西門子稱重給料機(jī)在電解鋁石油焦煅燒工藝的應(yīng)用
一、背景
四川啟明星眉山鋁業(yè)煅燒車間石油焦煅燒工藝共有三條生產(chǎn)線，為了控制和計量石油焦，每條線煅前都采用稱重給料機(jī)（配料秤）進(jìn)行給料控制，給料量一般在2~10T/H范圍內(nèi)，給料速度可調(diào)，精度要求優(yōu)于0.5%, 物料顆粒不均勻（顆粒從粉末到直徑80毫米,實(shí)際可達(dá)150或更大）。由于原有給料機(jī)稱重PID調(diào)節(jié)的波動范圍過大, 給料不穩(wěn)定，造成爐溫波動，影響了石油焦煅燒生產(chǎn)的產(chǎn)量、質(zhì)量和能耗，并且給料機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)卡料損壞皮帶。為控制爐溫, 操作人員需不斷的調(diào)節(jié)燃?xì)夂惋L(fēng)門，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。
該廠通過反復(fù)比較各種稱重設(shè)備，認(rèn)為河南天成衡器有限公司推薦的西門子公司模塊設(shè)計、直接承重式秤架結(jié)構(gòu)的稱重給料機(jī)（也稱配料秤）較適合現(xiàn)場生產(chǎn)工藝條件的要求，選了用西門子稱重給料機(jī)來解決煅燒車間的稱重給料問題的方案。
二、解決方案
西門子公司技術(shù)人員根據(jù)用戶提出的工藝技術(shù)要求和考察現(xiàn)場工藝條件后, 推薦使用了WF1200系列的稱重給料機(jī)配BW500的控制儀表和西門子弗蘭德減速機(jī)，并對原有的給料裝置提出了改進(jìn)方案建議。西門子WF1200系列稱重給料機(jī)是用于測量大顆粒組分的高負(fù)荷重型稱重給料機(jī)，它采用了MSI單托輥皮帶秤及其相關(guān)專利技術(shù)，在皮帶負(fù)荷發(fā)生變化時，也可實(shí)時獲取讀數(shù)，而不影響其高精度和控制性能。
2.1 系統(tǒng)的工作原理和組成
2.1.1 工作原理
稱重給料機(jī)將經(jīng)過皮帶上的物料，通過稱重秤架下的稱重傳感器進(jìn)行檢測重量，以確定皮帶上的物料重量；裝在尾部滾筒或旋轉(zhuǎn)設(shè)備上的數(shù)字式測速傳感器，連續(xù)測量給料速度，該速度傳感器的脈沖輸出正比于皮帶速度；速度信號與重量信號一起送入皮帶給料機(jī)控制器，產(chǎn)生并顯示累計量/瞬時流量。給料控制器將該流量與設(shè)定流量進(jìn)行比較,由控制器輸出信號控制變頻器調(diào)速，實(shí)現(xiàn)定量給料的要求（如圖1）。
可由上位PC機(jī)設(shè)定各種相關(guān)參數(shù)，并與PLC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制。它可以采用兩種運(yùn)行方式：自動方式和半自動/手動方式。
自動方式
圖1：稱重給料機(jī)工作原理示意圖 |
Ø 半自動方式/手動方式
由人工在控制器上設(shè)定配方的配比，手動啟動控制器，BW500積算儀控制變頻器和稱重式給料機(jī)加料。
2.1.2 系統(tǒng)的組成
圖2：稱重給料機(jī)的組成示意圖 |
稱重給料機(jī)的核心部分是皮帶秤（如圖3）。皮帶秤的主要組成由秤架、積算儀和速度傳感器組成；而稱重給料機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和精度主要由皮帶秤的設(shè)計結(jié)構(gòu)決定。
圖3：皮帶秤是稱重給料機(jī)的核心部分 |
2.2 技術(shù)特點(diǎn)
西門子稱重給料機(jī)在皮帶秤的秤架結(jié)構(gòu)、積算儀以及稱重給料機(jī)的整體設(shè)計上都具有它的特點(diǎn)。WF1200系列給料機(jī)使用的是MSI直接承重式秤架結(jié)構(gòu)和BW500積算儀，這種秤秤架結(jié)構(gòu)簡化了稱重給料機(jī)的稱重結(jié)構(gòu), 降低稱重系統(tǒng)的無效載荷, 提供合適的量程和靈敏度, 對于小流量稱重有獨(dú)特的優(yōu)勢。
2.2.1 秤架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
西門子皮帶秤秤架部分的設(shè)計是很具有特色的，與一般常用的杠桿式秤架設(shè)計不同，它采用了被稱為“三無”的直接承重式秤架結(jié)構(gòu)，即：無杠桿、無支點(diǎn)、無平衡重（如圖4），也就是沒有稱重承載器。這種設(shè)計帶來的好處是顯而易見的：
維護(hù)方便
在秤架上沒有杠桿支點(diǎn)，沒有可動部件，也不存在諸如支點(diǎn)磨損等問題。杠桿式秤架秤體大，水平面方向的表面積大，大面積積灰需經(jīng)常清掃，否則會引起零點(diǎn)變化，而直接承重式秤架尺寸短小，水平方向的表面積更小，積灰量很小，積灰引起零點(diǎn)變化也小，可無需經(jīng)常清掃。
圖4：直接承重式秤架原理示意圖 |
秤架結(jié)構(gòu)簡單
直承式秤架結(jié)構(gòu)保證了物料的重量通過稱量托輥組直接加在稱重傳感器上，皮重、料重一起稱，所以秤架結(jié)構(gòu)非常簡單，重量也非常輕。
Ø 秤架具有模塊化特點(diǎn)，通用性好
秤架結(jié)構(gòu)不僅簡單，對不同寬度皮帶來說零部件的通用性也比較好，除了靜態(tài)梁、動態(tài)梁的寬度相應(yīng)變化外，其余部分幾乎是一樣的。同時，模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)大大減少了維修和更換備件的工作量和成本。
Ø 秤架精確度高
由于采用的是高精確度專利產(chǎn)品三梁平行四邊形稱重傳感器，能完全避免皮帶與托棍間摩擦產(chǎn)生的水平力對皮帶秤精度的的影響，，其重復(fù)性是0.01%，非線性和滯后均為0.02%。這樣的高精確度對于稱重給料機(jī)的名義精確度0.5%來說不僅足夠，而且還有余地。因?yàn)椴捎弥苯映兄厥浇Y(jié)構(gòu)，也相應(yīng)減少了因這些部件帶來的測量精確度損失和在物料輸送過程中機(jī)械震動給稱量系統(tǒng)帶來的干擾。
2.2.2 BW500積算儀特點(diǎn)
本系統(tǒng)采用西門子BW500積算儀作為給料控制的核心儀表（如圖5）。
BW500積算儀是為皮帶秤和稱重給料機(jī)設(shè)計的功能強(qiáng)大的積算儀，真正的雙PID功能可用于稱重給料機(jī)的流量控制，可控制恒定載荷或給料量。
具有專利技術(shù)的雙稱重傳感器（最多四個傳感器）平衡功能，能排除不均勻側(cè)向負(fù)荷的影響，不需傳感器匹配機(jī)械平衡；
具有在線標(biāo)定、批量處理、濕度補(bǔ)償、傾斜補(bǔ)償?shù)裙δ埽?
圖5：安裝在控制室的BW500積算儀 |
雙路PID調(diào)節(jié)功能，可以根據(jù)不同的工藝需要設(shè)定PID的響應(yīng)時間和調(diào)節(jié)范圍；
有效地解決傳感器的特性匹配問題, 相比于外接電位器, 可以顯著提高系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。
2.2.3 稱重給料機(jī)的其他特點(diǎn)
除了秤架結(jié)構(gòu)和積算儀外，WF1200系列稱重給料機(jī)在其他部件上也結(jié)合了現(xiàn)場工藝的特點(diǎn)，做了有針對性的有效的設(shè)計。
稱重給料機(jī)系統(tǒng)的電控設(shè)備，每臺稱配一個就地控制箱，控制箱可自動及機(jī)旁手動控制，給料機(jī)控制采用變頻調(diào)速，可實(shí)現(xiàn)在集控室進(jìn)行給料機(jī)遠(yuǎn)方起、停和調(diào)速操作，接受4—20mA控制信號，在現(xiàn)場設(shè)手動/自動轉(zhuǎn)換及急停等裝置。稱重給料機(jī)可提供皮帶跑偏信號，脈沖累計信號、4—20mA電流信號，開關(guān)量輸出信號。
系統(tǒng)還采用了西門子弗蘭德減速機(jī)和Micromaster 440變頻器，大大提高了系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。
三、使用效果
2007年9月下旬該廠完成了對煅燒車間生產(chǎn)線的技術(shù)改造，在煅前安裝了西門子WF1224-87型敞開式稱重給料機(jī)和BW500稱重積算儀，并立即投入使用（如圖6）。
采用了西門子的WF1200系列稱重給料機(jī)以后, 使用的效果完全達(dá)到用戶的預(yù)期要求：
較好解決了下料不暢以及卡料和給料失控的問題;
圖6：安裝在煅前工藝的稱重給料機(jī) |
給料穩(wěn)定, 設(shè)定值為8T/H時,儀表顯示在8土0.05T/H范圍內(nèi);
n 給料機(jī)的電機(jī)功率減小，僅為0.55Kw以下。
經(jīng)4個多月的連續(xù)運(yùn)行，該設(shè)備完全達(dá)到了預(yù)期要求，實(shí)現(xiàn)在2-10噸范圍內(nèi)穩(wěn)定給料，計量精度優(yōu)于0.5%，生產(chǎn)、管理人員非常滿意。由于煅前給料穩(wěn)定、精確，也使煅燒爐的溫度穩(wěn)定，保證了產(chǎn)品質(zhì)量；給料機(jī)連續(xù)無故障運(yùn)行，減少了維護(hù)投入，工作人員省力、省心、放心；綜合經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。
參考文獻(xiàn)：
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