羅克韋爾PowerFlex7000在鐵礦管道輸送智能計量系統中的應用

　　隨著中國經濟的迅速發展， 對鋼材的需求日益增加。鐵礦石是鋼鐵生產的主要原料，其來源與運輸直接關系到鋼鐵生產企業的存亡。過去，云南省因為省內鐵礦石供應不足，需利用海外鐵礦石，但云南省地處西南高原，遠離海港，運輸成本非常高?，F在經多年勘探，在云南省發現了一些大儲量鐵礦山，大紅山鐵礦就是其中之一。不過這些礦山地處崇山峻嶺，交通不便，如何高效率、低成本地將每年數百萬噸的鐵精礦運輸到冶煉工廠是一個難題。更困難的是，在大量鐵精礦的運輸過程中還必須盡可能地避免因拋灑而造成的資源浪費和對自然環境的污染。

　　鐵精礦的陸上長距離運輸可以采用公路、鐵路和管道等多種方式。大紅山鐵礦從礦區至昆鋼冶煉廠區的公路為299km，路況很差，難以實現大規模公路運輸，且公路運輸費用高，環境污染嚴重。新建鐵路則難度很高，且所需投資大，環境污染也較嚴重。而管道運輸具有密閉、高效、經濟、節能和環保等多方面的優勢。因此，大紅山鐵精礦最終采用了通過管道進行運輸。

　　鐵精礦的陸上長距離運輸可以采用公路、鐵路和管道等多種方式。大紅山鐵礦從礦區至昆鋼冶煉廠區的公路為299km，路況很差，難以實現大規模公路運輸，且公路運輸費用高，環境污染嚴重。新建鐵路則難度很高，且所需投資大，環境污染也較嚴重。而管道運輸具有密閉、高效、經濟、節能和環保等多方面的優勢。因此，大紅山鐵精礦最終采用了通過管道進行運輸。

　　經過長達 4 年的運行，再次證明了在羅克韋爾自動化平臺上設計和開發的產品都極為可靠、穩定，并具有高品質。其中具有多級壓力供給能力的泵站便采用了羅克韋爾的變頻器。Allen-Bradley PowerFlex 7000 中壓變頻器是行業內優秀的通用中壓變頻器。六脈沖電流變頻器基于 CSI-PWM 技術(電流源逆變器技術 (CSI) 與脈寬調制技術 (PWM) 的結合)，帶來了不同尋常的控制性能。PowerFlex 7000 中壓變頻器在這 4 年中保證了多級泵站良好穩定的工作。

　　主泵配備了 SLC500 系列控制器，這些都符合項目的需求。它們采用模塊化設計，抗沖擊，耐熱，可以在大紅山的苛刻環境下良好運行。羅克韋爾自動化Allen-Bradley SLC500 系列產品也是公認的功能強大而又極為可靠的小型邏輯控制器解決方案。

　　針對大紅山鐵精礦管道輸送的特點，根據管道工藝及管道運行經驗，并結合自動控制、通信網絡、軟件編程、計量等技術，最終成功開發出了管道輸送計量系統，為大紅山鐵精礦輸送管道的安全、經濟運行提供了保障。

　　一、鐵精礦管道輸送計量系統的特點

　　由于礦漿漿體特殊的物理性質，長距離礦漿管道輸送過程中流量的測量和計量一直是行業內難以解決的問題。目前世界范圍內還沒有一種能夠對礦漿流量進行準確計量的儀表。而礦漿流量又是礦漿輸送過程中必要的監測數據。在大紅山的管道設施中，根據管道的工藝和管道運行經驗選用了羅克韋爾自動化的平臺，包括在多級泵站系統中采用了 PowerFlex 7000 中壓變頻器，為主泵配備了 SLC500 系列控制器等，憑借這些穩定的高品質產品，整個管道在大紅山的苛刻環境下始終保持著良好的運行狀態。在此基礎上，結合自動控制、通信網絡、軟件編程、計量等技術，建立了管道輸送計量的數學模型。從而最終成功開發出了針對大紅山管道漿體輸送的“昆明大紅山鐵精礦管道輸送計量系統”。該系統投入使用后，完全替代了管道中的原有設計。

　　昆明大紅山鐵精礦管道輸送計量系統的特點如下：

　　(1) 羅克韋爾自動化的平臺保證了計量系統數據的準確性和穩定性。

　　(2) 無論管道中運行的是水還是礦漿，系統均能準確測量出管道內輸送物質的瞬時流量。

　　(3) 系統結合了管道運行工藝，可以智能判斷出管道內輸送的物質。

　　(4) 系統中融入了信息技術和網絡安全技術，實現了只要有互聯網就能監控其數顯的功能。

　　二、鐵精礦管道運輸中運量計量的數學模型

　　由于礦漿密度ρ隨工況不同(例如打水、打漿以及漿頭、漿尾)連續變化，因此ρslurry 是時間t的函數ρslurry (t)。對于定排量活塞隔膜泵，可以用活塞往復次數S的不斷遞增來代替時間t的遞增，因此ρslurry(t) 可以改寫為ρslurry(s) ?；钊涍^ds次往復(時間為 dt)，泵送的礦漿體積為

　　式中，Vo 為活塞單次往復的理想泵送體積;η為活塞泵送體積經驗系數(活塞泵送的效率);Vslurry 為漿體體積。于是，活塞在 s 次往復(時間為 t)內泵送的礦漿總體積和總質量分別為

　　計算 Vslurry 所需的活塞往復次數 S 來自于現場 PLC，而計算 mslurry 所需的實時礦漿密度 ρslurry(S) 不是直接測得的，需由PLC利用實時礦漿質量濃度 Cslurry(t) 或Cslurry(S) 計算得出。

　　基于公式 (1) 到 (3)，結合 PLC 采集的實時數據，可推導出整個管道中的干礦質量和生產水質量分別為：

　　式中，i 為管段號(共3個管段);j 為同質流體段號;Ki 為第 i 個管段中的流體段數;Lij 為第 i 個管段中第 j 個同質流體段的長度，根據管道的運行歷史動態計算;A0 為管道橫截面積;ρij 為第 i 個管段中第 j 個同質流體段的密度;Cslurry(i, j) 為第 i 個管段中第 j 個同質流體段的固體質量濃度;ξij 為控制礦漿中的水是否計入管內水總質量的開關量，本系統在計算時礦漿中的水不計入管內水總質量，當第 i個管段中第 j 個同質流體段為水時 ξij 取值為 1，當第 i 個管段中第 j 個同質流體段為漿體時，ξij 取值為 0。

　　三、測量結果與處理

　　鐵精礦管道輸送計量系統根據特定數學模型，可測量以下數據：“管道內水體積”、“管道內礦漿體積”、“管道內干礦質量”、“管道累計輸送礦漿體積”、“管道累計輸送水體積”、“管道累計輸送干礦質量”、“日平均濃度”、“月平均濃度”等，這些數據均為現場儀表無法測量的數據。圖 1 為系統實時運行時顯示的測量結果。

　　“瞬時濃度” - 通過“管控平臺”從Logix5000 PLC 內直接取值;取值間隔為0.5 s，取值后直接進入取值數據庫。

　　“皮帶秤瞬時流量” - 通過“管控平臺”從上位機取值，取值后直接放入系統前臺顯示，并經記錄后放入存檔數據庫。

　　另外，系統中所用到的數字量均為通過“管控平臺”從 Logix5000 PLC 內直接取值。

　　數字量取值主要用于系統智能判斷管道內的輸送物質，但不能單一地依靠數字量進行確定，為了保證系統的準確性，應采用多種方法共同進行確定。

　　例如：主泵入口前的水閥打開、礦漿閥關閉時，可以初步判斷當前管道內的介質為水;與此同時，另一組程序將對主泵人口處的濃度計進行實時取值，如果濃度大于某一特定值，則程序判斷輸送物質為礦漿，如果濃度在 0 到特定值之間，則程序判斷輸送物質為水。當兩組程序均判斷管內輸送物質為水時，可確定管內輸送物質為水。

　　整個系統中所含判斷條件多且繁雜，如果在取值、計算、存檔上過于頻繁，將降低系統的性能。因此，經過分析及測試，規定了特定的周期。

　　例如：規定從濃度計 dit-1073 上的取值為每 0.5s 取值 1 次，所有取到的數據均存入數據采集數據庫;系統每 5s 計算 1 次瞬時平均值，每 2 分鐘調用數據庫中的數據進行驗證性計算，完成后保存所有數據。這樣既保證了數據的準確性，也保證了系統的可實施性。

　　四、結論

　　由于礦漿漿體特殊的物理性質，目前世界范圍內還沒有一種能夠對礦漿漿體流量進行準確計量的儀表。

　　云南大紅山管道有限公司通過利用隔膜泵腔體體積、隔膜往復次數、礦漿濃度等參數建立數學模型，實現了在礦漿輸送管道運行過程中對礦漿漿體進行實時準確計量。羅克韋爾自動化的平臺保證了計量系統數據的準確性和穩定性。憑借在羅克韋爾自動化集成架構基礎上構建的高級自動化和控制系統，大紅山管道公司實現了連續生產。在大紅山鐵礦的運行實踐表明，礦漿漿體計量系統對精礦輸送管道的安全、經濟運行起到了保障作用，并對同行業具有示范作用。