著國內外取制樣設備技術的不斷提高，安鋼將利用先進的技術不斷改進和完善燒結礦全自動質檢系統，使之操作更加方便，運行更加可靠，并為推動檢驗技術的進步發揮其應有的作用。

[1] 劉玠，孫一康，王京，等.冶金過程自動化基礎[M].北京：冶金工業出版社，2006：88-116.

[2] 應海松，李斐真.鐵礦石取制樣及物理檢驗[M].北京：冶金工業出版社，2007：75-158.

[3] 楊玉泉，張同慶，張浴天，等.機械原理[M].北京：北京理工大學出版社，1995：68-70.

[4] 劉賀平.系統辨識與控制[M].北京：北京科技大學，1996：60-80.

[5] 劉玠，孫一康，馬竹梧，等.冶金原燃料生產自動化技術[M].北京：冶金工業出版社，2005：179-183.

[6] 石利英，畢常青.傳感技術[M].上海：同濟大學出版社，1993：140-190.

[7] 金以慧.過程控制[M].北京：清華大學出版社，2003：170-190.

[8] 郝鴻安，徐紅媛.555集成電路實用大全[M].上海：上?？茖W普及出版社，1996：116-127.

[9] 方原柏.電子皮帶秤[M].北京：冶金工業出版社，2007：251-297.