基于DCS系統(tǒng)的大型礦熱電爐的監(jiān)控

王夕旭

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

0 引 言

現(xiàn)代礦熱電爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng)龐大，包含了爐體、爐體冷卻系統(tǒng)、變壓器冷卻系統(tǒng)、電極壓放系統(tǒng)等幾個(gè)大的子系統(tǒng)。連鎖流程雖不復(fù)雜，但如果采取現(xiàn)場(chǎng)操作及管理效率將十分低下，而現(xiàn)有的監(jiān)控方式應(yīng)用在帶低壓補(bǔ)償?shù)碾姞t時(shí)，則存在真實(shí)電爐電極電流無(wú)法監(jiān)控的情況。于是一套，能將各種設(shè)備集中管理控制，優(yōu)化的算法顯示電極電流的系統(tǒng)就能很好地節(jié)約勞動(dòng)力成本，優(yōu)化管理結(jié)構(gòu)，提高效率。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，我們已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的信息化新時(shí)代。企業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，很大程度上取決于先進(jìn)實(shí)用技術(shù)的推廣應(yīng)用。在建水錳礦50 MVA錳系合金電爐的設(shè)計(jì)中，對(duì)整個(gè)電爐的管理和操作進(jìn)行了集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)檢測(cè)，取得了較好效果。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

建水錳礦50 MVA錳系合金電爐監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、上位機(jī)系統(tǒng)、下位機(jī)系統(tǒng)和生產(chǎn)過(guò)程，是一個(gè)典型的集散控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)又叫分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(DCS)，是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、測(cè)控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和人機(jī)接口技術(shù)相互發(fā)展而產(chǎn)生的。其主要特點(diǎn)是集中管理、分散控制，具有很強(qiáng)的自主性、協(xié)調(diào)性、靈活性和可靠性。本系統(tǒng)中，下位機(jī)系統(tǒng)以西門子公司的SIMATIC S-400 DCS為主要處理單元，同時(shí)采用了兩臺(tái)構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)的方式提高運(yùn)行穩(wěn)定性，在一臺(tái)故障時(shí)另一臺(tái)可以立即接手控制投入運(yùn)行。兩臺(tái)DCS通過(guò)單獨(dú)Profibus-DP與西門子IO模塊建立冗余連接，之后通過(guò)4～20 mA和開關(guān)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及測(cè)量?jī)x表的數(shù)據(jù)采集和控制。上位機(jī)系統(tǒng)由三臺(tái)計(jì)算機(jī)主機(jī)構(gòu)成，一個(gè)工程師站及兩個(gè)操作員站，通過(guò)以冗余太網(wǎng)和實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換，其中工程師站具有最高權(quán)限，可對(duì)DCS和操作員站進(jìn)行編程組態(tài)，同時(shí)進(jìn)行部分有權(quán)限限制操作。上位機(jī)由PCS7加wincc工控組態(tài)軟件完成對(duì)所有的數(shù)據(jù)監(jiān)控。系統(tǒng)控制的人機(jī)界面共分為電爐本體、變壓器、電爐冷卻系統(tǒng)、電極壓放系統(tǒng)、緊急故障、變壓器冷卻器、DCS故障診斷等七個(gè)畫面，同時(shí)提供參數(shù)曲線與報(bào)表，以及故障記錄。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Control system structure

2 主要系統(tǒng)邏輯控制

為了確保電爐安全運(yùn)行，需要監(jiān)視和控制的參數(shù)繁多，如:各部分溫度、電極位置、料倉(cāng)料量、冷卻水流量、各類電參數(shù)、電極的壓放等。其中大部分可由相應(yīng)的變送器之間將物理量轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)交給系統(tǒng)統(tǒng)一處理。但也有無(wú)法直接得到信號(hào)，如電極電流。而電極的壓放這一控制系統(tǒng)唯一的輸出則需要系統(tǒng)將控制信號(hào)發(fā)給液壓系統(tǒng)來(lái)完成實(shí)際動(dòng)作的執(zhí)行。

2.1 電極電流的監(jiān)測(cè)

礦熱電爐生產(chǎn)過(guò)程中，電極電流是十分重要的監(jiān)視參數(shù)，控制電極的升降也是以電極電流作為重要依據(jù)。礦熱電爐變壓器一般都是采用有載調(diào)壓，且調(diào)壓范圍較大，因而不能由電爐變壓器一次側(cè)測(cè)量電爐電極電流，均通過(guò)測(cè)量電爐變壓器二次側(cè)電流檢測(cè)電極電流。建水錳礦使用的大型電爐變壓器為串聯(lián)(輔助)調(diào)壓變壓器，采用低壓串聯(lián)調(diào)壓，串聯(lián)調(diào)壓變壓器串接在電爐變壓器低壓回路中。單相電爐變壓器繞組聯(lián)結(jié)見圖2。

在主變壓器鐵心上套有高壓繞組1，低壓繞組2及調(diào)壓繞組3，而在串聯(lián)(輔助)變壓器鐵心上套有一次繞組4和二次繞組5。主變壓器低壓繞組2和串聯(lián)(輔助)變壓器低壓繞組5串聯(lián)連接的，并由此而得串聯(lián)調(diào)壓之名。串聯(lián)變壓器的一次繞組4的電源則由主變壓器的調(diào)壓繞組3供給。電流由電流互感器3S測(cè)出。

根據(jù)磁勢(shì)平衡的原理，電流互感器3S測(cè)得的電流，乘以繞組匝數(shù)比，便可測(cè)得電爐變壓器低壓端輸出電流I測(cè)。變壓器繞組6為10 kV補(bǔ)償繞組，接中壓無(wú)功補(bǔ)償，建錳電爐中壓無(wú)功補(bǔ)償是采用SVG動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。

3臺(tái)單相變壓器三相聯(lián)接組別D．d0。變壓器低壓側(cè)與電極連接見圖3。

圖2 單相電爐變壓器繞組聯(lián)結(jié)Fig.2 Single-phase electric furnace transformer winding connection

圖3 變壓器低壓側(cè)與電極連接Fig.3 The low voltage side of transformer connected to the electrode

電極電流檢測(cè)采用帶模擬量輸出的數(shù)顯表，通過(guò)接線方式完成變壓器角接到電極星接的轉(zhuǎn)換，數(shù)顯表模擬量輸出引至DCS系統(tǒng)見圖4。

電爐的自然功率因數(shù)較低，為了提高功率因數(shù)，滿足電網(wǎng)的要求，也是為了節(jié)能的需求。電爐供電系統(tǒng)都設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償裝置。從節(jié)約電能考慮，補(bǔ)償裝置設(shè)在低壓側(cè)、靠近電極。這樣可以減少大的無(wú)功電流在電爐短網(wǎng)及變壓器繞組中產(chǎn)生的損耗。于是為了滿足上述要求，建水錳礦采用了低壓短網(wǎng)補(bǔ)償加中壓SVG動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)慕M合補(bǔ)償方式。

圖4 數(shù)顯表模擬量輸出Fig.4 Digital display meter analog output

設(shè)置了低壓補(bǔ)償后產(chǎn)生的一個(gè)問(wèn)題便是，通過(guò)測(cè)量變壓器低壓端的電流不是真正的電極電流，而是電極電流與補(bǔ)償電流的矢量和，見圖5。從圖中看出，測(cè)量的電流要小于電極的實(shí)際電流(I測(cè)＜I電極)，指導(dǎo)生產(chǎn)的是電極電流 I電極，怎樣能檢測(cè)到I電極便是生產(chǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題。

圖5 電極電流與補(bǔ)償電流矢量圖Fig.5 Vector diagram of electrode current and compensation current

電爐變壓器是通過(guò)短網(wǎng)與電極連接的，低壓補(bǔ)償電容器組也是通過(guò)水冷母線與短網(wǎng)相聯(lián)的，而且補(bǔ)償電流較大因而補(bǔ)償電流不宜直接測(cè)量，但電極電流和電極功率因數(shù)是可以直接測(cè)量的，這樣就可以通過(guò)這兩個(gè)參數(shù)得到所需的電極實(shí)際電流。

低補(bǔ)電容器組角接在電極之間，計(jì)算電容器角接的容抗Xcd

其中:U為電容器額定電壓，單位為V;

Q為電容器額定容量，單位為KVar。

利用D-Y變換，計(jì)算星接的容抗，如果三相投入的容量相等，則

低壓補(bǔ)償裝置為自投，由一套DCS控制，通過(guò)通信，主機(jī)即可取得低壓補(bǔ)償裝置的投入組數(shù)K，接著利用測(cè)量得到的cosφ，U，I測(cè)，利用三角函數(shù)可算出I電極(見圖6)。

圖6 I電極電流矢量圖Fig.6 Vector diagram of electrode current

推導(dǎo)出計(jì)算方法后，即可在PCS7中通過(guò)編程將算法嵌入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算后把真實(shí)電極電流值顯示在監(jiān)控畫面中，為生產(chǎn)提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的電流數(shù)據(jù)。

2.2 電極壓放與升降的控制

在電爐的生產(chǎn)過(guò)程中，電極不是靜止不動(dòng)的，需要根據(jù)生產(chǎn)情況適時(shí)的調(diào)節(jié)插入礦料的深度以調(diào)節(jié)電流，這就需要升降電極來(lái)完成。由于使用的是碳材料電極，電極本體將在使用中不斷消耗，電極無(wú)法無(wú)限制的往下降，就需要通過(guò)壓放動(dòng)作來(lái)補(bǔ)充被消耗掉的電極。由于電爐功率較大需采用較大直徑的電極，與普通礦熱電爐采用塊式抱閘系統(tǒng)不同，建水錳礦引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的大直徑電極把持系統(tǒng)。因此現(xiàn)有的壓放控制系統(tǒng)無(wú)法滿足新設(shè)備的控制需求，只能重新開發(fā)控制邏輯以適應(yīng)設(shè)備變化。

大直徑電極把持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖7。

圖7 大直徑電極把持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure schematic drawing of Large-diameter electrode control system

電極由上下兩個(gè)抱閘系統(tǒng)把持住，抱閘系統(tǒng)通過(guò)彈簧、絞軸以及鋼索對(duì)電極施加把持力，抱閘系統(tǒng)處于常閉狀態(tài)，液壓缸加力時(shí)彈簧壓縮，抱閘系統(tǒng)釋放。下抱閘系統(tǒng)固定在由升降液壓缸控制的平臺(tái)上，上抱閘則通過(guò)四個(gè)壓放液壓缸與之相連。

了解了把持系統(tǒng)的構(gòu)造，控制邏輯也就一目了然了:

(1)電極升降

升降電極由升降液壓缸控制，系統(tǒng)通過(guò)將升降信號(hào)傳給通過(guò)拉繩位置計(jì)將液壓缸位置信號(hào)傳到系統(tǒng)中。由于在運(yùn)行時(shí)需要把液壓缸的行程控制在安全范圍內(nèi)，而檢修時(shí)需要把電極提升到一定高度，如何滿足運(yùn)行和檢修狀態(tài)就是編程的重點(diǎn)。

為了保證運(yùn)行的安全在編程時(shí)特別為限制行程設(shè)置了雙保險(xiǎn)，通過(guò)拉繩位置計(jì)獲得的位置信息在軟件中設(shè)定了軟限位，大于某值后將不能再進(jìn)行提升或者下降動(dòng)作，同時(shí)以接近開關(guān)作為硬限位保證液壓缸不超過(guò)最大行程。同時(shí)在上位機(jī)工程師站針對(duì)每個(gè)電極提供了“運(yùn)行/檢修”模式的切換，以適應(yīng)生產(chǎn)需要。升降油缸檢修位置控制見圖8。

圖8 升降油缸檢修位置控制Fig.8 Lifting oil cylinder repair position control

(2)電極壓放

相對(duì)以往的電極采用的塊式抱閘壓放系統(tǒng)，建水錳礦使用的大直徑電極把持系統(tǒng)運(yùn)行邏輯較為簡(jiǎn)單，系統(tǒng)通過(guò)控制液壓系統(tǒng)的電磁閥控制設(shè)備動(dòng)作，通過(guò)定點(diǎn)安裝的接近開關(guān)接受設(shè)備動(dòng)作到位信號(hào)判斷動(dòng)作是否完成，同時(shí)由于抱閘系統(tǒng)使用的鋼索在常閉，流程見圖9。

圖9 電極壓放流程Fig.9 Electrode slipping procedure

按照上述流程即可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)壓放功能，由于機(jī)械動(dòng)作需要時(shí)間，為了保證壓放的順利進(jìn)行在每個(gè)動(dòng)作執(zhí)行后等動(dòng)作到位的接近開關(guān)有反饋后才開始下一個(gè)動(dòng)作。同時(shí)程序里設(shè)置了超時(shí)，一旦動(dòng)作信號(hào)發(fā)出后不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到動(dòng)作到位的反饋，程序?qū)⒆詣?dòng)停止壓放動(dòng)作，同時(shí)在上位機(jī)顯示報(bào)警信號(hào)，提示運(yùn)行人員及時(shí)檢修壓放系統(tǒng)。在自動(dòng)壓放無(wú)法完成的時(shí)候或者其他有需要的情況，可以由運(yùn)行人員在上位機(jī)手動(dòng)完成壓放或者在現(xiàn)場(chǎng)控制箱上按照壓放流程現(xiàn)場(chǎng)操作，上位機(jī)壓放系統(tǒng)操作面板見圖10。

圖10 上位機(jī)壓放系統(tǒng)操作面板Fig.10 Operation panel of PC slipping system

3 電爐系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

礦熱電爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng)龐大，包含了爐體、爐體冷卻系統(tǒng)、變壓器、變壓器冷卻系統(tǒng)、電極壓放系統(tǒng)等幾個(gè)大的子系統(tǒng)。根據(jù)工藝要求設(shè)計(jì)了5個(gè)不同的監(jiān)控界面，外加一個(gè)故障報(bào)警界面，在這里只對(duì)內(nèi)容較多較為常用的主畫面和電極壓放控制畫面做詳細(xì)介紹。

為了便于現(xiàn)場(chǎng)人員監(jiān)視與控制電爐的運(yùn)行，電爐本體為主畫面并且盡量多的包含了電爐的電力、溫度、料倉(cāng)容量、變壓器檔位、液壓系統(tǒng)壓力等主要參數(shù)顯示，和常用操作如電極升降、變壓器檔位的控制。直觀真實(shí)地展示了整個(gè)電爐的運(yùn)行狀況，此界面中不但內(nèi)嵌了各個(gè)設(shè)備的重要狀態(tài)指示，而且通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)的設(shè)備，還能方便地調(diào)用各個(gè)設(shè)備的操作面板，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制，以及對(duì)設(shè)備詳細(xì)參數(shù)的了解。畫面見圖11。

圖11 電爐本體畫面Fig.11 Electric furnace body monitoring interface

電極壓放系統(tǒng)畫面是電爐電極健康的主要監(jiān)視畫面，擁有比主界面更為詳細(xì)的電極及液壓系統(tǒng)的信息與控制。包含了壓放操作畫面和液壓系統(tǒng)的壓力、位置、溫度、傳感器狀態(tài)等主要參數(shù)的檢測(cè)以及對(duì)電極的常用操作的控制。詳細(xì)數(shù)據(jù)可通過(guò)點(diǎn)擊屏幕左下角的詳細(xì)參數(shù)鏈接查看，ES站電極壓放系統(tǒng)畫面見圖12。

圖12 ES站電極壓放系統(tǒng)畫面Fig.12 ES station electrode slipping system monitoring intrface

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上文表述，可以看出通過(guò)DCS系統(tǒng)對(duì)礦熱電爐的控制與檢測(cè)，可滿足以用戶對(duì)節(jié)能、控制和數(shù)據(jù)管理的要求。自系統(tǒng)投用以來(lái)大大減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為安全生產(chǎn)提供了保障，提高了生產(chǎn)效率，取得良好經(jīng)濟(jì)的效益，為建立現(xiàn)代化企業(yè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］俞金壽，何衍慶．集散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1995．

［2］胡壽松 ．自動(dòng)控制原理［M］．北京:科學(xué)出版社，2007．

［3］崔堅(jiān)．西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．