隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展， 對(duì)鋼材的需求日益增加。鐵礦石是鋼鐵生產(chǎn)的主要原料，其來源與運(yùn)輸直接關(guān)系到鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的存亡。過去，云南省因?yàn)槭?nèi)鐵礦石供應(yīng)不足，需利用海外鐵礦石，但云南省地處西南高原，遠(yuǎn)離海港，運(yùn)輸成本非常高。現(xiàn)在經(jīng)多年勘探，在云南省發(fā)現(xiàn)了一些大儲(chǔ)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(shù)百萬噸的鐵精礦運(yùn)輸?shù)揭睙捁S是一個(gè)難題。更困難的是，在大量鐵精礦的運(yùn)輸過程中還必須盡可能地避免因拋灑而造成的資源浪費(fèi)和對(duì)自然環(huán)境的污染。

　　鐵精礦的陸上長距離運(yùn)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(qū)至昆鋼冶煉廠區(qū)的公路為299km，路況很差，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模公路運(yùn)輸，且公路運(yùn)輸費(fèi)用高，環(huán)境污染嚴(yán)重。新建鐵路則難度很高，且所需投資大，環(huán)境污染也較嚴(yán)重。而管道運(yùn)輸具有密閉、高效、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能和環(huán)保等多方面的優(yōu)勢。因此，大紅山鐵精礦最終采用了通過管道進(jìn)行運(yùn)輸。

　　鐵精礦的陸上長距離運(yùn)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(qū)至昆鋼冶煉廠區(qū)的公路為299km，路況很差，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模公路運(yùn)輸，且公路運(yùn)輸費(fèi)用高，環(huán)境污染嚴(yán)重。新建鐵路則難度很高，且所需投資大，環(huán)境污染也較嚴(yán)重。而管道運(yùn)輸具有密閉、高效、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能和環(huán)保等多方面的優(yōu)勢。因此，大紅山鐵精礦最終采用了通過管道進(jìn)行運(yùn)輸。

　　經(jīng)過長達(dá) 4 年的運(yùn)行，再次證明了在羅克韋爾自動(dòng)化平臺(tái)上設(shè)計(jì)和開發(fā)的產(chǎn)品都極為可靠、穩(wěn)定，并具有高品質(zhì)。其中具有多級(jí)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(yè)內(nèi)優(yōu)秀的通用中壓變頻器。六脈沖電流變頻器基于 CSI-PWM 技術(shù)(電流源逆變器技術(shù) (CSI) 與脈寬調(diào)制技術(shù) (PWM) 的結(jié)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(jí)泵站良好穩(wěn)定的工作。

　　主泵配備了 SLC500 系列控制器，這些都符合項(xiàng)目的需求。它們采用模塊化設(shè)計(jì)，抗沖擊，耐熱，可以在大紅山的苛刻環(huán)境下良好運(yùn)行。羅克韋爾自動(dòng)化Allen-Bradley SLC500 系列產(chǎn)品也是公認(rèn)的功能強(qiáng)大而又極為可靠的小型邏輯控制器解決方案。

　　針對(duì)大紅山鐵精礦管道輸送的特點(diǎn)，根據(jù)管道工藝及管道運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合自動(dòng)控制、通信網(wǎng)絡(luò)、軟件編程、計(jì)量等技術(shù)，最終成功開發(fā)出了管道輸送計(jì)量系統(tǒng)，為大紅山鐵精礦輸送管道的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了保障。

　　一、鐵精礦管道輸送計(jì)量系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　由于礦漿漿體特殊的物理性質(zhì)，長距離礦漿管道輸送過程中流量的測量和計(jì)量一直是行業(yè)內(nèi)難以解決的問題。目前世界范圍內(nèi)還沒有一種能夠?qū)ΦV漿流量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量的儀表。而礦漿流量又是礦漿輸送過程中必要的監(jiān)測數(shù)據(jù)。在大紅山的管道設(shè)施中，根據(jù)管道的工藝和管道運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)選用了羅克韋爾自動(dòng)化的平臺(tái)，包括在多級(jí)泵站系統(tǒng)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(wěn)定的高品質(zhì)產(chǎn)品，整個(gè)管道在大紅山的苛刻環(huán)境下始終保持著良好的運(yùn)行狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合自動(dòng)控制、通信網(wǎng)絡(luò)、軟件編程、計(jì)量等技術(shù)，建立了管道輸送計(jì)量的數(shù)學(xué)模型。從而最終成功開發(fā)出了針對(duì)大紅山管道漿體輸送的“昆明大紅山鐵精礦管道輸送計(jì)量系統(tǒng)”。該系統(tǒng)投入使用后，完全替代了管道中的原有設(shè)計(jì)。

　　昆明大紅山鐵精礦管道輸送計(jì)量系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

　　(1) 羅克韋爾自動(dòng)化的平臺(tái)保證了計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

　　(2) 無論管道中運(yùn)行的是水還是礦漿，系統(tǒng)均能準(zhǔn)確測量出管道內(nèi)輸送物質(zhì)的瞬時(shí)流量。

　　(3) 系統(tǒng)結(jié)合了管道運(yùn)行工藝，可以智能判斷出管道內(nèi)輸送的物質(zhì)。

　　(4) 系統(tǒng)中融入了信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了只要有互聯(lián)網(wǎng)就能監(jiān)控其數(shù)顯的功能。

　　二、鐵精礦管道運(yùn)輸中運(yùn)量計(jì)量的數(shù)學(xué)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(xù)變化，因此ρslurry 是時(shí)間t的函數(shù)ρslurry (t)。對(duì)于定排量活塞隔膜泵，可以用活塞往復(fù)次數(shù)S的不斷遞增來代替時(shí)間t的遞增，因此ρslurry(t) 可以改寫為ρslurry(s) 。活塞經(jīng)過ds次往復(fù)(時(shí)間為 dt)，泵送的礦漿體積為

　　式中，Vo 為活塞單次往復(fù)的理想泵送體積;η為活塞泵送體積經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(活塞泵送的效率);Vslurry 為漿體體積。于是，活塞在 s 次往復(fù)(時(shí)間為 t)內(nèi)泵送的礦漿總體積和總質(zhì)量分別為

　　計(jì)算 Vslurry 所需的活塞往復(fù)次數(shù) S 來自于現(xiàn)場 PLC，而計(jì)算 mslurry 所需的實(shí)時(shí)礦漿密度 ρslurry(S) 不是直接測得的，需由PLC利用實(shí)時(shí)礦漿質(zhì)量濃度 Cslurry(t) 或Cslurry(S) 計(jì)算得出。

　　基于公式 (1) 到 (3)，結(jié)合 PLC 采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可推導(dǎo)出整個(gè)管道中的干礦質(zhì)量和生產(chǎn)水質(zhì)量分別為：

　　式中，i 為管段號(hào)(共3個(gè)管段);j 為同質(zhì)流體段號(hào);Ki 為第 i 個(gè)管段中的流體段數(shù);Lij 為第 i 個(gè)管段中第 j 個(gè)同質(zhì)流體段的長度，根據(jù)管道的運(yùn)行歷史動(dòng)態(tài)計(jì)算;A0 為管道橫截面積;ρij 為第 i 個(gè)管段中第 j 個(gè)同質(zhì)流體段的密度;Cslurry(i, j) 為第 i 個(gè)管段中第 j 個(gè)同質(zhì)流體段的固體質(zhì)量濃度;ξij 為控制礦漿中的水是否計(jì)入管內(nèi)水總質(zhì)量的開關(guān)量，本系統(tǒng)在計(jì)算時(shí)礦漿中的水不計(jì)入管內(nèi)水總質(zhì)量，當(dāng)?shù)?i個(gè)管段中第 j 個(gè)同質(zhì)流體段為水時(shí) ξij 取值為 1，當(dāng)?shù)?i 個(gè)管段中第 j 個(gè)同質(zhì)流體段為漿體時(shí)，ξij 取值為 0。

　　三、測量結(jié)果與處理

　　鐵精礦管道輸送計(jì)量系統(tǒng)根據(jù)特定數(shù)學(xué)模型，可測量以下數(shù)據(jù)：“管道內(nèi)水體積”、“管道內(nèi)礦漿體積”、“管道內(nèi)干礦質(zhì)量”、“管道累計(jì)輸送礦漿體積”、“管道累計(jì)輸送水體積”、“管道累計(jì)輸送干礦質(zhì)量”、“日平均濃度”、“月平均濃度”等，這些數(shù)據(jù)均為現(xiàn)場儀表無法測量的數(shù)據(jù)。圖 1 為系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)顯示的測量結(jié)果。

　　“瞬時(shí)濃度” - 通過“管控平臺(tái)”從Logix5000 PLC 內(nèi)直接取值;取值間隔為0.5 s，取值后直接進(jìn)入取值數(shù)據(jù)庫。

　　“皮帶秤瞬時(shí)流量” - 通過“管控平臺(tái)”從上位機(jī)取值，取值后直接放入系統(tǒng)前臺(tái)顯示，并經(jīng)記錄后放入存檔數(shù)據(jù)庫。

　　另外，系統(tǒng)中所用到的數(shù)字量均為通過“管控平臺(tái)”從 Logix5000 PLC 內(nèi)直接取值。

　　數(shù)字量取值主要用于系統(tǒng)智能判斷管道內(nèi)的輸送物質(zhì)，但不能單一地依靠數(shù)字量進(jìn)行確定，為了保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，應(yīng)采用多種方法共同進(jìn)行確定。

　　例如：主泵入口前的水閥打開、礦漿閥關(guān)閉時(shí)，可以初步判斷當(dāng)前管道內(nèi)的介質(zhì)為水;與此同時(shí)，另一組程序?qū)?duì)主泵人口處的濃度計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)取值，如果濃度大于某一特定值，則程序判斷輸送物質(zhì)為礦漿，如果濃度在 0 到特定值之間，則程序判斷輸送物質(zhì)為水。當(dāng)兩組程序均判斷管內(nèi)輸送物質(zhì)為水時(shí)，可確定管內(nèi)輸送物質(zhì)為水。

　　整個(gè)系統(tǒng)中所含判斷條件多且繁雜，如果在取值、計(jì)算、存檔上過于頻繁，將降低系統(tǒng)的性能。因此，經(jīng)過分析及測試，規(guī)定了特定的周期。

　　例如：規(guī)定從濃度計(jì) dit-1073 上的取值為每 0.5s 取值 1 次，所有取到的數(shù)據(jù)均存入數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)庫;系統(tǒng)每 5s 計(jì)算 1 次瞬時(shí)平均值，每 2 分鐘調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證性計(jì)算，完成后保存所有數(shù)據(jù)。這樣既保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也保證了系統(tǒng)的可實(shí)施性。

　　四、結(jié)論

　　由于礦漿漿體特殊的物理性質(zhì)，目前世界范圍內(nèi)還沒有一種能夠?qū)ΦV漿漿體流量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)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(fù)次數(shù)、礦漿濃度等參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了在礦漿輸送管道運(yùn)行過程中對(duì)礦漿漿體進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確計(jì)量。羅克韋爾自動(dòng)化的平臺(tái)保證了計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。憑借在羅克韋爾自動(dòng)化集成架構(gòu)基礎(chǔ)上構(gòu)建的高級(jí)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)，大紅山管道公司實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)。在大紅山鐵礦的運(yùn)行實(shí)踐表明，礦漿漿體計(jì)量系統(tǒng)對(duì)精礦輸送管道的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到了保障作用，并對(duì)同行業(yè)具有示范作用。