一种传送带样品自动化取样及多元素检测的系统与方法
【专利摘要】本发明是一种针对粉状固体物料传送带，进行物料自动取样、送样及元素含量检测的技术，涉及固体废弃物综合利用、化学分析、工业自动化控制技术领域。本发明是以X荧光技术及工业自动控制技术、机器人技术为基础，以设计的PLC控制系统为核心，通过对机器臂的精确控制与定位，从传送带上采集所需样品，并进行简单处理后送至X荧光发射器位置；然后PLC控制X荧光发射及探测器开始测试，并读取测试结果。同现有技术相比，本发明方法具有适应面广、多元素同时检测且测试时间短、全自动无人值守等优点，可用于钢铁冶金、有色冶金、能源生产、煤化工等行业。
【专利说明】
一种传送带样品自动化取样及多元素检测的系统与方法
技术领域
[0001]本发明属于冶金、能源等领域，涉及环境监测、资源综合利用、化学元素快速分析及工业自动控制等技术领域。
【背景技术】
[0002]重金属污染是当前环境保护工作面临的重大问题，由于重金属广泛分布于各类矿物中，且含量较低，一般为PPm甚至ppb级别，其监测存在很大难度。此外，重金属一旦排入环境，特别是排入水和大气，其影响难以通过治理而得到有效控制，因此，为实现重金属污染的有效控制，必须针对企业生产过程，特别是工业固废利用企业，开展重金属的源头检测工作，从生产源头防范重金属的污染风险。但当前企业的DCS系统只负责监控生产过程主要节点的物料输入输出量及主要操作参数，且不同企业的DCS系统互不兼容，无法实现数据的共享。而企业针对环保要求所建立的污染在线监控系统，仅监控废水排放口中的C0D、氨氮，废气排放口中的粉尘、SO2等指标；针对固废排放多以离线监控其中重污染组份为主；难以满足重金属快速实时检测的需求。因此，围绕我国西部地区代表性工业固废资源，如粉煤灰、电石渣等，开发物质流多元素快速检测技术及装备，是针对以矿物资源及固体废弃物资源化利用为核心的产业，建立重金属检测监控体系，实现重金属污染风险源头预警的迫切需求，目前国内外尚无成熟技术可供使用。
【发明内容】
[0003]本发明目的是针对物质流多元素快速检测技术的缺失，提供一种粉末固相样品的多元素快速检测方法，并自动监测传送带等上料系统状态，并全自动取样测试。
[0004]本发明由取料装置，送样装置，多元素测试系统，防护及PLC实时控制系统，工业控制系统等部件构成。
[0005]1、取料装置
[0006]取料装置负责从传送带上采集粉末样品，取样器包含取样勺、鼓风系统、吹扫系统、刮平系统、速度传感系统等。每次取样容量不少于200ml，取样时间1s以内。
[0007]2、送样装置
[0008]送样系统负责将采得的样品从传送带送到XRF荧光仪检测仓，并在检测完成后，将样品送回传送带。送样装置采用导轨传送的方式，含配装保护器，可调节传送目标位置。送样速度控制范围为0.015m/s?0.3m/so
[0009]3、多元素测试系统
[0010]利用X荧光技术，通过控制电路，控制X荧光仪自动开始检测；利用定时器控制测试时间，测试时间可自由调节。X荧光仪需进行防尘保护，防尘阀门测试开始前打开，测试结束时自动关闭。
[0011]4、防护及PLC控制装置
[0012]防护及控制装置负责各部件动作保护，防尘以及动作指令的控制。PLC控制系统负责根据现场控制提醒，直接控制多元素检测设备的运行，控制X荧光仪的运行，检查设备运行状态，并将设备运行状态反馈给现场控制提醒。
[0013]5、现场控制系统与控制中心控制系统
[0014]现场控制系统负责依据预定检测方案或控制中心指令，定时启动检测，将检测方案转化为PLC指令，接收PLC反馈信息，负责从荧光仪存储系统中读取检测结果，并将结果集设备运行状态发送回控制中心。控制中心控制系统实现对多元素检测设备的远程控制，处理分析设备返回结果，制定控制预案。控制中心负责保存设备历史检测结果，并模拟再现远程系统的运行情况。
[0015]本发明监测系统的特点:
[0016]基于便携式X荧光技术与工业自动化控制技术，可从传送带上采样、调整样本形态、控制X荧光仪测试过程，并存储数据。基于PLC系统，对多元素检测设备进行自动化改装，通过软硬件的协同工作，实现多元素检测过程的自动化和无人值守检测。本发明可实现针对粉煤灰等粉状原料的采样及铝、硅、镓、钒、汞、铬等元素的快速检测；并预留软件开发接口，结合网络技术及软件开发技术，可实现传送带状态及物流组分波动的远程监测。
[0017]本发明具体特别包括:
[0018]可自动监测传送带工作状态，无需对企业传送带进行改造；
[0019]可自动完成传送带取样、送样工作；
[0020]测试结果以XML格式自动保存于设备内置存储器上，共PC端下载调用；
[0021]本发明具有稳定可靠的采集、显示、存储、数据通信、管理、系统自检和报警功能；
[0022]本发明具有远程控制功能，可利用GSM/GPRS网络或局域网对现场设备进行遥控监测，并对数据监测的历史及当下结果进行提取与分析；
[0023]本发明可监视运行期间自身的状态变化和运行情况，在发现不正常现象时及时分析原因，采取措施。
【附图说明】
[0024]图1是本发明实施例的框架结构示意图；
[0025]图2是本发明实施例的现场安装示意图；
[0026]图3是本发明控制程序界面的示意图
【具体实施方式】
[0027]下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但不限于实施例。
[0028]实施案例1:
[0029]将本发明安装在某钢铁厂烧结车间上料皮带旁，调整好设备位置并用地脚螺丝固定；调整设备压力传感器位置，使之与传送带物料接触。连接好外接线路，包括交流电源(220V，50Hz)，压缩空气管路。打开设备总开关，启动工控机，带工控机系统启动完毕后，打开设备控制程序(XRFC.exe)。待控制程序自检完毕，界面如图3所示，点击右下角的“数据分析与上传程序设置”，在弹出的对话框中选择同一目录下的upload.exe[l, 2]。设置X荧光测试时间为120秒，定时检测时间间隔为5分钟，点击“开始定时检测模式”，PLC即控制设备开始传送带监测及X荧光仪的自动测试工作，无需人工干预与值守，满足权利要求5和6的要求。当本发明完成每次测试并获取元素含量数据后，将通知upload, exe程序，由其负责后续处理。
[0030][I]该步骤只需在第一次使用控制程序时进行。
[0031][2]upload, exe为独立软件，符合本发明所规定的外置数据处理接口规范，upload, exe为针对本实施案例需求进行二次开发的程序，不属于本发明专利范畴。
[0032]实施案例2:
[0033]将本发明安装在某粉煤灰预脱硅车间上料皮带旁，设置X荧光测试时间为120秒，开始定时自动测试。经测试，从设备感知到传送带上料动作，到设备采用完毕，所用时间的5.5±0.3s，X荧光实际测试时间为98±2s，采样间隔为270s，检测出元素35-41种，除 Al (27.3 % )，Si (25.8 % ), Fe(1.6 % )外，还包括 As (11.lppm)、Cr(20.7ppm)、Cl (0.194% )、Ge(5ppm)、Br(5ppm)、Cd(33.03ppm)等，其中 Ge 检测值为 5ppm，为 X 焚光的检测下限；以Al、Cd和Cr为例，Al检测结果为27.3%，相比同一样品ICP测得结果24.4%,误差为11.89% ;Cd检测结果为33.03ppm，相比同一样品ICP测得结果35.67ppm，误差为
7.4%;Cr检测结果为20.7ppm，相比同一样品ICP测得结果18.13ppm，误差为14.17%。满足权利要求2和4的要求。
[0034]实施案例3:
[0035]将本发明安装在某水泥厂电石渣上料皮带旁，为防止电石渣腐蚀X荧光探头，需保证X荧光探头与电石渣样品上表明距离在0.3-0.5mm之间，通过设备微距螺丝，对送样目标位置进行微调；微调完成后，设置X荧光测试时间为120秒，开始定时自动测试。设送样过程前进方向为X轴方向，经过红外线定位仪测试，每次送样终点距离目标位置，X轴方向上为0.35±0.12mm，y轴方向上为0.02±0.01mm，z轴方向上为0.03±0.15mm，达到权利要求3中所制定的水平误差小于2mm，垂直误差小于0.5mm的要求。经测试，从设备感知到传送带上料动作，到设备采用完毕，所用时间的5.8±0.3s，X荧光实际测试时间为95±2s，采样间隔为265s，检测出元素26-35种，其中含量较高的重金属元素有镍(51.2ppm)、汞(69ppm)、铅(82.9ppm)、铬(179.5ppm)、锌(312.2ppm)、铜(78.5ppm)、镉(73.8ppm)，非金属元素有硼(150ppm)和砷(75.2ppm)(电石渣含水较高，测试结果为干基中元素含量)。
[0036]实施案例4:
[0037]将本发明安装在某水泥厂粉煤灰上料皮带旁，设置X荧光测试时间为120秒，开始定时自动测试。经测试，从设备感知到传送带上料动作，到设备采用完毕，所用时间的
5.4±0.3s，X荧光实际测试时间为98±2s，采样间隔为269s，检测出元素25-29种，其中Al检测结果为13.5%，误差11.3% ;Si检测结果20.1%，误差7.9%，Ga检测结果8.5%，误差13.6% ；As检测结果89.3ppm，误差?.?% ；Cr检测结果56.3ppm，误差3.6% ；Cd检测结果 27.5ppm，误差 11.4% ο
【主权项】
1.一种传送带样品自动化取样及多元素检测的系统，包括如下部件: (1)取料装置 取料装置负责监测传送带样品状态，负责从传送带上采集粉末样品，取样器包含取样勺、鼓风系统、吹扫系统、刮平系统、皮带来样速度传感系统等； (2)送样装置 送样系统负责将采得的样品从传送带送到XRF荧光仪检测仓，并在检测完成后，将样品送回传送带；送样装置采用导轨传送的方式，含配装保护器，可调节传送目标位置； (3)多元素测试系统 利用X荧光技术，通过控制电路，控制X荧光仪自动开始检测；利用定时器控制测试时间，测试时间可自由调节；增设X荧光仪设备箱及其底盖进行防尘保护，设备箱底盖在测试开始前打开，测试结束时自动关闭； (4)防护及PLC控制装置 防护及控制装置负责各部件动作保护，防尘以及动作指令的控制；PLC控制系统负责根据现场控制提醒，直接控制多元素检测设备的运行，控制X荧光仪的运行，检查设备运行状态，并将设备运行状态反馈给现场控制提醒； (5)现场控制系统与控制中心控制系统 现场控制系统负责依据预定检测方案或控制中心指令，定时启动检测，将检测方案转化为PLC指令，接收PLC反馈信息，负责从荧光仪存储系统中读取检测结果，并将结果集设备运行状态发送回控制中心；控制中心控制系统实现对多元素检测设备的远程控制，处理分析设备返回结果，制定控制预案；控制中心负责保存设备历史检测结果，并模拟再现远程系统的运行情况。2.一种传送带样品自动化取样及多元素检测的方法，包括如下部分: (1)取料 由取料装置监测传送带样品状态，并从传送带上采集粉末样品；每次取样容量不少于200ml，取样时间1s以内; (2)送样装置 送样系统将采得的样品从传送带送到检测仓，并在检测完成后，将样品送回传送带；送样速度控制范围为0.015m/s-0.3m/s ； (3)多元素测试 通过控制电路，实现X荧光仪自动检测；由定时器控制与调节测试时间。3.按照权利要求1、2所述的传送带样品自动化取样及多元素检测的系统与方法，其特征在于:所述的部件I)中传送带监测是利用压力传感器，将压力信号转换为传送带运动状态及速度信号实现的，取样时间1s以内。4.按照权利要求1、2所述的传送带样品自动化取样及多元素检测的系统与方法，其特征在于:所述的部件2)传送装置采用导轨传送的方式实现精确定位，水平误差小于2_，垂直误差小于0.5mm ;并配装电机过载保护器，当传送路线上出现障碍物时，自动停止传送。5.按照权利要求1、2所述的传送带样品自动化取样及多元素检测的系统与方法，其特征在于:所述的部件3)中的多元素测试系统采用X荧光技术，X荧光保证最长在120秒以内测试完毕，检测下限5ppm，检测误差15%以内。6.按照权利要求1、2所述的传送带样品自动化取样及多元素检测的系统与方法，其特征在于:所述的部件4)中X荧光仪的测试过程由PLC系统自动完成，无需人工及上层设备或软件的干预。7.按照权利要求1、2所述的传送带样品自动化取样及多元素检测的系统与方法，其特征在于:所述的部件5)中现场控制系统采用定时控制的方式，无需人工干预。8.按照权利要求1、2所述的传送带样品自动化取样及多元素检测的系统与方法，其应用范围包括粉煤灰、电石渣、尾矿等粉末态工业固废，以及铁精矿、铜精矿、煤粉等粉末态工业原料中主量元素与微量元素的实时快速检测，检测元素包括Mg、Al、S1、P、S、Cl、K、Ca、T1、V、Cr、Mn、Fe、Co、N1、Cu、Zn、As、Se、Br、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、1、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Ta、W、Tl、Pb、B1、Th、U 等 47 种元素。
【文档编号】G01N35/00GK105891524SQ201510419133
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年7月16日
【发明人】李会泉, 陈波, 李强, 张文娟
【申请人】中国科学院过程工程研究所