貴冶2#閃速爐自控系統(tǒng)概況及優(yōu)化

陳 耕

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠，江西貴溪 335424)

1 引言

FF現(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)今國際上自動化領(lǐng)域發(fā)展的一大熱點(diǎn)，縱觀這幾年國內(nèi)投入使用的大型自控系統(tǒng)項(xiàng)目，越來越多的使用了FF總線技術(shù)，它不僅節(jié)省投資，而且可以縮短工程時間。FF現(xiàn)場總線技術(shù)采用數(shù)字通訊，它不僅可以獲取更多的設(shè)備信息，而且穩(wěn)定性和可靠性都得到提高。在連續(xù)的工藝生產(chǎn)過程中非計(jì)劃性停車對工廠可能造成巨大損失，如何減少這種情況的發(fā)生?預(yù)防性維修被認(rèn)為是一種較好的解決辦法［1］。近年來出現(xiàn)了很多檢測設(shè)備性能狀態(tài)的技術(shù)設(shè)備及軟件，這些將預(yù)防性維修推向了一個新的高度。貴冶2#閃速爐自控系統(tǒng)的維護(hù)人員采用了如:AMS/PRM等資源管理軟件、ValveLink軟件等監(jiān)測和診斷設(shè)備的狀態(tài)及性能，同時不斷對工藝過程的控制方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。這些舉措減少了設(shè)備檢修時間，提高了工藝參數(shù)指標(biāo)及閃速爐作業(yè)率。

2 閃速爐工藝流程簡介及自控系統(tǒng)介紹

貴溪冶煉廠2#閃速爐的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)為礦產(chǎn)陽極銅20萬t/a［2］，其生產(chǎn)過程為:來自各地的銅精礦進(jìn)入冶煉廠后在配料車間進(jìn)行配料，然后通過皮帶輸送到熔煉蒸汽干燥機(jī)，干燥后的精礦通過空氣提升機(jī)送入干礦倉，干礦倉的精礦通過失重秤計(jì)量送入閃速爐，在閃速爐中反應(yīng)生成高品位的冰銅，閃速爐冰銅通過流槽放到包子內(nèi)，并通過吊車運(yùn)到轉(zhuǎn)爐進(jìn)行吹煉成粗銅，閃速爐渣和轉(zhuǎn)爐渣通過渣包運(yùn)至渣浮選車間處理，產(chǎn)生的渣精礦返閃速爐熔煉。閃速熔煉過程產(chǎn)生的煙氣通過余熱鍋爐與水進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生飽和蒸汽供透平發(fā)電機(jī)發(fā)電，降溫后的煙氣進(jìn)入電收塵除去大部分的灰塵然后由閃速爐排風(fēng)機(jī)送給硫酸制酸。

貴溪冶煉廠2#閃速爐自控系統(tǒng)采用了艾默生公司的DELTAV集散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了當(dāng)時較先進(jìn)的FF現(xiàn)場總線技術(shù)(FCS)。由于控制需要，閃速爐與硫酸采用一套控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了7個冗余控制器，不僅減少了大量的通訊電纜，也節(jié)省了大量的安裝時間及費(fèi)用。數(shù)字通訊提高了系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、可操作性，滿足生產(chǎn)要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，有如下特點(diǎn):

圖1 閃速爐和硫酸裝置的DeltaV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)通過在兩個裝置中采用一套控制系統(tǒng)，從而在控制層面將閃速爐和硫酸兩個裝置連接成一個整體。這樣既減小了以往兩個裝置間為了交換數(shù)據(jù)而敷設(shè)許多的電纜以及為數(shù)模系統(tǒng)而安裝兩套數(shù)據(jù)接口軟硬件，也可以提高裝置之間的操作協(xié)作速度和效率。

(2)根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備分布集中的特點(diǎn)，采用了目前先進(jìn)的FF現(xiàn)場總線技術(shù)，不僅節(jié)約了電纜投資，簡化了設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，同時為設(shè)備管理提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(3)在控制系統(tǒng)中配置了AMS(資產(chǎn)管理系統(tǒng))。為了更好的管理工廠的儀表設(shè)備資產(chǎn)，提高設(shè)備管理水平，降低備件費(fèi)用。valvelink(閥門在線診斷)軟件的應(yīng)用使得閥門的調(diào)試變得更加快捷、方便，同時可以在線檢測閥門的內(nèi)部磨損，劣化情況，為我們檢修閥門提供科學(xué)依據(jù)。

(4)為了保證系統(tǒng)以后升級和提高控制水平，采用了通行的OPC數(shù)據(jù)接口，不僅可以滿足閃速爐數(shù)?？刂频囊螅矠橐院笃渌刂苹芈凡捎孟冗M(jìn)控制提高控制精度提供了控制領(lǐng)域通用的實(shí)時數(shù)據(jù)平臺。

如上圖1所示，整個系統(tǒng)主要由一臺主工程師站，兩臺工程師站，一臺AMS站，兩臺APP站，九臺操作員站，和七套控制器組成［3］。相對于其他一些控制系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的操作員站可以獨(dú)立于其他工作站運(yùn)行，同時主工程師站和APP站都采用PC服務(wù)器級硬件，控制器和底層控制網(wǎng)絡(luò)采用冗余配置，從而保證了系統(tǒng)的可靠性。

大量使用現(xiàn)場總線儀表，如:ROSEMOUNT總線壓力表、流量計(jì)、Fisher總線閥門定位器等等。由于總線儀表與控制系統(tǒng)之間采用數(shù)字通訊，因而整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制精度都得到提高。總線設(shè)備的AI、AO、PID功能塊都可以下裝到現(xiàn)場總線儀表內(nèi)，同一網(wǎng)段中設(shè)備間通訊可以不經(jīng)過控制系統(tǒng)，大大減少了網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)段中的通訊量，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。原1#閃速爐失重計(jì)量給料裝置采用Modbus方式與控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，每次都需要操作人員在WB930控制器的面板上輸入加料量的上下限，容易出現(xiàn)誤操作。2#閃速爐失重計(jì)量給料裝置控制器WB930改用PROFIBUSDP現(xiàn)場總線與Deltav控制系統(tǒng)通訊［4］。

圖2 DCS與WB930控制結(jié)構(gòu)簡圖

如圖2所示，ES_01為控制系統(tǒng)的工程師站，用于整個系統(tǒng)的組態(tài)，CL_03為控制系統(tǒng)的第三對控制器及I/O系統(tǒng)，其中帶有兩塊PROFIBUS－DP通訊卡件，用于與兩臺WB930控制器通訊。工藝人員可以直接在控制系統(tǒng)流程圖上設(shè)定的投礦量設(shè)定值、失重倉上下料位設(shè)定值，以及對失重給料設(shè)備的啟停等參數(shù)進(jìn)行操作［5］。該方案的實(shí)施避免了操作人員的誤操作。

在循環(huán)水中，我們在每個冷卻水套的出水口都加裝了測溫?zé)犭娮?。閃速爐爐體冷卻水溫度測點(diǎn)就有近700個。我們使用了848T總線型溫度變送器，每個848T可接收8路可獨(dú)立組態(tài)的傳感器信號，兼容兩線制或三線制的熱電阻RTD、熱電偶TC或一般電阻歐姆、毫伏等傳感器輸入信號［6］。848T接線圖如下圖3所示:

圖3 848T接線圖

我們在銅水套測溫?zé)犭娮杼幘徒惭b848T，然后將848T接入現(xiàn)場總線接線盒，每個FF總線接線盒又可以接入1～12個848T，由此算來，僅電纜我們就比傳統(tǒng)DCS節(jié)省了約70%。如需增加測溫元件，也更加便捷，就近將測溫元件用電纜接入現(xiàn)場的848T內(nèi)即可。

3 系統(tǒng)運(yùn)行中碰到的問題及解決方案與部分控制方案的優(yōu)化

2#閃速爐控制系統(tǒng)投運(yùn)以來，總體運(yùn)行良好，也出現(xiàn)過如下介紹的一些問題，經(jīng)過技術(shù)人員的努力的得到了較好的解決。隨著產(chǎn)量的提升、工況的改變，我們不斷的改進(jìn)和優(yōu)化某些控制方案以適應(yīng)生產(chǎn)要求。具體介紹如下:

(1)2008年，deltav控制系統(tǒng)出現(xiàn)了部分設(shè)備無法操作的現(xiàn)象，技術(shù)人員通過查找原因，得出部分操作站的用戶權(quán)限和權(quán)限范圍發(fā)生了變化，于是在工程師站對操作站的權(quán)限從新分配下裝后，系統(tǒng)工作正常。通過這次事件，我們重新設(shè)置了管理員密碼，進(jìn)一步規(guī)范系統(tǒng)管理員的操作，避免類似情況發(fā)生。

(2)失重秤控制器(WB930)與deltav系統(tǒng)采用的Profibus－DP現(xiàn)場總線通訊出現(xiàn)過間斷性通訊故障的現(xiàn)象，通過與外方專家溝通得知，WB930與deltav控制系統(tǒng)通訊的參數(shù)設(shè)置錯誤有關(guān)。技術(shù)人員依據(jù)外方提供的更改方案，將WB930串行通訊參數(shù)中p.ser.io中的三項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行修改，修改之后失重秤運(yùn)行穩(wěn)定。

(3)閃速爐鍋爐(FFB)汽包水位控制采用前饋加反饋的三沖量控制方案，在鍋爐投運(yùn)初期汽包水位波動較大，技術(shù)人員通過查找原因得出:轉(zhuǎn)爐鍋爐(CFB)汽包產(chǎn)汽與FFB汽包產(chǎn)生的蒸汽共用一條管路送給動力透平電機(jī)發(fā)電，F(xiàn)FB汽包為連續(xù)性生產(chǎn)方式，而CFB汽包間歇性的產(chǎn)汽，CFB汽包間歇性的產(chǎn)汽是造成FFB汽包水位波動的主因。技術(shù)人員對水位信號采用冗余測量提高控制精度，對給水流量和蒸汽流量通過延遲濾波提高系統(tǒng)穩(wěn)定性［7］，對FFB汽包水位控制采取了反饋限幅穩(wěn)定控制輸出。實(shí)施這三項(xiàng)措施后，2#FFB汽包水位控制的波動幅度在－80～+110 mm之間，遠(yuǎn)好于調(diào)整之前的－150～+270 mm，穩(wěn)定了汽包水位及產(chǎn)汽量，提高了透平發(fā)電機(jī)的運(yùn)行時間。

(4)A1、A2兩套煙塵輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸送能力遠(yuǎn)大于實(shí)際煙灰的產(chǎn)量，在A1、A2煙塵輸送系統(tǒng)處于不間斷交替輸送時，每次輸送的煙灰量很少，導(dǎo)致系統(tǒng)的輸送效率很低，單位時間內(nèi)輸送頻次過高。技術(shù)人員經(jīng)過討論決定在A1、A2煙塵輸送系統(tǒng)交替輸送中加入輸送間隔時間，輸送間隔時間即一套系統(tǒng)輸送完成，另一套系統(tǒng)開始輸送前的等待時間。通過一段時間的摸索，最終將交替輸送的間隔時間設(shè)定在80s，將以前兩套系統(tǒng)每小時輸送34次降低到每小時12次，大大降低了設(shè)備輸送頻次(如圖4、5)，減少設(shè)備磨損，延長了設(shè)備的使用壽命。鐘罩閥(該系統(tǒng)中的重要設(shè)備)的使用壽命由2個月增加到6個月。

圖4 增設(shè)間隔時間前的輸送頻次圖

圖5 增設(shè)間隔時間后的輸送頻次圖

(5)充分利用FF總線系統(tǒng)中的AMS/PRM等資源管理軟件，對具體現(xiàn)場智能設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和狀態(tài)分析，給維護(hù)人員提供一個排除故障的信息采單，更加有效地分析和診斷設(shè)備故障，做到預(yù)見性維護(hù)。

(6)采用ValveLink軟件完成對智能閥門定位器的分析。通過分析閥門特征曲線如行程與執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力曲線、輸入信號與行程曲線、輸入信號與驅(qū)動信號、時間與行程曲線四種特性曲線，正確的分析閥門的運(yùn)行和閥體的狀況好壞情況;通過診斷閥門的填料函泄漏;診斷出閥座與閥塞是否有磨損，診斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否有串氣、漏氣、閥桿磨檫力(填料的松與緊)等情況，提供包括定位器在內(nèi)的整體性能以及滯后和死區(qū)信息;從閥們的動態(tài)特動曲線中可以看到閥桿是否粘住或跳動，分析閥門的響應(yīng)，提供閥門動態(tài)速度信息，提供超調(diào)和動作速度信息。再根據(jù)這些設(shè)備的報(bào)警信息，能夠幫助提醒用戶的閥門那些地方需要進(jìn)行維護(hù)和維修。圖6介紹閥門診斷方法和故障類型。

圖6 診斷曲線與閥門故障類型

通過借助閥門診斷軟件，利用平時定修和月修期間有針對性地對出現(xiàn)報(bào)警或維護(hù)信息提示的現(xiàn)場閥門進(jìn)行在線實(shí)時分析和對比分析，并做好閥門特征曲線分析記錄和保存，基本上實(shí)現(xiàn)了指導(dǎo)設(shè)備檢修人員維護(hù)檢修和提供故障處理參考幫助，同時為年度大修，提供是否下線檢修依據(jù)，避免造成設(shè)備過度檢修或欠修，達(dá)到降低維護(hù)費(fèi)用的目的。我們利用該軟件測試的數(shù)據(jù)，有計(jì)劃的更換過多臺閥門，減少了不必要的非計(jì)劃性停車。

(7)PI(Plant Information System)是由美國OSI Software公司開發(fā)的一套基于Client/Server結(jié)構(gòu)的商品化軟件應(yīng)用平臺，作為工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)與上層管理信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接的橋梁。貴冶建立了一個跨越全廠的生產(chǎn)實(shí)時信息網(wǎng)，采集了工廠所有底層控制網(wǎng)絡(luò)的大部分?jǐn)?shù)據(jù);我們利用生產(chǎn)實(shí)時信息網(wǎng)這個平臺做二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)有目的、有計(jì)劃、有針對性的點(diǎn)檢維護(hù)以期達(dá)到提高維護(hù)效率和準(zhǔn)確度。例如冷卻水點(diǎn)和其他一些簡單測點(diǎn)，然后經(jīng)過對這些測點(diǎn)做基本判斷，進(jìn)行描述和可視化處理(如圖7)。

這套冷卻水點(diǎn)檢系統(tǒng)中，首先利用PI中的DataLink將近700個冷卻水溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)收集起來，并將這些測點(diǎn)數(shù)據(jù)與冷卻水進(jìn)水總管 (冷卻水進(jìn)行冷卻前)溫度對比，將溫度低于總管溫度1℃以上，即:

式中:ti為冷卻水各點(diǎn)溫度，單位℃;、t0為冷卻水進(jìn)水總管溫度，單位℃。

以及壞值(bad value)和超限報(bào)警測點(diǎn)甄別出來進(jìn)行描述和可視化處理，顯然這比以往的傳統(tǒng)點(diǎn)檢方式提高了效率和準(zhǔn)確度，能一目了然的知道故障點(diǎn)，并遠(yuǎn)程擬定故障處理方案。

圖7 冷卻水溫度圖

4 結(jié)束語

由于采用了預(yù)防性維修的方法，并在生產(chǎn)過程中不斷優(yōu)化控制方案，使得設(shè)備的故障率大為減少，閃速爐作業(yè)率由91.69%提高了96.5%。FF總線技術(shù)的應(yīng)用改善了操作，節(jié)省了能耗，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，使得2#閃速爐主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平［8］?？梢灶A(yù)見，F(xiàn)F總線技術(shù)和預(yù)防性維修將會在自控領(lǐng)域應(yīng)用地更加廣泛。

［1］ 王靈芝，徐宇工，張家棟.基于設(shè)備有效度和可靠度的預(yù)防修經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，4(46):163 －168.

［2］ 余齊漢.貴冶2#閃速爐工藝過程及試生產(chǎn)實(shí)踐［J］.有色金屬(冶煉部分)，2009(2):21－24.

［3］ 江銅集團(tuán)貴溪30萬噸/年銅項(xiàng)目［S］.EMERSON，2007.(Delta系統(tǒng)圖紙).

［4］ Loss－In－Weight Feeders 220－FE－001，220－FE－002 Document DE018228［R］.OUTO KUMPU:2006.

［5］ 吳明華.profibus DP在貴冶二系統(tǒng)失重計(jì)量給料系統(tǒng)上的應(yīng)用［J］.銅業(yè)工程，2009(S1):123－125.

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