罗克韦尔PowerFlex7000在铁矿管道输送智能计量系统中的应用

　　随着中国经济的迅速发展， 对钢材的需求日益增加。铁矿石是钢铁生产的主要原料，其来源与运输直接关系到钢铁生产企业的存亡。过去，云南省因为省内铁矿石供应不足，需利用海外铁矿石，但云南省地处西南高原，远离海港，运输成本非常高。现在经多年勘探，在云南省发现了一些大储量铁矿山，大红山铁矿就是其中之一。不过这些矿山地处崇山峻岭，交通不便，如何高效率、低成本地将每年数百万吨的铁精矿运输到冶炼工厂是一个难题。更困难的是，在大量铁精矿的运输过程中还必须尽可能地避免因抛洒而造成的资源浪费和对自然环境的污染。

　　铁精矿的陆上长距离运输可以采用公路、铁路和管道等多种方式。大红山铁矿从矿区至昆钢冶炼厂区的公路为299km，路况很差，难以实现大规模公路运输，且公路运输费用高，环境污染严重。新建铁路则难度很高，且所需投资大，环境污染也较严重。而管道运输具有密闭、高效、经济、节能和环保等多方面的优势。因此，大红山铁精矿最终采用了通过管道进行运输。

　　铁精矿的陆上长距离运输可以采用公路、铁路和管道等多种方式。大红山铁矿从矿区至昆钢冶炼厂区的公路为299km，路况很差，难以实现大规模公路运输，且公路运输费用高，环境污染严重。新建铁路则难度很高，且所需投资大，环境污染也较严重。而管道运输具有密闭、高效、经济、节能和环保等多方面的优势。因此，大红山铁精矿最终采用了通过管道进行运输。

　　经过长达 4 年的运行，再次证明了在罗克韦尔自动化平台上设计和开发的产品都极为可靠、稳定，并具有高品质。其中具有多级压力供给能力的泵站便采用了罗克韦尔的变频器。Allen-Bradley PowerFlex 7000 中压变频器是行业内优秀的通用中压变频器。六脉冲电流变频器基于 CSI-PWM 技术(电流源逆变器技术 (CSI) 与脉宽调制技术 (PWM) 的结合)，带来了不同寻常的控制性能。PowerFlex 7000 中压变频器在这 4 年中保证了多级泵站良好稳定的工作。

　　主泵配备了 SLC500 系列控制器，这些都符合项目的需求。它们采用模块化设计，抗冲击，耐热，可以在大红山的苛刻环境下良好运行。罗克韦尔自动化Allen-Bradley SLC500 系列产品也是公认的功能强大而又极为可靠的小型逻辑控制器解决方案。

　　针对大红山铁精矿管道输送的特点，根据管道工艺及管道运行经验，并结合自动控制、通信网络、软件编程、计量等技术，最终成功开发出了管道输送计量系统，为大红山铁精矿输送管道的安全、经济运行提供了保障。

　　一、铁精矿管道输送计量系统的特点

　　由于矿浆浆体特殊的物理性质，长距离矿浆管道输送过程中流量的测量和计量一直是行业内难以解决的问题。目前世界范围内还没有一种能够对矿浆流量进行准确计量的仪表。而矿浆流量又是矿浆输送过程中必要的监测数据。在大红山的管道设施中，根据管道的工艺和管道运行经验选用了罗克韦尔自动化的平台，包括在多级泵站系统中采用了 PowerFlex 7000 中压变频器，为主泵配备了 SLC500 系列控制器等，凭借这些稳定的高品质产品，整个管道在大红山的苛刻环境下始终保持着良好的运行状态。在此基础上，结合自动控制、通信网络、软件编程、计量等技术，建立了管道输送计量的数学模型。从而最终成功开发出了针对大红山管道浆体输送的“昆明大红山铁精矿管道输送计量系统”。该系统投入使用后，完全替代了管道中的原有设计。

　　昆明大红山铁精矿管道输送计量系统的特点如下：

　　(1) 罗克韦尔自动化的平台保证了计量系统数据的准确性和稳定性。

　　(2) 无论管道中运行的是水还是矿浆，系统均能准确测量出管道内输送物质的瞬时流量。

　　(3) 系统结合了管道运行工艺，可以智能判断出管道内输送的物质。

　　(4) 系统中融入了信息技术和网络安全技术，实现了只要有互联网就能监控其数显的功能。

　　二、铁精矿管道运输中运量计量的数学模型

　　由于矿浆密度ρ随工况不同(例如打水、打浆以及浆头、浆尾)连续变化，因此ρslurry 是时间t的函数ρslurry (t)。对于定排量活塞隔膜泵，可以用活塞往复次数S的不断递增来代替时间t的递增，因此ρslurry(t) 可以改写为ρslurry(s) 。活塞经过ds次往复(时间为 dt)，泵送的矿浆体积为

　　式中，Vo 为活塞单次往复的理想泵送体积;η为活塞泵送体积经验系数(活塞泵送的效率);Vslurry 为浆体体积。于是，活塞在 s 次往复(时间为 t)内泵送的矿浆总体积和总质量分别为

　　计算 Vslurry 所需的活塞往复次数 S 来自于现场 PLC，而计算 mslurry 所需的实时矿浆密度 ρslurry(S) 不是直接测得的，需由PLC利用实时矿浆质量浓度 Cslurry(t) 或Cslurry(S) 计算得出。

　　基于公式 (1) 到 (3)，结合 PLC 采集的实时数据，可推导出整个管道中的干矿质量和生产水质量分别为：

　　式中，i 为管段号(共3个管段);j 为同质流体段号;Ki 为第 i 个管段中的流体段数;Lij 为第 i 个管段中第 j 个同质流体段的长度，根据管道的运行历史动态计算;A0 为管道横截面积;ρij 为第 i 个管段中第 j 个同质流体段的密度;Cslurry(i, j) 为第 i 个管段中第 j 个同质流体段的固体质量浓度;ξij 为控制矿浆中的水是否计入管内水总质量的开关量，本系统在计算时矿浆中的水不计入管内水总质量，当第 i个管段中第 j 个同质流体段为水时 ξij 取值为 1，当第 i 个管段中第 j 个同质流体段为浆体时，ξij 取值为 0。

　　三、测量结果与处理

　　铁精矿管道输送计量系统根据特定数学模型，可测量以下数据：“管道内水体积”、“管道内矿浆体积”、“管道内干矿质量”、“管道累计输送矿浆体积”、“管道累计输送水体积”、“管道累计输送干矿质量”、“日平均浓度”、“月平均浓度”等，这些数据均为现场仪表无法测量的数据。图 1 为系统实时运行时显示的测量结果。

　　“瞬时浓度” - 通过“管控平台”从Logix5000 PLC 内直接取值;取值间隔为0.5 s，取值后直接进入取值数据库。

　　“皮带秤瞬时流量” - 通过“管控平台”从上位机取值，取值后直接放入系统前台显示，并经记录后放入存档数据库。

　　另外，系统中所用到的数字量均为通过“管控平台”从 Logix5000 PLC 内直接取值。

　　数字量取值主要用于系统智能判断管道内的输送物质，但不能单一地依靠数字量进行确定，为了保证系统的准确性，应采用多种方法共同进行确定。

　　例如：主泵入口前的水阀打开、矿浆阀关闭时，可以初步判断当前管道内的介质为水;与此同时，另一组程序将对主泵人口处的浓度计进行实时取值，如果浓度大于某一特定值，则程序判断输送物质为矿浆，如果浓度在 0 到特定值之间，则程序判断输送物质为水。当两组程序均判断管内输送物质为水时，可确定管内输送物质为水。

　　整个系统中所含判断条件多且繁杂，如果在取值、计算、存档上过于频繁，将降低系统的性能。因此，经过分析及测试，规定了特定的周期。

　　例如：规定从浓度计 dit-1073 上的取值为每 0.5s 取值 1 次，所有取到的数据均存入数据采集数据库;系统每 5s 计算 1 次瞬时平均值，每 2 分钟调用数据库中的数据进行验证性计算，完成后保存所有数据。这样既保证了数据的准确性，也保证了系统的可实施性。

　　四、结论

　　由于矿浆浆体特殊的物理性质，目前世界范围内还没有一种能够对矿浆浆体流量进行准确计量的仪表。

　　云南大红山管道有限公司通过利用隔膜泵腔体体积、隔膜往复次数、矿浆浓度等参数建立数学模型，实现了在矿浆输送管道运行过程中对矿浆浆体进行实时准确计量。罗克韦尔自动化的平台保证了计量系统数据的准确性和稳定性。凭借在罗克韦尔自动化集成架构基础上构建的高级自动化和控制系统，大红山管道公司实现了连续生产。在大红山铁矿的运行实践表明，矿浆浆体计量系统对精矿输送管道的安全、经济运行起到了保障作用，并对同行业具有示范作用。