精煉搖爐自動(dòng)控制系統(tǒng)

劉振民

（江西瑞林電氣自動(dòng)化有限公司，江西南昌 330031）

精煉搖爐自動(dòng)控制系統(tǒng)

劉振民

（江西瑞林電氣自動(dòng)化有限公司，江西南昌 330031）

從精煉搖爐生產(chǎn)工藝流程入手，介紹了精煉搖爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成，并分析了燃燒系統(tǒng)、氧化還原系統(tǒng)、爐體傾動(dòng)及爐門控制、余熱鍋爐系統(tǒng)、排煙收塵系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)等控制系統(tǒng)的具體控制功能。

廢雜銅；精煉搖爐;自動(dòng)控制系統(tǒng);PCS7

精煉搖爐及其冶煉工藝是中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司根據(jù)廢雜銅冶煉的特點(diǎn)研發(fā)的廢雜銅冶煉技術(shù)。該爐型具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）對(duì)原料的適應(yīng)性好，銅品位范圍較寬，既能處理固態(tài)料也能處理液態(tài)料；2）產(chǎn)能大，一爐次可達(dá)350 t；3）加料方便，布料均勻，融化速度快；4）機(jī)械化程度高，爐體液壓驅(qū)動(dòng)傾轉(zhuǎn)，大大降低氧化、倒渣、還原階段的作業(yè)強(qiáng)度；5)使用氣體燃料和還原劑，燃燒效率和還原效率高，經(jīng)濟(jì)環(huán)保；6）自動(dòng)化系統(tǒng)先進(jìn)、完善。其中，精煉搖爐自動(dòng)控制系統(tǒng)是專門為精煉搖爐廢雜銅冶煉而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)。

1 工藝流程

精煉搖爐生產(chǎn)工藝流程主要有原料打包、加料熔化、氧化、倒渣、還原、澆鑄，如圖1所示。

圖1 精煉搖爐生產(chǎn)工藝流程

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

精煉搖爐控制系統(tǒng)硬件及編程平臺(tái)采用西門子公司的PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)。PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)是西門子公司推出的面向工業(yè)過(guò)程的自動(dòng)化解決方案,它綜合了DCS、PLC、工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)突出的特點(diǎn)是全集成、開發(fā)性及基于標(biāo)準(zhǔn)的SIMATIC軟件和硬件組件。從傳感器、執(zhí)行器到控制器，再到上位機(jī)，自下而上形成完整的TIA（全集成自動(dòng)化）架構(gòu)。系統(tǒng)開放性好，可以接入多種現(xiàn)場(chǎng)總線，對(duì)外開放OPC接口。功能強(qiáng)大的各種組件可按需要進(jìn)行配置，種類豐富，方案靈活。使用CFC進(jìn)行編程，簡(jiǎn)單方便上手快。結(jié)合內(nèi)容豐富、功能強(qiáng)大的高級(jí)過(guò)程庫(kù)，能夠很快地完成程序的編寫和畫面的開發(fā)，并且能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種應(yīng)用需求[1]。精煉搖爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 精煉搖爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在該系統(tǒng)中控制器組件采用冗余控制器CPU 417H，包括控制器底座、CPU模塊、通訊模塊和電源模塊冗余[2]。CPU通過(guò)冗余 Profibus接口連接ET200M I/O機(jī)架，所有I/O模塊可以熱插拔；現(xiàn)場(chǎng)配套設(shè)備帶的PLC通過(guò)Y-LINK連接到CPU上。冗余的CP443-1以太網(wǎng)通訊模塊通過(guò)兩個(gè)100 M交換機(jī)組成的以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)連接到2臺(tái)操作員站和1臺(tái)工程師站上[3]。主要硬件配置如表1所示。

表1 硬件配置

3 控制系統(tǒng)主要功能

整個(gè)精煉搖爐控制系統(tǒng)按工藝功能，主要可以分為燃燒系統(tǒng)、氧化還原系統(tǒng)、爐體傾動(dòng)及爐門控制、余熱鍋爐系統(tǒng)、排煙收塵系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)等。

3.1 燃燒系統(tǒng)

精煉搖爐在爐體的一端有2個(gè)燃燒燒嘴，每個(gè)燒嘴上有3路主燃燒管路，分別通入天然氣、氧氣和助燃風(fēng)。燃燒系統(tǒng)中的天然氣、氧氣管路分別配置有一套閥組。該閥組上裝有調(diào)節(jié)閥、前后兩路切斷閥、流量計(jì)、壓力變送器。助燃風(fēng)管路上有電動(dòng)切斷閥和調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、壓力變送器。

燃燒系統(tǒng)的控制要點(diǎn)是根據(jù)作業(yè)階段按邏輯時(shí)序?qū)χ鞴苈芳胺派⒐苈非袛嚅y進(jìn)行開關(guān)控制；同時(shí)根據(jù)作業(yè)階段設(shè)置調(diào)節(jié)閥初始開度和調(diào)節(jié)正常工作時(shí)的開度。正常工作狀態(tài)以天然氣流量為主控對(duì)象，通過(guò)PID回路來(lái)進(jìn)行閉環(huán)控制，使其穩(wěn)定在所需范圍內(nèi)。根據(jù)天然氣的流量按照設(shè)定的比例計(jì)算出氧氣及助燃風(fēng)的所需量，并作為氧氣和助燃風(fēng)設(shè)定值，再對(duì)氧氣或助燃風(fēng)進(jìn)行PID回路閉環(huán)控制。同時(shí)，結(jié)合燃?xì)庑孤z測(cè)、火焰檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)急停按鈕等信號(hào)作為故障安全聯(lián)鎖。所有閥門既可自動(dòng)也可手動(dòng)操作，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。

3.2 氧化還原系統(tǒng)

精煉搖爐在出銅口一側(cè)插入6路氧化還原管，氧化還原管上連接有壓縮空氣管路、天然氣管路、冷卻風(fēng)管路。氧化還原時(shí)，爐體往出銅側(cè)搖到合適角度，還原管中通入壓縮空氣或者天然氣進(jìn)行氧化或者還原作業(yè)，其他階段通入冷卻風(fēng)以防止氧化還原管被高溫?zé)?。壓縮空氣、天然氣、冷卻管路各來(lái)自一條總管，再分到6路氧化還原管。各自的總管上配置有調(diào)節(jié)閥、切斷閥、流量計(jì)、壓力變送器。

氧化還原系統(tǒng)的控制要點(diǎn)是根據(jù)作業(yè)階段按邏輯時(shí)序?qū)χ鞴苈芳懊恳宦费趸€原管路切斷閥進(jìn)行開關(guān)控制；同時(shí)調(diào)節(jié)主管路上的調(diào)節(jié)閥，以達(dá)到氧化或者還原階段對(duì)壓縮空氣或天然氣的流量要求。氧化、還原時(shí)可以通過(guò)PID來(lái)對(duì)壓縮空氣流量、天然氣流量進(jìn)行自動(dòng)閉環(huán)控制，也可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥開度來(lái)操作，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。冷卻風(fēng)只要根據(jù)作業(yè)階段按邏輯時(shí)序開關(guān)控制就可以。

3.3 爐體傾動(dòng)及爐門控制

精煉搖爐在不同的作業(yè)階段需要往不同方向搖動(dòng)一定的角度，這種爐體的自動(dòng)搖動(dòng)，極大地減輕了工人進(jìn)行插管、扒渣的工作量和工作強(qiáng)度，也縮短了作業(yè)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

精煉搖爐爐體傾動(dòng)及爐門控制配置了一套液壓系統(tǒng)，包括液壓泵、電磁閥、油缸等。為了確保在DCS故障或者停機(jī)的緊急情況下還能控制爐體搖動(dòng)，單獨(dú)配置了一套西門子S7 300 PLC控制系統(tǒng)，并且還有一套手動(dòng)閥組來(lái)確保在完全停電或者PLC故障時(shí)能將爐體搖動(dòng)到安全位置。

精煉搖爐控制系統(tǒng)通過(guò)Y-LINK組件將冗余的兩條Profibus-DP總線轉(zhuǎn)換成一條單Profibus-DP總線,這樣液壓系統(tǒng)的S7 300 PLC就可以與精煉搖爐控制系統(tǒng)冗余CPU進(jìn)行Profibus-DP通訊來(lái)完成信息交換，達(dá)到控制要求。

3.4 余熱鍋爐系統(tǒng)

在精煉搖爐的另一端，與燃燒器正對(duì)的是煙道口。煙氣通過(guò)煙道口進(jìn)入余熱鍋爐。余熱鍋爐將高溫?zé)煔獾臒崃课辙D(zhuǎn)換成帶壓水蒸汽供電解工段使用。

余熱鍋爐的主要控制要點(diǎn)是鍋爐汽包液位控制和爆破清灰。鍋爐汽包液位控制現(xiàn)在應(yīng)用很多，控制技術(shù)也很成熟，大部分應(yīng)用都是三沖量控制，這里不做詳述。爆破清灰是鍋爐清灰方式的一種，另一種常見的清灰方式是彈簧振打清灰。這兩種清灰方式對(duì)控制系統(tǒng)的要求基本一致，都是按時(shí)間按順序?qū)η寤移鬟M(jìn)行啟?？刂啤?/p>

3.5 排煙收塵系統(tǒng)

煙氣經(jīng)過(guò)余熱鍋爐后，先進(jìn)入板式冷卻器，將煙氣冷卻到一定范圍，然后進(jìn)入布袋收塵器，除塵后再排空。排煙收塵系統(tǒng)的控制要點(diǎn)主要有：1)通過(guò)變頻控制排煙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制爐壓；2)通過(guò)變頻控制板式冷卻器冷卻風(fēng)機(jī)來(lái)控制煙氣溫度，防止溫度過(guò)高燒壞后面的布袋收塵器，也防止溫度過(guò)低導(dǎo)致結(jié)露堵塞煙道；3）在布袋收塵器入口前方煙道上設(shè)置稀釋風(fēng)閥，通過(guò)調(diào)節(jié)該閥來(lái)兌入一定的冷空氣來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入布袋收塵器的溫度，同時(shí)也調(diào)節(jié)爐內(nèi)壓力。

板式冷卻器單獨(dú)配置了一套S7 300 PLC，對(duì)該設(shè)備上的卸灰閥、振打、冷卻風(fēng)機(jī)等進(jìn)行控制；布袋收塵器單獨(dú)配置了一套S7 200 PLC，對(duì)該設(shè)備上的卸灰閥、刮板機(jī)等進(jìn)行控制。單獨(dú)配置PLC使得板式冷卻器和布袋收塵器可以獨(dú)立運(yùn)行,也可選擇由精煉搖爐控制系統(tǒng)來(lái)統(tǒng)一遠(yuǎn)程控制運(yùn)行,這樣可以分散控制風(fēng)險(xiǎn)。這些PLC和爐體傾動(dòng)液壓系統(tǒng)的PLC一樣，均是通過(guò)Y-LINK與精煉搖爐控制系統(tǒng)冗余CPU進(jìn)行Profibus-DP通訊來(lái)完成信息交換。用通訊的方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制可以減少信號(hào)電纜的使用量、安裝敷設(shè)工作量，降低成本的同時(shí)也能減少故障點(diǎn)的產(chǎn)生。

3.6 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

精煉搖爐爐體、爐門上配置有冷卻水管，用來(lái)防止這些地方溫度過(guò)高，確保設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程的安全。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要是水泵的啟停、液位高低聯(lián)鎖、備用泵自投等邏輯控制。

3.7 過(guò)程量監(jiān)測(cè)

除了上述6大主要系統(tǒng)外，整個(gè)精煉搖爐冶煉過(guò)程還有許多過(guò)程量的監(jiān)測(cè)及重要過(guò)程量的報(bào)警。比如煙氣溫度、壓力、流量；爐體溫度、角度；冷卻水溫度、壓力、液位；重要設(shè)備的溫度、電壓、電流、振動(dòng)等等。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，精煉搖爐自動(dòng)控制系統(tǒng)已順利完成調(diào)試，并投入使用2年多。對(duì)于該系統(tǒng)的使用效果，用戶給予了高度的評(píng)價(jià)：1）控制方案先進(jìn)，系統(tǒng)擴(kuò)展能力強(qiáng)；2）控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高，容錯(cuò)性好，未出過(guò)故障；3）功能強(qiáng)勁，控制精度高；4）人機(jī)界面直觀明了，操作方便；5）維護(hù)簡(jiǎn)單，軟件使用上手快。正是有了上述完善的過(guò)程信號(hào)監(jiān)測(cè)，操作人員才能最準(zhǔn)確地了解和掌控整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，提高生產(chǎn)效率，降低能耗和污染。

[1] 西門子（中國(guó)）有限公司.SIMATIC PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：西門子（中國(guó)）有限公司，2008.

[2] 廖常初.S7 300/400應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3] 崔健,李佳.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，2004.

Automatic Control System of Refining Rocking Furnace

LIU Zhenmin

(Jiangxi Nerin Electric Automation Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

The paper introduces composition of automatic control system of refining rocking furnace from the aspect of production process flow of refining rocking furnace,and analyzes specific control functions of control systems,such as combustion system, oxidation-reduction system,furnace body tilting and furnace gate control,waste heat boiler system,smoke exhaust and duct collection system and cooling water system.

crap copper;refining rocking furnace;automatic control system;PCS7

TP278

B

1004-4345(2015)03-0060-003

2014-08-22

劉振民（1984—），男，主要從事儀表自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究工作。