微波干燥海绵金粉生产装备控制系统开发及应用*

李 超，陈德海1，，刘俊林1，，周 兴，梁祖祯，王家利，余万元

（1.云南黄金矿业集团股份有限公司，云南 昆明 650229；2.云南滇金投资有限公司，云南 昆明 650215）

通常海绵金是一种微细粉末，有时有较大颗粒的金块，其主要化学成分Au含量76.64%、水含量23.27%，其余0.000 9%的元素为Fe、Cu、Ag，密度不大（真密度在1.42 g/cm3左右），是溶金王水通过还原出来海绵状金粉。我国的主要黄金精炼企业，在黄金精提纯过程中粗金-王水溶金-还原王水-海绵金-烘干-铸锭这套工艺中[1]，海绵金的干燥时间直接影响着企业黄金进出库的周期。传统的海绵金干燥方法为电炉丝烘干，整个过程中效率低、能耗高，为使海绵金干燥过程快速高效、节能环保，响应低碳经济的号召，急需改善新工艺研发新型设备[2]。

本文所介绍的装置为某公司和某大学共同合作研发出的工业化微波干燥海绵金设备，其单台装机容量为36 kW。全套微波干燥生产装置配置PLC控制系统作为生产线的闭环反馈控制，微波快速干燥系统达到单台设备产能150 kg/2h；干燥后样品水分不高于0.8‰、功耗＜0.5 kW/kg，其微波泄漏符合国家标准以及行业标准（GB10436-89）的要求。微波自动干燥设备正常运行并稳定工作，建成200 kg/d生产线，实现全套微波干燥装置智能化控制。

1 微波干燥海绵金粉生产装备工艺特点

1.1 工艺技术控制特点

国内微波干燥主要用于食品工业、制药工业、脱硫、医疗、杀虫灭菌等非金属的干燥[4]，而对于处在微波场中是金属物，就会产生打火放电现象[5]，导致微波干燥效率降低，严重时还会损坏微波发生器；海绵金属于金属，而且干燥温度过高，海绵金容易结块[5]，影响后续熔炼铸锭过程，这就需要开发出一种能够控制微波干燥设备能够干燥金属物料的控制系统-PLC智能化控制系统。

本研究通过PLC控制系统实时对加热的海绵金物料进行温度监控、对微波加热腔内的微波场强监控、对微波发生器进行温度监控及微波冷却液温度进行监控[6]，同时对干燥生产线的加热干燥与生产运行过程进行自动控制与自动检测：即实时、在线自动控制微波功率、检测磁控管工作状况、海绵金温度、原料水分、冷却水压水流、炉门开闭、排湿收尘系统、安全联动、故障报警等工艺流程与技术参数的自动检测、安全联锁运行及实时调控，自动调节微波输出功率，使微波在干燥海绵金水分的同时不会产生打火放电现象，微波加热效率达到最大化。干燥生产线运行时，微波由微波发生器产生后，经微波馈能机构输入谐振加热腔体，此时海绵金物料中的水分在微波能的辐射加热作用下被低温加热挥发，与海绵金及水分有效分离[7]，并通过排湿收尘系统排出加热腔体外，进而达到低温清洁环保脱水干燥的目的。

1.2 装置主要结构

微波干燥海绵金技术与装置首次采用箱式多边形和全密闭微波腔体优化组合新技术。该生产试验线由微波系统、控制系统、供电系统、冷却循环水系统、排湿收尘与机械动力系统组成。

微波干燥海绵金生产试验线由上箱式多腔体微波干燥装置组成，微波功率分别为36 kW，微波干燥腔可通过调整微波源功率达到控制干燥效果和产量的目的。

干燥装置微波腔体上面分别设有24个微波发生器；微波腔体内有料车，微波腔体上端与板式换热器相联，板式换热器连接到抽气泵上，开关电源连接着微波发生器，海绵金装进料车通过进出料门，从进料口进入后，进入微波腔体，在微波作用下，水蒸气通过板式换热器和抽湿风罩后，由抽气泵抽走，实现海绵金干燥生产。

图1 微波干燥海绵金生产试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of production test devices for microwave drying sponge gold production

1.2.1 微波系统

微波系统主要包含：微波电源、微波发生器、谐振加热腔体、微波抑制器四部分。

1）微波电源：由三极管、保险管电容、整流桥、变压器、整流二极管、电感电容、水冷油浸箱等部件组成；用来产生高压直流电与低压交流电来提供给磁控管产生微波，确保磁控管连续正常工作；

2）微波发生器：由含水冷器的磁控管、导波介质、陶瓷隔离片组成；在供给微波电源后，产生连续高频电磁波，辐射到谐振腔内；

3）微波加热腔：加入腔体由钛合金制作成的多边形密封腔体，腔体门加装了带有安全保护功能；腔体为微波与物料相互作用提供加热空间，并确保安全传输微波、密闭微波、加热物料与排出湿汽；

4）微波抑制器：为严防微波向外泄漏，在进出料端、排湿管道入口等处均安装了由微波吸收剂方格抑制器和微波扼流孔网组成的多种微波抑制体；用以吸收并抑制可能泄漏的微量微波，实现安全生产。

1.2.2 供电系统

由三相五线制供电提供（3×380±5%） V、（50±1%） Hz、接地电阻≤4 Ω、总容量45 kW的工业用电，经各断路器后分为多条支路，为整套微波干燥生产试验线各种负载提供电源与生产动力。

1.2.3 机械系统

机械动力系统包含：机架、进出料机构、钛合金物料盘系统等三部分。

1）机架：由支撑机架、腔体、外壳等组成，用于支撑微波腔体、微波发生器与微波电源；

2）进出料机构：由进料轨道、料车、滑轮等组成，用于将含水海绵金送入微波加热腔进行干燥；

3） 钛合金物料盘系统：由四个钛合金盘组成；用于盛放海绵金在微波加热腔内加热，使其在微波辐射加热下，脱除多余的水分快速干燥海绵金。

1.2.4 辅助系统

辅助系统主要包含：排湿收尘系统和冷却循环水系统两个系统。

1） 排湿收尘系统，该系统包括：①排湿收尘：由1条总风管道、1台离心风机及收尘器组成，用于将微波加热干燥后脱除的的水份及时排出微波腔体，并送入收尘器回收海绵金粉尘；②收尘器：由圆锥旋风器、管道、排尘囗、闸阀等部件组成，用于将随水蒸汽排出的海绵金微细粉尘进行回收；

2）冷却循环水系统，该系统由一台15 kW冷却循环水机、进出水管道、水压表、闸阀、支线管道、分水器、球阀、水流开关、汇水器等组成，分别用于冷却磁控管、油浸变压器箱，在确保设备不会应为高温而损坏其部件。

2 微波干燥海绵金生产装置控制系统开发

目前，国内干燥设备检测工具为普通电工仪表、风速仪、压力计、干湿球温度计等，检测后的计算和分析也依靠人工完成，并通过诸如手动调节加热器温度和调整挡风板位置等措施得到所需干燥温湿度[8]。许多干燥设备还停留在只能显示干燥温湿度，凭借工人多年生产经验来控制设备的运行，而无真正意义的智能控制系统。由于这种控制模式人为因素较大、延时性大，导致控制系统精度不高，严重影响物料的干燥品质，而且还会延长干燥时间和增加能源消耗，不利于企业的发展。

2.1 操作控制原理简介

全套微波干燥生产装置配置PLC控制系统作为生产线的闭环反馈控制，自动调控微波功率与原料运行，实现智能化控制，以达到最佳生产效益。

全系统由1个主站中控制系统和1个实时在线监控系统组成；微波干燥控制系统内设有一套PLC控制系统、24套电流采集模块，上位监控系统放置于主站中控制系统，确保信息快速可靠进行传输通信。微波干燥海绵金装置工作与控制原理如图2所示。

图2 控制基本原理图Fig.2 Basic control principle diagram

2.2 PLC控制系统开发

微波干燥装置共由1个主站系统进行控制，全部安装于微波腔体外侧，且配有电流互感器、分路断路器、交流接触器、分组开关、电机断路器等。

2.2.1 控制功能

为了实现自动操作控制时达到启动方便的目的，在主控站操作员站上提供“一键启动”微波干燥操作模式即“自动”操作功能。当选择“一键启动”操作时，需要先将所有的“自动/手动”转换开关都处于“自动”位置上，点击微波干燥的“启动”按钮后，自动操作控制系统便会按照预先设定的程序，依次开启冷却水泵→排湿风机→照明等。当所有排湿风机、腔内照明、断路器合闸信号和接触器吸合信号等正常后，自动操作控制系统依次按照设定的间隔时间，开启相应微波干燥装置的微波电源组，开始微波干燥海绵金生产作业。

为满足检修或人工紧急干预需要，PLC系统设置了“手动”操作功能。在进行“手动”操作功能时，可以分别对各个控制回路进行“手动”单独“启动/停止”操作时。

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2.2.2 操作界面功能

在操作界面上，还单独设置有微波指示灯、电源启动按钮、电源停止按钮、报警指示、蜂鸣器、声消除按钮与急停按钮。微波指示灯用于微波开启后，提示工作人员微波已经开启，注意微波辐射；电源启动按钮与电源停止按钮，用于微波设备电源的启停；报警指示在当控制系统所控制的设备一旦出现故障时，PLC系统能立即判别故障原因并在操作面板上记录及显示故障信息，此时蜂鸣器响起，待操作者确认；同时腔体的故障报警灯闪亮，提醒操作人员了解故障状态后，及时检修与维护，当维修处理好后，按下声消除按钮，蜂鸣声消除；急停按钮在微波设备某一环节发生故障时，可用于紧急切断微波输出电源，微波发生器停止工作，防止微波泄漏，解除急停状态，需要操作人员进行复位，并经确认后，方能恢复正常工作。

图3 系统控制逻辑图Fig.3 Control logic diagram of the system

2.3 监控系统的开发

在进行海绵金微波干燥生产试验时，由于原料水分减少因素影响和波动，有必要对微波干燥装置的工艺控制参数进行适时调控，为方便对PLC控制系统的各类参数进行变更或重新设置，在“系统监控”状态下，可完成各工艺参数的变更。

2.3.1 磁控管监测

24只磁控管分别以8只为一组，分为前中后三组，通过互感器监视所有磁控管的电流，互感器测量出的电流经过变送器变送成标准信号后输入模拟量输入模块，控制器可对信号是否在正常范围内进行判断处理，判断结果和磁控管的状态可在管理层的触摸屏上进行显示。

每组8根磁控管分为每只磁控管电压、功率实现单独控制；磁控管的小组组合考虑三相平衡后间隔选取；每一组磁控管启动时采取顺序供电控制方式，间隔时间为5 s；当监测到料管内中间点的温度高于或者低于正常值时，控制器通过模拟量输出模块输出（4～20）mA的信号给第二组和第三组各小组的高压变压器的调压模块，通过调压模块对高压变压器的输入电压进行调节，以控制各小组磁控管的功率大小，当温度进入正常范围后，功率调节结束。

2.3.2 温度监测

炉腔内1个：由1个红外测温仪检测物料温度信号，对海绵金进行在线检测出温度信号后，送入PLC控制系统作为工艺操作控制参数，以实现在线自动控制；并通过对正在行进中的海绵金的原料温度进行实时检测，并将检测信号送达PLC控制系统后，用于调控微波功率，将温度控制在260℃以下，达到低温清洁干燥效果；

由一个水流量/压力开关实时对微波发生器冷却液进行监控，保障冷却在个参数流量≥15 m2/h、压力为≥0.2MPa下，微波发生器能正常工作。

2.3.4 加热腔场强监测

由一个场强检测仪监测腔体内微波强度，对海绵金加热脱水过程中，加热腔内进行在线检测出场强信号后，送入PLC控制系统作为工艺操作控制参数，以实现在线自动控制；通过对腔体内部的场强监控，将控制腔体内部场强密度控制在≤200 W/m2，用于调控微波输出时间，避免腔体内部产生打火放电现象。

2.3.5 视频监控系统

针对密封式海绵金微波干燥装置，为便于全程操作控制与管理，专门设置了视频监控系统。

视频监视器由1个视频摄像头、传输电缆、与显示屏组成。视频监控系统主要用于对海绵金微波干燥腔内的生产运行状况及重点部位进行实时监视，便于值班人员集中监视、及时发现与处理。

3 微波干燥海绵金粉生产装备控制系统的应用

把含水率为25%左右的金粉倒入设备料盘中铺平整均匀，料盘跟随料车推入设备加热腔内，关好炉门，打开冷却循环水，启动微波设备总电源。准备开启微波系统，具体操作如下：

1）启动微波之前认真检查循环水是否已经开启，腔体内是否已经放入物料，腔体门是否关闭严实，查看触摸屏中的报警画面，是否存在报警信息，确认一切无误后，才可以启动微波；

2）根据实际所需，在“参数设置”画面设置好相四个加入阶段第一阶段180℃（30 min），第二阶段240℃（25 min），第三阶段260℃（35 min） 第四阶200℃（30 min），加热时间一共2 h；

3）在控制柜门上将选择开关置于“自动”位置，触摸屏左侧出现“自动”指示；

4）按下柜门上的“启动”按钮，反应器将按照参数设置中设定的加热曲线段参数自动运行，PID自动调节电压输出；

5）自动运行时，主界面中实时显示当前加热所处阶段及当前阶段剩余时间，并实时显示当前电流、电压、微波功率以及当前实时温度。在此界面显示设备的实时工艺数据，便于运行时观察记录；

6） 经过2 h后，金粉烘干至熔炼要求；关闭微波电源，打开炉门，取出烘干的金粉，关闭炉门；

7）停机时，关闭微波设备电源后，冷却循环水继续冷却30 min后方可关闭。

微波干燥海绵金粉生产装备生产实际数据见表1。

表1 生产实际数据Tab.1 Production practices data

从表1可以看出，开发的微波干燥系统，生产能力≥100 kg/2h，且干燥后的水分平均为0.64，平均能耗为0.45 kW/h，本研究工艺技术在全封闭环境下操作，隔绝了高温所产生的热辐射、烟气和微波辐射等，达到了生产运行稳定、干燥速度快、加热均匀、高效节能、清洁卫生、安全无害、自动化程度高等特点[9]。

4 结语

经过二年多的生产运行与调试，进一步完善了PLC系统的适应范围，实现自动调控微波功率，达到智能化调控。全套微波干燥生产线及其控制系统具有以下特点：

1）通过开发PLC系统控制对设备的控制系统与监测系统的反馈，及时控制调整微波功率，使微波在干燥海绵金水分的同时不会产生打火放电现象，实现了微波能够干燥金属物料；

2）微波干燥控制系统能够高效、节能的干燥海绵金，而且加热均匀、易于控制，作业环境好，自动化程度高，达到低温清洁环保脱水干燥的目的；

3）有利于提高企业规模化生产，实现海绵金干燥技术的升级换代，开发的微波干燥系统，生产能力≥100 kg/2h，平均能耗为0.45 kW/h，且干燥后的水分平均为0.64‰。