铁矿机械取制样设施传感器的应用及配置

余岚岚 李宇璐 应海松 谭 曜 王晓娟 何 鹏3

（1.宁波海关技术中心；2.宁波中盛产品检测有限公司）

余岚岚（1982—），女，工程师，硕士，315100浙江省宁波市鄞州区。

铁矿取制样设施的设计建造大同小异，设施各部分既可单机检测操作，也可中央集控联机操作。工作时中央集控设备是关键，除一些老式中央集控设备采用传感—继电—接触器控制外，目前大多采用大型可编程序控制器（PLC）结合小型工控机作为取制样中央集控设备的心脏，以多种传感器作为取制样设施的神经［1］，从而完成铁矿从码头卸载，通过输送皮带到达机械取制样设施，按设定进行自动化粒度筛分、破碎、缩分、计量、返矿、样品收集等流程。

1 控制单元

1.1 可编程序控制器（PLC）

可编程逻辑控制器是一种进行逻辑运算的控制器，主要用于顺序控制。随着计算机技术的发展，目前可编程逻辑控制器的功能已超出逻辑控制、顺序控制，具备了模拟量、过程控制及远程通信等功能。

PLC特点：①可靠性好，可在恶劣环境中工作；功能完善，可承担所有的工业控制；编程简单，有模仿继电器控制系统的简单易学的梯形语言。②可在线编程，有手持编程器或手提电脑编制梯形语言，也可以联网编程；安装容易，模块化结构使得现场安装简单。PLC可取代继电器进行开关量逻辑控制，也可对连续变化的物理量进行过程控制、数据监控等。目前PLC向小型、微型化，大型、超大型化、智能化发展；CPU能力更强，支持更多的工业总线，编程软件标准化，人机交流功能增强，数据处理能力大大增强，尤其与PC机技术结合，可使数据处理、存储能力大为增强。PLC的一连串动作指令分为基本指令和功能指令。基本指令可以完成继电器控制系统的功能，功能指令可以实现超继电器控制能力的控制要求。PLC常用的梯形图语言和助记符语言是为熟悉生产流程的技术人员开发的语言［2］。

1.2 工业控制计算机

工业控制机也称工业计算机IPC，它可完成对工业过程地测量、控制、数据采集等工作。其主要特点：可靠性高、实时性好、环境适应性强、过程输入和输出配套性好、系统扩充性好、系统开放性、控制软件包功能强、系统通信功能强、后备措施齐全、具有冗余性。典型的工业控制机由工业机箱、工业电源、主机板、CPU、输入设备、输出设备、存储设备、各类输入和输出接口模板、外设组成。信号调理是工控机的关键工作，包括对现场输入信号进行预处理，如信号的隔离、放大、多路转换、统一信号电平等，对输出信号进行隔离、驱动、电压转换成电流信号等。信号调理由各类信号调理模块或模板构成，安装在具有单独供电电源的信号调理机箱中，模块本身均带有与现场进行直接连接的线路，输入输出信号可连接到模块的端子上。按照所采用的总线标准类型可将工业控制机分成PC总线工控机、STD总线工控机、VME总线工控机、多总线工控机4类。与普通PC机最大的区别在于工控机配备了与控制对象相连的专用接口，如数据采集、输入输出、数模转换接口［3］。

2 传感器

传感器能感知某一形态的信息，并将其转换成另一形态。传感器是利用物理、化学和生物等某些效应或机理模拟设计而成。大多数传感器都由敏感元件、转换元件和其他辅助元件组成，并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件，对于直接输出电量的敏感元件可兼为转换元件，此类传感器很多［4］。

2.1 传感器的分类

传感器的品种很多，原理各异，检测对象门类繁多，因此其分类方法甚繁，归纳起来有如下几种被认可的分类法，即按工作机理、被测量、敏感材科、能量的关系、用途、科目、功能、输出信号的性质分类等［4］，但习惯以按被测量分类为主（表1）。

2.2 传感器的基本特性

根据施入量的状态不同，传感器存在静态和动态特性。具有良好静态和动态特性的传感器可有效降低或消除误差，使传感器信号进行有效转换［4］。

2.3 取制样设施的驱动装置

机械取制样设备中采用的执行驱动装置主要有电机驱动、液压驱动和气压驱动［5］。

2.3.1 电机驱动

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通过电机可直接对机械装置进行单纯动力驱动，也可用相关装置进行间接传动，如通过各类齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、柔性传动机构。机械取制样的电机驱动基本上以减速驱动为主。电机的控制执行装置叫伺服装置。机械取制样系统大量采用各种规格的减速电机、伺服电机及变频器［1］。

（1）直、交流电机。直流电机的开关控制可以采用继电器或大功率晶体管，其转速控制采用线性控制和PWM（脉冲控制的一种方式）控制。为使直流电机在线性控制方式时使电机运转平滑，常使用转速传感器和闭环控制方式；有时需要对电机进行转速控制的同时又进行正、反转运行控制，常采用PWM控制，目前PWM控制电路已集成到一个专用IC芯片。交流电机一般采用交流伺服驱动电机。

（2）步进电机。步进电机也叫脉冲电机，是一种将输入脉冲信号转换成相应角位移的旋转电机，步进电机可分为PM型、VR型、HB型，该电机的特点是可以利用数字信号直接控制，不需要反馈控制，目前步进电机的励磁方式有单相励磁、双向励磁、单双向励磁3种，如果利用软件产生励磁脉冲使步进电机旋转会使计算机负担较重，因此可采用一种专用IC，该电机在机器人控制中应用广泛。

（3）电动推杆。电动推杆的形状与液压、气压缸相同，是采用电机和减速器来实现直线运动的执行驱动装置，可替代传统液压、气压传动装置。

2.3.2 压力驱动

压力驱动主要为液压和气压驱动，其动作的触发可采用电磁阀。电磁阀是一种利用螺线管内可动铁芯在电磁线圈中作直线运动的一种执行装置，根据电源不同可分为交流和直流电磁阀，根据可动部分结构可分为推进型、吸引型、推进—吸引型［1］。

（1）液压驱动。机械取制样系统中使用的液压驱动有切换挡板、摆动溜槽等。液压驱动就是把液压能量变换成直线、旋转或摆动机械能，其种类有液压缸、液压马达和摆动马达。液压驱动可实现传动装置小型化，通过液体流量控制可改变速度，利用换向控制可变换方向，利用压力控制可实现力的无级控制。液压驱动执行装置还可配备伺服装置进行精确定位，液压伺服装置就是以机械位置为被控量，能跟随设定值任意变化的自动控制装置，是一个反馈闭环系统，把控制动作的结果与目标值相比较，并通过调节使二者趋于一致。液压伺服装置由液压马达、液压缸等执行装置和伺服阀门、位置传感器、伺服放大器等构成。

（2）气压驱动。机械取制样系统中使用的气压驱动有切换挡板、摆动溜槽等。气压驱动就是把压缩空气的能量变换为直线、旋转、摆动等机械能，其种类有气缸、气动马达、摆动式气动执行装置等。气缸有单向驱动和双向驱动之分，双向驱动的进出气口可互换；气动马达有活塞式和叶片式，它供给压缩空气可获得连续的旋转运动，可以通过进出气口的互换设计成正反转动；摆动式气动执行装置分为叶片式和齿条副式。因此，除操作简单、体积小等优点外，气压驱动执行驱动装置具有难以精确速度、位置控制和易受负载变化的缺点。

2.4 取制样设施制动装置

制动装置一般可分为机械制动和电气制动［5］。

（1）机械制动器。机械制动有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、阀门式制动器和电磁制动器，最常见的是电磁制动器，如常用的伺服电机必须采用电磁制动，这种制动器也叫常合电磁制动器或安全制动器。

（2）电气制动。电动机可将电能转化为机械能，也可将机械能转化为电能，因此伺服电机就是一种能量转换装置，它可实现相反过程达到制动目的，但对于直流电机、同步电机、感应电机等必须采用适当的制动电路。

3 取制样设施机械构成

为了适应进口铁矿检验的需要，我国进口铁矿石批量较大的口岸从上世纪80年代起就陆续从国外引进或自主设计建造铁矿石机械取制样设施。对于机械取制样系统集成只要符合ISO3082的设计基本原则、流程要求，其机械取制样设施的具体构成、工艺流程、采用形式可多种多样［6］。

3.1 取样机

（1）切割溜槽式。无论是初采机还是一次取样机，目前各地已建铁矿石取制样系统的取样机大多采用切割溜槽式［1］。

（2）刮取锤式取样机。目前刮取锤式取样机尚未列入铁矿石国际标准的取样方法示例，但TSO/TC102/SC1有一个研究组正在进行采用刮取锤式取样机采取铁矿石样品的试验，即传送带横向取样，该项目已得到德国、印度和南非的支持，并有一定的进展。该类型取样机原先在煤炭机械取制样系统中应用较为广泛［1］。

（3）其他取样器。摇臂式取样器和浆料采样器。浆料采样器主要用于浆体管道物料输送，是将颗粒状的固体物质与液体输送介质混合，输送介质通常采用水，用泵送的方法运输，并在目的地将其分离出来。浆体管道可分为粗颗粒浆体管道和细颗粒浆体管道，前者借助于液体的紊流使粗固体颗粒形成悬浮状态进行输送，而后者输送的是较细粉末状颗粒。有些管线沿途要翻越海拔千米左右的山峰，中途建有增压泵站，全程管线采用GPS卫星监控［1］。

3.2 传送带式输送机

在取制样系统中多处采用传送带式输送机，如份样传送带式输送机、来样皮带机、皮带给料机及其他皮带机。每种皮带机构造基本相同，都由皮带、托辊、驱动装置、拉紧装置、导料槽板、清扫装置、支架组成。皮带根据需要长宽不等，驱动装置根据负荷和皮带机的大小，功率1.1～2.2 kW不等［1］。

3.3 机械筛

（1）预筛。预筛有振动筛、淌筛、滚轴筛、电热筛。振动筛构造与其他直线振动筛一致，其作用仅作为铁矿石分级使用。淌筛构造与其他振动筛一致，只是安装倾角比较大，有些淌筛可以不使用振动装置，也可作为铁矿石分级使用。滚轴筛作为铁矿石分级使用，滚轴筛的构造包含滚轴、驱动装置、联动装置，可装振动装置，也可不装。有些滚轴筛配有气动装置，其作用为当流程处理块矿时使用滚轴筛，而粉矿、球团矿不使用，气动机械切换。如果预筛或筛分黏性铁矿时，可采用加热筛网，以避免黏料团聚，防止堵塞筛孔。通常可把与筛框绝缘的筛网作为电阻丝进行加热，电源采用36 V安全电压，但加热温度不能超过105℃［1］。

（2）直线振动筛。直线振动筛又叫双轴惯性振动筛，主要由筛箱、箱形振动器、悬吊减震装置和驱动装置组成。振动器有2根主轴，两轴上装有相同偏心距的相等偏心质量。当电机带动主轴旋转时，会产生离心惯性力，产生直线往复轨迹振动，主要用于粒度测试用。大多数在线粒度测定系统采用单层机械振动筛，一般一个系统至少配备3台，以满足至少4档粒度测定［1］。

3.4 提升机

机械取制样系统中采用提升机的主要目的是把份样提升到一定的工作高度，使矿样能用自身的重力分层完成相应操作，或把弃样提升到返矿皮带的高度。提升机的型式多数为萁斗钢缆牵引式［1］。

3.5 破碎机

机械取制样系统的破碎机配备在水分样制样流程或成分样制备流程中，一般水分样制样流程配备1台能破碎至31.5 mm的颚式破碎机，成分样制备流程配备1～3台颚式破碎机或颚式破碎机与其他类型破碎机结合，只要最终粒度能达到-3 mm即可。破碎机分为颚式破碎机、辊式破碎机、在线研磨机等［1］。

3.6 缩分机

常用缩分机有往复切割溜槽式，此类缩分机多为定量缩分机；旋转式缩分机，此类缩分机多为定比缩分机［1］。

3.7 计量装置

机械取制样系统中的计重装置主要安装在份样采取后的份样计量、粒度检测前的筛前计量和粒度检测后筛后计量，多数采用计量皮带秤和料斗秤。计量传感器采用电阻式负荷传感器，电阻式传感器在称重装置中占90%，主要有电子容器秤、计量皮带秤，计量皮带秤又可分为动态秤、静态秤［6］。

3.8 多罐收集器

多罐样品收集器是最后收集样品的装置，机械取制样系统一般设2套，用于水分和成分样的收集［6］。

3.9 机器人

机器人在铁矿石机械取制样系统中的应用越来越广泛。国外一些铁矿公司早期的机器人仅用作粒度或水分的离线测试。有些铁矿公司经多次更新，使用的机器人已升级为第四代，机器人也已成为取制样系统在线检测中不可缺少的一部分。在机械取制样系统中使用较多的机器人类型为圆柱坐标系和垂直多关节机器人。工业机器人从机械结构来讲，由旋转机构（枢轴）、直线机构（导轨）和臂杆组成［1］。

（1）圆柱坐标系机器人。圆柱坐标系机器人以配置在一平面旋转的轴为中心，并配有在平面旋转轴垂直方向上的直线轴和前后方向上的直线轴。该种机器人是一种早期使用的取制样测试机器人，为了定位准确，该类机器人基本上位置固定，手腕部可自由旋转，也可以夹紧、放松；可用于筛具或试验盘的放置、移动、倾倒弃料等，其他设备都是以机器人为中心，围绕机器人作圆周型摆放。机器人的驱动方式有电机、液压、气压3种方式，电机驱动采用电气式伺服系统，可以对位置、角度等机械量作为被控量机械系统反馈。

（2）垂直多关节机器人。垂直多关节机器人模拟人手，由垂直于地面的腰部旋转轴、带动小臂旋转的肘部旋转轴以及小臂前端的手腕构成。机器人可以自由实现三维的各种姿态，可以形成各种复杂的运动轨迹，能构成5～6个自由度，对空间要求不高。该类机器人可以安装在轨道上来回行走。

4 机械取制样系统传感器配置实例

以宁波舟山港取样站为例，说明传感器配置方案。

4.1 设备设计工艺流程

该设施所设的直接取样机为移动式皮带取样机，取样设备以港口卸货设备上的铁矿石流量为质量等间隔进行取样或以等时间进行取样，流量信号来自港口皮带自动计量设施，直接取样机从港口设备皮带采取全流幅样矿，移送至设施内皮带上，舍弃前后段变形试样，然后在有效试样中采取No.1（制样用）和No.2（粒度测定用）2个试样。No.2试样通过振动筛筛分，由计量皮带累积计量，测定粒度。No.1试样通过缩分机缩分成小样，通过1次缩分机缩分的小样作为水分试样，送到2号回转台；通过2次缩分机缩分的小样作为分析用成分试样，送到1号回转台。如果矿种是块矿，No.1试样还须先经破碎，使粒度达到一定值，才可缩分制作水分和成分试样。排矿部分将各部分排出的废样送至港口的主梭式皮带上［6］。

4.2 设备基本组成

自动取制样设备由取样部分、粒度测定部分、破碎部分、制样部分和排矿部分5个部分组成。取制样设施各组成设备在原则上可进行单机控制，每台设备都配备机侧控制设施，且设计为机侧优先。

4.3 取制样设施中常用传感器及辅助元件

铁矿机械取制样设施的PLC为了给设备发出动作指令，必须得到各部件的状态信息和相关计量信息，这些信息一般通过安装在取制样设施各个部位的低压电器及传感器获得，常用低压电器有主令电器等，常用传感器有称重传感器、位置传感器、水分传感器等，分别承担取制样设施部件位置信息、称重信息等拾取［7-8］。

4.3.1 主令电器

主令电器通过闭合或断开控制电路发布程序控制命令，主要有控制按钮、行程开关、转换开关和主令控制器等，主令电器不允许分合主电路。

（1）控制按钮。控制按钮是一种接通或分断小电流电路的主令电器（俗称开关），电流一般不超过5 A，主要用在低压控制电路中，手动发出控制信号以控制接触器、继电器、电磁启动器等。

（2）行程开关。依照机械的行程发出命令以控制其运动方向或行程长短的主令电器称为行程开关，又称为限位开关或终点开关，当机械运动到某一预定位置，与行程开关发生碰撞时，行程开关便发出控制信号，实现对机械的电气控制。行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式和微动式3种。

（3）转换开关。转换开关是由多组相同结构的开关元件叠装而成，用以控制多回路的一种主令电器。它可用于控制高压油断路器、空气断路器等操作构件的分合闸，各种配电设备中线路的换接、遥控和电流表、电压表的换向测量等；也可用于控制小容量电动机的起动、换向和调速。由于其换接的线路多，用途广泛，故又称为力能转换开关。

（4）接近开关。接近开关又称为无触点行程开关，其原理是当某种物体与之接近到一定的距离时就产生动作信号，通过其感辨头与被测物体间介质能量的变化来取得信号，无需施加机械力。接近开关广泛应用于高速计数、测速、液面控制、检测金属体的存在和测量零件尺寸以及用于无触点按钮等。接近开关的定位精度、操作频率、使用寿命和对恶劣环境适应力优于一般机械式行程开关。接近开关有电感式、电容式、超声波式和光电式等类型。

4.3.2 继电器

在电气控制中，凡需要逻辑控制的几乎都需使用继电器。继电器是一种当输入量达到一定值时，其触头（或电路）接通或分断，以便自动控制交直流小容量控制回路；主要有电磁继电器、时间继电器、热继电器、速度继电器等几种常规的继电器，还有一种固体继电器。固体继电器简称SSR，是一种采用固体半导体元件组装而成的新颖的无触点开关，不仅在许多自动化控制装置中代替了常规机电式继电器，而且还广泛应用于数字程控装置、微电机控制、调温装置、数据处理系统及计算机终端接口电路，尤其适用于动作频繁、防爆耐潮和耐腐蚀等特殊场合。

4.3.3 接触器

接触器是一种频繁接通或断开交直流主电路、大容量控制电路等的自动切换电器。在功能上接触器除能自动切换外，还具有手动开关所缺乏的远距离操作功能和失压（或欠压）保护功能，但没有低压断路器所具有的过载和短路保护功能。接触器使用频率高、寿命长、工作可靠、性能稳定、成本低廉、维修简便，是电力启动自动控制中应用最广泛的控制电器之一。接触器分为电磁接触器、气动接触器、液压接触器等。目前，新型的真空接触器与晶闸管交流接触器正在被逐步使用。

4.3.4 电阻应变式传感器

导体或半导体材料在受到拉力或压力作用时，产生机械变形的应变效应，金属材料在其拉长时电阻增大，在受压缩短时电阻减小，叫电阻应变效应。电阻应变式传感器就是基于电阻应变效应的原理，它的电阻应变由力（重力）、应变（ε）、电阻变化（△R）、电压输出（△U）4个基本转换环节组成。电阻应变式传感器也称为负荷传感器或称重传感器。应变式传感器的测量精度和使用可靠性高，几乎应用到了所有称量领域和各种测力领域。另外，微处理机与称重技术的结合，使小型化显示仪表能完成许多复杂的计算功能，使电子秤的应用超越了传统应用领域。利用微机的数学可定义函数来修正力传感器的输出特性和补偿。电阻应变式传感器广泛应用于电子秤和力值测量，或广泛应用于以质量为基本量的各种导出量的测量，例如力、压强、密度等。

（1）电阻应变片结构。电阻应变片多为金属丝绕式应变片结构，将直径约0.025 mm的金属电阻丝黏贴在基片上，上面覆一层薄膜，使它们成为一体。

（2）应变片测量原理。在外力作用下，应变片发生微小的机械变形，应变片电阻也发生相应变化。当应变片电阻值变化量被测得，可得被测对象的应变值，应力正比于应变，而试件应变又正比于电阻值的变化，所以应力正比于电阻值的变化，可以用灵敏系数衡量其灵敏度。

（3）电阻应变片种类。常用电阻应变片可分为金属电阻应变片和半导体电阻应变片2类。金属电阻应变片有丝式和箔式2种。半导体应变片是用半导体材料，采用与丝式应变片相同的方法制成。半导体应变片工作原理是基于半导体材料的压阻效应，当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化，半导体应变片体积小、灵敏度高、频率响应范围宽、输出幅值大，不需放大器可直接连接记录仪，但其受湿度影响大，应变时非线性比较严重。

（4）电阻应变片的测量电路。由于机械应变—般都很小，要把微小应变引起的微小电阻值的变化转换为电压或电流的变化，需要设计一种测量电路，通常有直流电桥和交流电桥2种。

4.3.5 速度传感器

用于检测物体速度的传感器主要有光栅尺、转动式编码器、压电振动式陀螺传感器，用于机械取制样设施的皮带走速及机器人的定位控制。

（1）光栅尺。光栅尺是以发光二极管为光源，通过在光栅尺固定间隔排列的栅缝，断续地将光照射到对面的光敏二极管上，通过对光敏二极管接收的脉冲信号进行计数，来检测物体移动距离；在单位时间内对光敏二极管接收的脉冲进行计数来测量物体运动速度的传感器通过对其相位差的检测，还能判断物体的移动方向。

（2）旋转编码器。光电旋转编码器是通过转动圆形光栅盘检测脉冲信号来检测轴的转数或转速，可分为增量型及绝对型2种。增量型编码器是通过脉冲计数来检测轴的旋转角度，对旋转量作无限制地计数；绝对型传感器配有与同心圆数相等的发光二极管及光敏二极管，以便输出脉冲式编码信号。

（3）压电振动式陀螺传感器。陀螺传感器可分为振动式和气动式2种。它是在恒弹性金属镍铬合金制成的正三角形柱体表面黏贴压电陶瓷片，通过检测转动物体的向心力来检测物体的转动，它将正三角形柱体产生的振动变换成与音叉振动频率相等的振动弯矩，由此将转动的角速度变换成电压的变化量输出。当它不转动时，由发振侧压电元件产生的振动与其他两面压电元件产生的振动振幅相等；当它转动时，正三角形柱体由于受到应变，压电元件输出的振幅会产生差值。压电振动式陀螺传感器常用于控制移动物体的姿态、方位及转动速度，在机器人的定位及姿态控制等方面应用广泛。

4.3.6 物料传感器

物料传感器主要用于探测机械取制样流程中的相关溜槽、破碎机、料斗是否有铁矿石或是否堵料，以及探测样品收集器中料罐样品的储存情况。对固体颗粒敏感的物料传感器有电容式料位开关、射频料位开关、超声波料位计、雷达料位计、往复摆动式料位计、阻旋式料位计、音叉料位控制器等。电容式料位开关利用电极在空气中和在铁矿石中电容的变化并转化电信号输出［1］。

5 机械取制样系统传感器进展

随着智能化技术的发展，铁矿取制样设施也陆续引入了新的传感技术，如铁精粉品位传感技术［9］、品位波动校核预测技术［10］、微波技术［1］、同位素核技术［1］、视频图像识别技术等，这些智能化技术的开发使设施有些过程替代了原先需要大量体力的工作，使硬件传感提升到软件传感水平，也使铁矿取制样传感技术更加稳定可靠，降低了成本、提高了效率。

6 结语

传感器随着自动化控制的发展而产生，铁矿取制样设施也如此，制式传感器在工业领域的生产销售已经形成发达的标准体系、生产规模及低廉的成本。因此，传统铁矿机械取制样设施硬件式传感器还将在钢铁原料领域继续发挥作用，但未来具有智能化水平的软件传感器的应用、传感技术的发展及其在铁矿取制样设施中的应用将会越来越广泛。