引言

目前国内钢铁企业都有各自的烧结机、球团生产线系统，各生产厂都对各自产品的品质有着严格的要求，以保证产品的合格率。同时，对生产过程中的监控和自动化仪表的安装调试也有着更高的要求，进行良好地生产过程控制，才能保证很好的产品品质。钢厂中制成车间所用矿粉的种类较多、原材料配料颗粒不均匀、配料室过来的所有配料中杂质比较多等影响产品品质的因素相对比较容易解决，而原材料的含水量随生产环境的变化而变化较大是导致产品品质好坏的关键因素，也是烧结、球团矿品质的一个重要控制环节。混合配料的水分含量多于标准值，会直接影响烧结混合料的燃烧和烧结效果; 而水分含量过少低于标准值，则会因混合过程中的成球性差等引起烧结矿结块率降低、返粉量增大，**终影响烧结矿的产量和品质，因而钢厂的制成车间对烧结过程中混合配料的水分检测和稳定控制非常重视。本文结合内蒙古包头市明拓集团新生产线球团混合配料系统施工中混合配料水分控制系统的现场实例，对混合配料水分控制系统的组成和原理进行介绍，并就整个系统的安装、调试注意事项加以阐述。

 

1 混合配料水分检测控制系统组成

混合配料含水量控制系统由电磁流量计、红外线波长水分仪、称重传感器、执行机构等现场检测和执行单元，以及信号隔离器( 安全栅) 、计算机输入输出模块、西门子 SIMTIC300 系列和后台监控显示器等组成，其组成方框图见图 1。系统传递信号类型为: 4 ～ 20mA DC 信号。

2 混合配料含水量测量系统各组件原理

电动执行机构、称重传感器、安全栅等均属常规检测、转换、执行单元仪表，现就电磁流量计、红外线波长水分仪原理加以说明。

 

2． 1 电磁流量计原理及基本结构

电磁流量计的设计原理是采用法拉第电磁感应定律进行流体流量测量的流量计。其优点是压损较小，测流量范围较大，所适用的介质管道范围宽，同时输出信号和被测流量成线性，精确度较高，广泛用于酸、碱、盐溶液、水、污水等的流体流量测量。

 

电磁流量计的测量原理是: 当导体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中会产生感应电势，产生的感应电势大小与其在磁场中的有效长度和磁场中的速度成正比。同理，导电流体在磁场中作垂直方向流动而切割磁力线时，也会在管道两边的电极上产生相应的感应电动势［1］。

 

由法拉第电磁感应原理，在介质管道的管壁上安装了一对检测电极，当导电介质流体沿测量管轴线运动时，流体切割磁力线所产生的感应电动势可从安置的两个检测电极检出，其数值大小与流速成正比例，传感器将所测量的感应电势作为流量信号，传送到变送器，经信号处理后，可以由现场液晶显示器显示瞬时流量和累积流量; 同时变送器又会有 4 ～ 20 mA DC 输出，传输给后台计算机系统，进行集中显示和控制输出［2］。

 

电磁流量计的结构主要由磁路部分、测量管道、测量电极、保护外壳、衬里和变送器、安装法兰、垫片及接地螺钉等部分组成。

 

磁路部分: 主要用来产生均匀的直流或交流磁场。直流磁场可以采用永久磁铁来实现，永久磁铁安置结构比较简单，并受交流磁场的干扰小，但其电极容易被极化，导致两电极间的内阻增大，严重影响仪表的测量精度。另外当介质管道直径太大时，需要配置的永久磁铁也相应很大，笨重而不经济，难于安装，所以电磁流量计一般采用交变磁场，采用 50 Hz 交流工频电源线圈激励产生的交变磁场。

 

测量管道: 主要用来预制安装测量线圈和电极等现场测量元器件。将电磁流量计的励磁线圈、电极等安装在预制管道短管上，同时为了防止磁力线通过测量导管时磁通量被分流或短路，因而测量管道的材质尽量采用不导磁、低电率、低热导率且具有一定强度的材料制成，通常采用不锈钢、玻璃钢和高强度塑料等加工而成。

 

测量电极: 主要是引出和被测流体流量成正比的磁电感应电势信号。电极一般采用不锈钢制成，安置在管道内壁，与管道内壁衬里齐平，其安装位置应设置在管道的垂直方向，两个电极对称安置，防止偏离，影响测量精度。

 

保护外壳: 采用铁磁材料制成，用于封闭励磁线圈，并隔离外来磁场。

 

衬里: 在测量管道的内侧及连接法兰密封面上，加装一层完整的电绝缘衬里。它直接与被测介质流体接触，增加测量导管的内部防腐蚀性，同时防止感应电势被金属测量短管的管壁短路。衬里材料选用多为耐腐蚀、耐磨损的聚四氟乙烯塑料和陶瓷等加工制成。

 

变送器: 当介质流体流动速度较小而产生的感应电动势信号较小时，或是收到各种干扰因素，变送器可以将感应电势信号放大并转换成统一的 4 ～ 20 mA DC标准信号并抑制主要的干扰信号，同时减少了小信号的录入。变送器主要是将电极检测到的感应电势信号经信号处理放大成统一的标准 4 ～ 20 mA DC 直流信号然后输出后台。

 

电磁流量计就安装和显示方式不同可以分为: 分体型电磁流量计( 显示器和测量短管分开安装，显示器安装在测量点附近) ，一体型电磁流量计( 流量计显示器可以直接显示流体流量) ［2］，两种方式都带远程输出标准信号功能，用于进行信号远传和后台显示。

 

2． 2 红外线水分仪的基本结构原理

红外线水分仪是根据 OH 分子吸收红外光能量不同而工作的。在一定的红外光波长范围内，水对照射过来的红外光有较强的能量吸收特性。用这些波长的红外光照射混合配料时，混合物料中所含水分就会吸收部分红外光能量，含水量越多，吸收的红外光能量越多，通过测量接收侧反射光的能量减少量来折算出混合配料的含水量。红外线测量技术是一种非破坏性、非接触式的实时测量技术。

 

水分仪的照射探头采用石英卤素灯泡，卤素灯泡发出的光线通过光学系统会产生两种不同波长的红外光束: 一种为吸收波长，其光束能量能够被所要求检测的混合配料里的水分强烈吸收; 另一种是参考波长，其光束能量不能被检测物质里的水分吸收。红外光束照射到混合配料表面时，有部分反射回来，通过准确测量吸收波长照到被测物质后水分吸收能量前后的变化，得出一个被测物质水分含量有一定比例关系的数学函数式子来。其测量原理如图 2 所示。

3 混合配料含水量检测控制方案

混合配料含水量控制系统的硬件包括: 安装在一次混合配料机工业用水管道的电动调节阀、电磁流量计，安装在一次混合配料机后运送皮带上的在线红外水分仪、皮带称，以及安装在二次混合机的电动调节阀、电磁流量计及西门子 SIMTIC300 系列控制系统和后台显示上位机。控制方案示意如图 3 所示。上述控制方案示意图中，各测量仪表工位号、名称、测量范围如表 1 所示。

混合配料含水量控制系统是为保证烧结球团混合物料含水量处于标准值范围内而设计的。其采取的控制方法是: 根据检测到混合物料的含水量，对一、二混合机要加入的水进行分配。总的原则为: 通过主控室后台操作污泥工业供水管道电动执行器的开度，在一混添加污泥工业水，供水量控制在总加水量的 85% ～90% 之间，其余的水量通过已设定好的计算模型计算用量在二混进行添加。具体方式为: 先通过安装在一混后传输皮带上安装的红外水分测试仪进行混合配料含水量测量计数，然后通过电子皮带称对混合配料质量进行测量计数，设定二混出口的含水量目标控制值，采用前馈-反馈方式进行控制，经过控制系统已有后台计算模式进行内部计算出二混的加水量。

 

4 现场设备的安装

仪表设备的现场安装质量是整个系统正常工作运行的保障，是系统准确测量、控制的关键。本控制系统中所采用检测元件和设备详见表 2。

这里着重阐述一下电磁流量计的安装: 正确地选择安装点和正确安装流量计都是非常重要的环节，若在安装环节失误，轻者影响测量精度，重者会影响流量计的使用寿命，甚至会损坏流量计。电磁流量计的安装要求shou先是必须选择安装在管路的**低点或者管路的垂直段，保证管内介质流体是满管的情况下才能准确测量。对测量直管段的要求: 一般情况下保证测量导管前面 5 倍管径而导管后面为不小于 3 倍管径，以保证电磁流量计的正常使用和满足测量精度的要求。

 

1) 对安装场所的要求

( 1) 测量短管尽量安装在任何时候测量导管内都能充满介质的位置，同时测量短管尽量垂直安装，使被测液体自下而上流经测量短管，避免因在测量短管中有沉淀物或在介质流体产生气泡而造成测量误差过大。

( 2) 选择振动小的场所，特别是一体型电磁流量计，同时非测量电极的轴线必须近似于水平方向。

( 3) 尽量避开附近有大电机、变压器、变频电机等启动频繁的设备，以防止引起电磁干扰，同时电磁流量计的外壳、测量短管、连接法兰、流量计两端的管道都要可靠接地。并且要单独设置接地点，禁止连接在电机、电气设备等的共用接地系统。

( 4) 尽量避开周围有高浓度腐蚀性气体的环境。

( 5) 流体介质应具有流量测量所需的电导率，同时电导率分布比较均匀。电磁流量计要尽量安装在能够避开容易产生流体介质电导率不均匀的场所。

 

2) 测量导管安装前后直管段的长度要求比较低，对于 90°弯管、三通、同心异径管、直通阀等通常需要离电极中心线大于 5 倍管道直径长度的直管段，不同开度的阀则需 10 倍，而下游直管段则一般为不小于3 倍。

3) 一般情况下，电磁流量计的传感器安装方向不受限制。但是测量含污泥杂质比较多的介质流体**好垂直安装，自下而上流动，减少水平安装时下半部衬里的磨损和流体低流速时污泥杂物的沉淀等。水平安装时要使正负电极轴线平行于介质管道。垂直安装时，介质流体流动方向为由下而上，避免无流量或小流量时，流体中夹杂的固态颗粒下沉，而较轻的物质漂浮而脱离了流量计电极的测量区。

4) 一体式电磁流量计传感器由于显示器和检测设备合为一体，安装时候需要注意必须单独接地，其接地电阻10Ω下。分离式电磁流量计的接地则可以采用在传感器一侧接地，另外检测设备侧可以通过电缆屏蔽层或是电缆保护管联通接地，保证接地的完整性和连通性，同时保证接地电阻符合要求。

 

5 系统调试投运

5． 1 单体调校

1) 电动执行器要进行全行程校验，用直流毫安表( 0． 5 级) 监视执行机构的反馈输出，4 mA DC 对应电动调节阀全关，20 mA DC 对应电动调节阀全开，并且线性良好，无抖动、跳动情况发生。

2) 电磁流量计变送器要进行电流输入、输出 4 ～

20 mA DC 的信号校准，同样用直流毫安表监视。

3) 水分测试仪要进行电流输出 4 ～ 20 mA DC 的校准，用直流毫安表监视。

4) 称重传感器要采用标准试块进行称重标定，测量其输出信号与测量量程是否对应; 配套测速传感器要进行速度校验，标准测速仪进行速度标定。

5) 变送器、热电阻、压力表等表计要进行现场校对，测量误差应满足规程规范要求。

6) 接线完成后要进行系统通道试验，检查系统地址的正确性和输入输出通道的正确性，同时核对测量量程设定是否一致。

 

5． 2 系统联调

认真阅读各重点设备使用说明书，shou先进行检查设备供电系统的正确确认，进行仪表和控制柜绝缘电阻的检查、接地系统和接地电阻的检查、全部系统设备和模块插卡的通电状态检查、输入输出模块插卡进行校准和通道试验等，并将设备投入运行; 检查系统的全部联线，系统联线正确包括信号回路和电源回路。由远端进行系统信号模拟，检查系统显示、运算处理、操作、控制、报警等功能，并检查系统诊断、维护功能，系统的冗余功能等。人为设置给定干扰项目，检查自动系统的抗扰动能力和响应时间，以及与此控制系统有关的组态数据和控制方案进行检查，**终达到系统投入自动运行操作［3］。

 

6 结束语

混合配料含水量检测控制系统在明拓集团球团生产车间已经开始投入使用，较好地解决了混合配料水分含量难以控制的难题，使混合配料水分含量控制在设计标准范围内，能够产出更好的优质烧结矿。需要日后及时做好对系统在线设备的日常维护，使其在实际运行中发挥更大的作用。