DCS在20000kVA內(nèi)燃式電石爐電氣控制上的應(yīng)用

王 琦

（貴州開磷遵義堿廠，貴州 遵義 563004）

1 項(xiàng)目改造的背景

DCS（Distributed Control System，分散控制系統(tǒng)）是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的不斷興起和過程控制要求的日益復(fù)雜應(yīng)運(yùn)而生的綜合控制系統(tǒng)。是計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和多媒體技術(shù)等相結(jié)合的產(chǎn)物，可提供窗口友好的人機(jī)界面和強(qiáng)大的通訊功能，是完成過程控制和過程管理的現(xiàn)代化系統(tǒng)控制設(shè)備，在各行業(yè)、各領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。但是，這一控制技術(shù)在大型內(nèi)燃式電石爐上的應(yīng)用還很少見。

貴州開磷遵義堿廠下屬的生產(chǎn)一部是專業(yè)的電石生產(chǎn)部門，整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)擁有3臺(tái)20 000 kVA內(nèi)燃式電石爐，具有12萬t/a的產(chǎn)能，裝置于2004年建成投產(chǎn)。該生產(chǎn)線的整個(gè)控制系統(tǒng)原設(shè)計(jì)使用PLC控制系統(tǒng)，經(jīng)過多年運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)PLC系統(tǒng)雖然有控制簡(jiǎn)單、單元獨(dú)立、便于維護(hù)、投資較小等優(yōu)點(diǎn)，但該系統(tǒng)相對(duì)封閉，其產(chǎn)品升級(jí)難度大、控制容量偏小、擴(kuò)展性能差。PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)開關(guān)量的控制，但對(duì)模擬量的控制和運(yùn)算就顯得略有不足，并且系統(tǒng)程序受廠家知識(shí)產(chǎn)權(quán)密碼保護(hù)，讓使用方在系統(tǒng)維護(hù)和技術(shù)改造上設(shè)置了很高的壁壘。

2009年，由于受國(guó)際金融危機(jī)的影響，整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)全面停產(chǎn)，2010年6月，企業(yè)決定恢復(fù)生產(chǎn)。但由于停產(chǎn)時(shí)間太長(zhǎng)，設(shè)備損壞嚴(yán)重，尤其是PLC裝置器件受損最為嚴(yán)重。鑒于設(shè)備存在的問題和多年來系統(tǒng)運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷和問題，以及今后技術(shù)升級(jí)、產(chǎn)能擴(kuò)展等各方面的考慮，決定將現(xiàn)有電石爐的PLC控制系統(tǒng)全面升級(jí)改造為DCS。

2 系統(tǒng)構(gòu)成概況

該項(xiàng)目采用的是浙江中控技術(shù)股份有限公司ECS100系統(tǒng)，操作系統(tǒng)平臺(tái)為Windows2000。本系統(tǒng)是電石生產(chǎn)從原料工序到電爐工序整個(gè)生產(chǎn)過程的監(jiān)視、控制和操作系統(tǒng)，由1個(gè)控制站和4個(gè)操作站組成，各操作站點(diǎn)均為熱冗余。主要系統(tǒng)板塊包括原料制備全流程運(yùn)行監(jiān)視、碳素原料烘干塔的自動(dòng)控制、碳素原料自動(dòng)配料、電爐液壓系統(tǒng)自動(dòng)控制、電爐氣壓系統(tǒng)自動(dòng)控制、電極升降系統(tǒng)控制、電極壓放系統(tǒng)控制、爐前自動(dòng)配料系統(tǒng)、循環(huán)水水壓和水溫實(shí)時(shí)監(jiān)控、電爐煙氣溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控、電爐運(yùn)行電氣參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、除塵凈化系統(tǒng)運(yùn)行工況實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史記錄查詢、運(yùn)行報(bào)表自動(dòng)生成等。

3 關(guān)鍵控制點(diǎn)的實(shí)施方案

在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和改造過程中，充分利用DCS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)原PLC系統(tǒng)的不足和盲點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的需要，解決了許多長(zhǎng)期制約電石生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的難點(diǎn)問題。

3.1 電極壓放系統(tǒng)

電極帶電壓放裝置是電石爐控制系統(tǒng)中最重要的裝置之一，其穩(wěn)定性和可靠性對(duì)電爐的操作影響非常大。由于PLC系統(tǒng)無法解決壓放量的檢測(cè)問題，電極壓放操作非常復(fù)雜，需要多人在不同的操作位置相互密切配合方能完成，并且由于冶煉爐是一個(gè)高電流、強(qiáng)磁場(chǎng)的設(shè)備，對(duì)通訊設(shè)備的干擾很大，導(dǎo)致電極壓放事故時(shí)常發(fā)生。此次改造，充分利用DCS在模擬量運(yùn)算控制方面的優(yōu)勢(shì)，引入了位移變送器這一測(cè)量設(shè)備，并將整個(gè)電極壓放裝置所有的操作控制全部植入DCS操作站，電儀工在操作站顯示器上能精確地看到上、下摩擦環(huán)的位置、壓放油缸的距離以及壓放余量等參數(shù)，并通過鼠標(biāo)操作電極壓放的設(shè)備。為了確保安全，還在上、下摩擦環(huán)的放松與抱緊；導(dǎo)電鄂板的全松與微松之間均設(shè)置了互鎖程序，電儀工與爐面主操簡(jiǎn)單配合就能輕松、安全地完成電極壓放操作，極大地提高了工作的安全性。

3.2 碳素原料烘干系統(tǒng)

碳素原料烘干塔進(jìn)風(fēng)溫度的自動(dòng)控制一直是原系統(tǒng)的缺陷，碳素原料烘干系統(tǒng)的熱源利用的是電石爐排出的高溫?zé)煔猓捎趦?nèi)燃式電石爐爐況變化較大，煙氣溫度不太均勻，多年來，烘干塔的運(yùn)行完全依靠人工方式手動(dòng)進(jìn)行混風(fēng)調(diào)整，這樣的操作方式導(dǎo)致碳素原料水分指標(biāo)波動(dòng)極大，烘干塔運(yùn)行極不穩(wěn)定。由于受人為因素影響，時(shí)常發(fā)生烘干塔內(nèi)物料燃燒，甚至燒損尾氣除塵器濾帶等重大設(shè)備事故。根據(jù)DCS模擬量控制功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，將烘干塔進(jìn)風(fēng)溫度采用由溫度信號(hào)引導(dǎo)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行線性控制，完全實(shí)現(xiàn)了烘干進(jìn)風(fēng)溫度的自動(dòng)化控制。改造后，無論進(jìn)風(fēng)煙氣溫度如何變化，自動(dòng)混風(fēng)均能保證進(jìn)口溫度始終處于設(shè)定的溫度區(qū)間，同時(shí)，加入了烘干塔出口溫度升高報(bào)警裝置，確保了尾風(fēng)濾帶的安全運(yùn)行。

3.3 爐前配料系統(tǒng)

爐前配料系統(tǒng)是整個(gè)電石爐生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的一個(gè)控制環(huán)節(jié)，主要的作用是將入爐原料中的生石灰和碳素料按照設(shè)定的比例和料量自動(dòng)配制完成后，由爐面工根據(jù)需要，下指令添加入爐。其運(yùn)行的穩(wěn)定性、連續(xù)性及其精準(zhǔn)度對(duì)電石爐的生產(chǎn)影響都非常大。該環(huán)節(jié)主要的控制難點(diǎn)在于以某個(gè)指標(biāo)值為控制基準(zhǔn)，對(duì)電磁振動(dòng)給料機(jī)的加料頻率進(jìn)行控制，達(dá)到精準(zhǔn)配料的目的。原PLC系統(tǒng)采用的是以石灰料量為基準(zhǔn)的控制方式，該方式最大的缺陷在于以單一的基準(zhǔn)指標(biāo)值作控制一旦出現(xiàn)固定指標(biāo)超差，就會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)方式停止。如以100 kg石灰為基準(zhǔn)，按67%的配料比為控制值，原系統(tǒng)以石灰量為基準(zhǔn)，慢加提前量為10 kg，正常配料情況下，當(dāng)石灰加料至90 kg時(shí)，給料機(jī)由快加轉(zhuǎn)為慢加至100 kg停止，碳素料加至57 kg時(shí)，給料機(jī)由快加轉(zhuǎn)為慢加至67 kg停止，達(dá)到配比配料結(jié)束。但給料機(jī)加料利用的是電磁振動(dòng)原理，加料的振動(dòng)頻率是由設(shè)定的電磁線圈電壓確定的，不便于隨時(shí)更改，尤其在碳素料加料時(shí)，由于碳素料中的含水量、煤焦比等的變化，其給料的溜動(dòng)速度會(huì)變化，時(shí)常形成投入的料量超過設(shè)定的基準(zhǔn)值時(shí)，自動(dòng)控制就會(huì)停止，必須由操作人員將配料方式轉(zhuǎn)為手動(dòng)控制，配平后方能轉(zhuǎn)為自動(dòng)。這一方式大大降低配料系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，影響配料精度和增加配料時(shí)間，對(duì)電石爐生產(chǎn)影響較大。鑒于此，在本次改造中，提出以雙基準(zhǔn)值控制的方式來進(jìn)行爐前配料。經(jīng)過實(shí)踐證明：（1）單批次投料量的數(shù)量誤差在20%以內(nèi)時(shí)，對(duì)電爐操作不構(gòu)成影響；（2）石灰在系統(tǒng)中需要破碎和篩分并且不含水分，所以，電振給料機(jī)加料時(shí)的溜動(dòng)速度相對(duì)穩(wěn)定。于是，采用了以石灰基準(zhǔn)料量和配料比結(jié)合的控制方式進(jìn)行配料，例如，同樣以100 kg石灰為基準(zhǔn)料量，配料比67%。如石灰量達(dá)到100 kg時(shí)，碳素料量應(yīng)在67 kg時(shí)停止，此時(shí)，配料如果出現(xiàn)加料超差，碳素量達(dá)到了70 kg，配料比就是70%，超過了工藝要求，這時(shí)，系統(tǒng)會(huì)以慢加料的方式自動(dòng)添加石灰的量至105 kg，從而滿足67%的配料比。 這一配料方式大大提高了配料的自動(dòng)化程度、配料精準(zhǔn)度和配料速度。

3.4 下料系統(tǒng)

原系統(tǒng)下料控制采用的是旋鈕開關(guān)控制下料閥的方式，這種方式相對(duì)簡(jiǎn)單，但操作人員在下料的同時(shí)尚需耙平入爐料，在下料和耙料的同時(shí)，往往會(huì)忘記關(guān)閉下料閥或提前關(guān)閉下料閥，出現(xiàn)下料不徹底的情況，會(huì)產(chǎn)生如下問題：第一，下料完畢后，不及時(shí)關(guān)閉下料閥，下料管就會(huì)發(fā)生煙囪效應(yīng)，將爐內(nèi)的高溫?zé)煔獬榈脚淞鲜?，造成環(huán)境污染甚至損壞設(shè)備；第二，所配料未按批次放完就關(guān)閉下料閥，會(huì)導(dǎo)致偏料，造成配料比不準(zhǔn)，影響電爐操作。對(duì)此，采用了現(xiàn)場(chǎng)一鍵指令全自動(dòng)下料：需要下料時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作員只需將對(duì)應(yīng)料管的現(xiàn)場(chǎng)按鈕按動(dòng)一下，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)打開下料閥，啟動(dòng)下料皮帶機(jī)，待本批次料下完后，自動(dòng)關(guān)閉下料閥，開始重新配料。這一控制方式大大減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，并確保了配比的精準(zhǔn)度和設(shè)備運(yùn)行的安全。

4 問題和不足

DCS系統(tǒng)較原來的PLC系統(tǒng)確實(shí)有很多優(yōu)勢(shì)，但在電氣控制上的應(yīng)用也存在一些不足和缺陷。（1）DCS系統(tǒng)的響應(yīng)速度不及PLC系統(tǒng)，在電氣開關(guān)量控制上略顯不足，比如在電極壓放過程中控制壓放油缸升、降的按鈕，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊后的控制響應(yīng)速度較PLC系統(tǒng)明顯低；（2）電氣運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量和計(jì)量上誤差較大。由于電氣參數(shù)變送裝置的采集方式繁瑣、采集線路較長(zhǎng)、換算過程復(fù)雜，在對(duì)有功功率、有功電量、無功功率、無功電量、功率因數(shù)等電氣參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)量時(shí)與電氣儀表比較誤差較大，實(shí)用性不很強(qiáng)。

5 改造效果與展望

整個(gè)改造工程于2010年8月全面完成，雖然還存在一些不足，但改造項(xiàng)目整體上達(dá)到了預(yù)期的效果，不僅實(shí)現(xiàn)了電石生產(chǎn)從原料制備到電爐生產(chǎn)全流程的運(yùn)行狀況監(jiān)視和控制，而且能夠進(jìn)行歷史記錄查詢、報(bào)表自動(dòng)生成等。該項(xiàng)目的改造成功標(biāo)志著電石生產(chǎn)裝置的控制技術(shù)上了一個(gè)新的臺(tái)階，此次DCS在20 000 kVA內(nèi)燃式電石爐上的應(yīng)用改造工程，在貴州省的電石生產(chǎn)行業(yè)內(nèi)尚屬首次，不僅提高了現(xiàn)有生產(chǎn)裝置的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，同時(shí)也為發(fā)展大型密閉電石爐總結(jié)了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。