涟钢130（180）m2烧结机配料称量系统的改造设计与实现———涟钢

一、前言
     改造前，涟钢130m2烧结机配料系统有18台电子配料皮带秤（简称设备）。由于当时设计缺乏系统考虑，导致设备制造厂家多，型号规格五花八门，设备配套不统一，同时设备配料能力较低，备件来源也很困难，尤其随着新上180m2烧结机的投产，两台烧结机生产工艺流程为共用进出料双系统，工艺控制难度大，生产能力成倍增长，而系统的电子皮带秤又是原130m2烧结机的配置，所以导致配料系统经常超负荷运行，设备的驱动装置与传动装置等重要部件磨损快，消耗大，设备故障率高，配料控制精度较差，特别是使用的国产二次称重仪表没有总线方式的配置，功能不强，仅能采用4mA～20mA信号传输到PLC控制，转换误差大，严重影响了系统的称量准确性。180m2烧结机是在原130m2烧结机配料能力基础上增加了2台中和粉仓电子配料皮带秤，是实现配料过程分配流量自动控制及一混、二混加水自动控制的关键设备。改造前存在的主要问题：①分料室两台圆盘落料点与秤用输送皮带的落料点高度太大（>700mm），导致落料高度对秤直接产生较大的冲击力，加上秤的有效称量段太小（<500mm），落料高度的冲击力直接影响了物料计量准确性，使高精度的电子皮带秤在使用中成了一台普通的物料输送皮带机，造成资源的浪费；②两台分料用的电子配料皮带秤输送流量设计偏小，为满足烧结生产只好强行提高秤用皮带速度，而造成电气控制频繁跳闸，严重影响设备的正常运行；③选用的两台称量输送皮带机制造工艺粗糙，秤架结构单薄，刚度与稳定性较差，不适应130m2和180m2两台烧结机分料能力的扩大生产（原设计能力分料输送最大流量仅为550t／h，而目前实际分料输送需求能力分别为750t／h和900t／h）。由于改造前设备设计能力差异较大，造成输送能力不能满负荷满足烧结生产需求。
     针对130（180）m2烧结机配料系统存在的以上问题，结合烧结生产发展需求和工艺特点，通过技术方案的比较和装备改造及产品选型的反复论证，我们于2005年2月开始对该项目采用国内先进的秤体结构改造设计配备与国外新型具有总线制功能的称重显示仪表相结合，实现了一系列低成本自动化改造措施，做到了投资省、见效快、实用性强。
  二、改造措施与实践
    1. 将180m2烧结机分料室原有的两台电子配料皮带秤秤体结构由原头、尾轮中心距3500mm改为3700mm，有效称量段距离不小于1000mm。考虑实际需求的最大流量，同时将原有的两套秤用变频调速电机减速机功率由4kW改为5.5kW和7.5kW，并与现有的变频器功率（分别为7.5kVA和1lkVA）相匹配，实现自动调速控制的最佳效果。
    2. 根据两台烧结机分料能力的增大，改造设计中在刻意增强180m2烧结机分料室两台新秤的结构强度和机械性能的同时，加大了秤用皮带的宽度，由原800mm改为1200mm，厚度10mm，确保秤用皮带物料输送不撒料，以提高其配料精度和使用寿命。
    3. 为保证秤体设备安装高度和圆盘给料落料位置正确，经过精确计算，在确定电子配料皮带秤输送最大流量和同一料仓放料能力比例匹配的同时，对130m2烧结机生石灰仓、精粉仓下料斗和180m2烧结机分料室的两个中和粉仓圆盘给料槽口位置及设备的安装部位进行工艺改造，达到了提高其计量准确、配料控制精度好、防止物料悬空和保证物料均匀稳定的目的。
    4. 所有的电子配料皮带秤改造设计为整机式结构，取消了原有的蜗轮蜗杆二级传动装置，统一采用先进的国内生产的单级直联轴装式驱动装置。并尽量利用原有秤体安装基础（或安装支架）和料仓空间位置进行新秤结构设计，不但节省了大笔工艺设备改造费用，而且加快了这些设备改造安装的施工进度。
    5. 根据涟钢ERP项目配料数据上网需求，这次改造选用了国外先进的带MOD-BUS PLUS总线制的MW696型称重智能显示仪表。通过对原程序的改进和修改，直接通过数字通讯与PLC交换数据，完成数据通讯和采集，不但消除了由原模拟量数据通道转换带来的误差，而且提高了配料控制精度，实现了配料数据上网管理功能。
    6. 控制部分采用现场总线方式采集称量数据与称重设定，克服了传统4mA～20mA信号传输距离短、抗干扰能力差、数据转换误差大、施工不方便、必须采用成本高的模拟量采集模块等缺点。通过现场总线通讯方式，比较充分地利用了二次仪表的智能化功能，除采集与远程设定外，还可以由工作站完成一系列指令，即根据仪表反馈的称量完成信号确定料批重量，根据仪表反馈的错误码实现远程触发、上位PID计算及故障报警，可轻松完成清零去皮强制累积等功能。控制系统软件设计上做到了信号的冗余采集，即来自称重传感器的信号一路由4mA～20mA通用模拟显模块采集，做为总线采集的冗余，一路通过现场总线采集。这样，即使秤仪表上模拟量通道损坏，或者总线接口脱落与损坏，系统都能正常运行。在变频器频率给定上也做了冗余设计，既可通过PLC中编写的PID控制程序模块输出频率给定值由HMI画面进行远程设定，又可由秤仪表内带的PID通过其输出端子对变频器频率给定输入端子传送4mA～20mA信号。
   三、改造应用效果
    1. 装备性能  通过我们科学合理的技术改进实践，改造后的130（180）m2烧结机配料系统电子配料皮带秤型号统一、规格明晰、结构紧凑、外观新颖、性能优越、安装省时、维修简捷、操作方便。投运使用一年来的实践证明，系统称量准确，配料控制效果好，单机称量准确度由改造前的±2.0%提高到±0.5%，系统配料累计控制误差由改造前的4.5%减少到1.0%以内，改造后的130（180）m2烧结机配料系统与国内外同类装备相比（如秤体结构、系统控制、功能特点、维护操作、技术指标、性能价格比等）达到了国内外先进水平。
    2. 自动控制水平  该系统采用低成本自动化改造，在改造设计中大胆选用国外进口的先进智能型称重控制仪表，淘汰了比较落后的老式国产二次仪表，原自动控制配置改用MODBUS PLUS总线制方式与现有的QUENTUM PLC进行直接数据交换，完成数据采集与PLC指令下达，系统硬件先进合理。应用软件设计独特。数据采集模型与控制功能模块化优化组合，系统逻辑控制、顺序控制、联锁控制、单机回路控制和系统主程序控制联网，并连锁了配料系统设备与人身安全措施，创新性地设计了节能环保程序模块，人机界面，信息共享，其自动控制技术的全面性和先进性达到国内先进水平。该系统采用的星形以太网拓扑结构，通信网络TCP／IP五层模型，联结三个工作站，既可对130（180）m2烧结机配料工艺流程进行实时监控和远程监控，又可实现人机界面和在线设定、在线参数整定，进一步完善了烧结配料生产过程的统一调度指挥和岗位规范操作的先进生产管理模式。
    3. 技术经济指标根据改造前后涟钢烧结厂三烧车间有关生产统计资料和数据分析情况比较：
    （1）按配料准确度每提高1.0%对烧结矿成品率贡献0.5%，改造后的2005年生产入炉烧结矿349.34万吨，配料准确度比改造前的2004年提高了3.0%，则烧结矿产量提高了5.24万吨；（2）烧结矿碱度稳定率2005年为92.01%，比公司目标计划提高了2.01%，比改造前的2004年提高了2.27%；（3）烧结矿平均转鼓强度由改造前的75%提高到改造后的76.13%，同时筛分指数比原来有较大改善，-5mm粒度级含量也明显降低；（4）烧结矿合格率2005年为93.85%，比公司目标计划提高1.85%，比改造前的2004年提高2.29%。
    所以，该系统改造后的2005年烧结生产的技术经济指标也完全达到了国内同类先进水平，实践证明，改造是成功的。
   四、系统原理与控制方式
  
      根据图1所示，改造后130（180）m2烧结机各种原料（如熔剂、中和粉、焦粉、返矿等）通过圆盘给料机和料仓给料器与集料皮带机之间安装调试好的的电子配料皮带秤称量检测后，可定时取得各原料流量反馈值的电压信号，由称重传感器信号输送至称重控制仪表，经PI运算后再输出4mA～20mA控制信号，或经MB+现场总线送至PLC有关模块进行处理，与上位机设定值进行比较，由PLC完成PI运算，设定相关变频器的输出频率；两种PI运算经控制柜上的硬接线转换开关进行选择（也可通过上位机HMI画面上的软转换开关选择PLC-PI运算输出或仪表PI运算输出）。配料皮带秤中测速编码器（传感器）是用来测量皮带运输原料速度的，通过被动轮的转动距离转换成皮带上原料运行速度的脉冲信号送到称重控制仪表，然后进行调节运算，实现自动控制流量大小的要求。系统工作方式有三种：一种是手动给料，即通过外部电位器给变频器一个模拟电压，以调节电动机的运行速度；第二种是自动给料，即通过称重控制仪表键盘，任意给定所需给料量并通过给料量大小变化自动调整变频器频率（电动机的运行速度）；第三种是上位机远程给定，由PLC通过模拟量模块采集二次仪表输出的4mA～20mA信号，或者经MB+现场总线方式完成PLC数据采集，这时给料设定就可由上位机HMI画面来完成。三个工作站与PLC通过以太网相连并接人公司局域网，可靠完成配科数据采集、通讯及信息共享，并且具有与涟钢ERP数据上网的生产管理功能。
  五、改造设计的创新点
    1. 通过对130（180）m2烧结机配料（分料）电子皮带秤在结构上的改造设计（见图2），提高了秤的整体结构机械性能。结构采用单体框多托辊形式，秤架结构系数为0.5，过载系数为150%，运行稳定性好，计量准确度较高，使用寿命较长。
  
      2. 秤体结构在改造设计中大胆创新，采用优质厚壁方型管材制作，机架侧面为“目”字型结构，秤框为“日”字型设计。采用矩形型材，刚性大，挠度小，重量轻，强度高，新颖美观，完全淘汰了目前国内大多数厂家传统落后的全槽钢结构。
    3. 秤体支点采用长轴设计，同心度高，转轴摩擦力小，并设计双轴螺旋，高密度小型橡胶轴承，抗扭矩性能好，复位精度高。秤体托辊轴、支点轴均采用侧面安装法，其承载能力强，稳定性好。
    4. 秤体的吊挂部分采用关节轴承与短钢带直联方式。这种结构的复位性、灵敏度均好于改造前的关节轴承连接或十字簧片连接方式。经现场一年的使用情况证明，这种关键技术的创新使传感器承受的载荷信号与垂直于皮带的线载荷线性一致，确保秤的配料精度高的准确性。
    5. 为减小“皮带效应”对计量精度的影响，这次改造将主动轮设计在受料端，采用摆线针轮与减速器同心传动，传动效率高，稳定性好，摆动小。彻底消除了电动机、减速机联结不同心产生的秤体摆动所造成的计量误差。
    6. 称重机构采用单杠杆双托辊双传感器机构，其优点与创造点是由两组托辊所组成的一个称量平台，且力臂较长，能最大限度的克服物料输送不均匀所造成的计量误差，同时采用双传感器，能较好地克服由于皮带跑偏（偏载）所造成的计量误差。
    7. 改造后的配料秤驱动均设计为后轮驱动，其特点是在皮带运行时上层为松驰状，下层皮带为绷紧状，能较好地克服皮带张力所带来的称重误差。驱动轮为包胶腰鼓形，因为包胶可以增强主动轮与皮带之间的摩擦系数，还能消除皮带重载时打滑的现象，同时腰鼓形主、从动辊还具有防皮带跑偏的功能，运行中不会产生由皮带强行纠偏所造成的配料控制精度误差，根据130（180）m2烧结机大小流量原料配比工艺要求，其驱动装置部分采用BW型硬齿面摆线针轮减速机，联轴器采用爪形橡胶联轴器，采用直联式安装方式，具有无噪声、维护量小、检修方便等特点。
    8. 130（180）m2烧结机有6台圆盘配料秤用刮料器，以前采用平衡锤调节单边刮料橡胶片，长期使用受圆盘配料流量大、原料水分多、粘性强、物料输送波动变化大的影响，容易造成单边刮料板磨损快、平衡锤重心轻、调节失控、配料皮带刮料不干净，导致称量皮重难以消除，直接影响了秤的配料控制精度和皮带使用寿命。这次改造中利用皮带输送波动起伏的状态，创新为每个平衡锤装置设计一套简易的弹簧式调节装置，并同时将原单边刮料板改成两面橡胶刮料片，保证了皮带刮料干净，刮料板利用率提高了50%，皮带消耗率降低52.5%，每年可节省维修成本3万元以上。
    9. 通过对秤体结构进行技术改进后，拥有了质优价廉的配料称重检测设备，我们还根据烧结工艺的要求，针对有些配料仓容量的扩展和工艺设备的改造情况，对每一台设备的安装高度位置和落料点与有效称量段分布进行了合理的调整。由于采用性能优越的新型配料称量设备，取消了原准备更新28台变频器的计划，通过精确计算充分利用了原有电气控制设备，单此一项节省工程投资12.6万元左右。
    10. 由于秤仪表本身不具有现场通用智能总线功能，这次改造中，我们采用了协议转换手段，通过网关，将称量仪表的 RS485协议转换为MODBUS PLUS协议，为此实现了RS422／RS485←→MODBUS PLUS,RS422／ RS485←→MODBUS之间的协议转换功能。
    11. 开发了基于节能和安全方式的程序模块，控制方式上有集中／机旁方式，HMⅡ画面上有集中自动／集中手动操作方式。在集中自动控制模式中，PID的调节精度高，采用了流量前馈技术，抗干扰能力强，从而达到精确变频、节能的目的。同时充分利用仪表反馈的状态码，对现场设备进行实时全面监控，比纯硬接线方式更能全面地反映现场故障状况，保证人身与设备的安全。
  六、结束语
       结合涟钢原料来源复杂、成分波动大、杂物多的实际情况，消化和掌握了国内先进的配料工艺和装备技术，大胆创新，努力提高电子配料皮带秤的准确度是这次改造的目的。生产实践证明，随着配料准确度的提高，烧结矿成品率大幅提高，按照相关统计资料和自身以往的数据分析，配料准确度每提高1%，烧结矿成品率将提高0.5%。2005年涟钢烧结厂三烧车间共生产入炉烧结矿349.34万吨，改造后实际提高了3%配料准确度，增加产量5.24万吨，确保了烧结过程工艺控制稳定，为涟钢烧结厂2005年完成历史性的500万吨产量提供了基础性支持，同时也为涟钢产铁375万吨、产钢410万吨提供了有力保证。该系统改造设计的成功实现，可年创经济效益1000万元以上。