基于CompactLogix系統(tǒng)平臺的銅精煉陽極爐控制系統(tǒng)

張 鵬

(中國恩菲工程技術有限公司 電氣二室， 北京 100038)

基于CompactLogix系統(tǒng)平臺的銅精煉陽極爐控制系統(tǒng)

張 鵬

(中國恩菲工程技術有限公司 電氣二室， 北京 100038)

介紹了某銅冶煉廠銅精煉的工藝以及AB公司CompactLogix系統(tǒng)的主要特點，詳細闡述了基于CompactLogix系統(tǒng)平臺的陽極爐控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及控制功能?，F(xiàn)場投運后，該控制系統(tǒng)完全滿足精煉工藝的要求，取得了良好的效果。

CompactLogix系統(tǒng)； PLC； 陽極爐； 銅精煉

1 銅精煉工藝介紹

河南某銅冶煉廠設計規(guī)模為處理混合復雜金精礦150萬t/a，采用“精礦富氧底吹熔煉- 銅锍閃速吹煉- 粗銅回轉(zhuǎn)式陽極爐精煉- 陽極板電解”工藝，產(chǎn)金36t/a，產(chǎn)銅20萬t/a，其余產(chǎn)品包括銀錠、硫酸鎳、精硒、精碲和硫酸?；旌香~精礦進入富氧底吹熔煉爐熔煉，產(chǎn)生的銅锍進入吹煉爐進行吹煉，吹煉爐產(chǎn)生的粗銅再進入回轉(zhuǎn)式陽極爐進行精煉，得到銅陽極板送往電解。

陽極爐精煉作業(yè)包括進料、保溫、氧化、倒渣、還原、澆鑄。閃速爐吹煉出的粗銅，作為熱料加入到陽極爐中。完成加料后需要加熱提溫，加熱提溫階段煙氣溫度在1 100～1 200 ℃的范圍內(nèi)，根據(jù)爐溫狀況進入氧化作業(yè)[1]。氧化作業(yè)過程根據(jù)爐內(nèi)渣的情況進行倒渣操作，取樣判斷氧化終點符合規(guī)定后轉(zhuǎn)入還原作業(yè)。還原作業(yè)階段需要向爐體內(nèi)鼓入天然氣作為還原劑進行還原，同時鼓入氮氣用以攪拌熔體加速還原。觀察爐內(nèi)反應，取樣判斷還原終點試樣合格后，組織出爐作業(yè)，進行澆鑄[2]。該銅冶煉廠設陽極精煉爐2臺，年工作330天，每天3班操作，每天操作24 h，兩臺陽極精煉爐均為熱狀態(tài)交替操作，每爐每天生產(chǎn)1爐，每天共生產(chǎn)2爐。

每臺陽極爐采用1臺160 kW變頻調(diào)速交流異步電動機作為主驅(qū)動電機，1臺56 kW直流復勵電機作為事故電機。主驅(qū)動電機與事故電機同軸相連，在電氣上采取互鎖措施防止兩臺電機并列運行。陽極爐能夠正向轉(zhuǎn)動和反向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動時可由變頻器多檔位調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。按正常、氧化還原、出渣、出銅設轉(zhuǎn)角限位開關和旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器裝在減速機出口軸外端。

2 基于CompactLogix系統(tǒng)平臺的陽極爐精煉控制系統(tǒng)簡介

CompactLogix系統(tǒng)平臺是羅克韋爾公司旗下的重要品牌Allen-Bradley的系統(tǒng)平臺，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，到目前，該系統(tǒng)已被廣泛應用在鋼鐵、冶金、石油、機械加工等行業(yè)中。編程軟件、控制器和I/O模塊之間的緊密集成可顯著減少開發(fā)時間。具有以下特點：

(1) DIN式導軌安裝或者面板安裝，安裝非常靈活。

(2) 嵌入式的I/O模塊集成在了一體化控制器中，可降低成本并有效簡化配置。

(3) AI、AO模擬量模塊，DI、DO數(shù)字量模塊以及特殊模塊能夠涵蓋絕大多數(shù)的工程項目應用。

(4) 完全支持標準的EtherNet/IP網(wǎng)絡，支持所有CompactLogix平臺的ControlNetTM和DeviceNetTM網(wǎng)絡。

(5) 在一個控制器中同時集成了安全和運動功能。

該陽極爐控制系統(tǒng)作為全廠DCS系統(tǒng)的一個組成部分，設置Profibus-DP通訊接口，通過DP電纜與位于陽極爐的中央控制室控制器通訊。2臺陽極爐具有獨立的控制器、操作臺+CT、現(xiàn)場操作箱+AC、澆鑄操作臺+JCT。+CT操作臺位于控制室，+AC現(xiàn)場操作箱位于爐前，+JCT澆鑄操作臺位于爐后澆鑄操作室。操作箱、操作臺與Compactlogix處理器通過控制電纜連接。陽極爐控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 陽極爐控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

3 陽極爐精煉控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

2臺陽極爐的控制系統(tǒng)完全相同，因此以1#陽極爐控制系統(tǒng)為例做詳細介紹。本陽極爐控制系統(tǒng)由兩大部分組成，分別是直流事故電機控制子系統(tǒng)(以下簡稱直流系統(tǒng))和交流變頻電機控制子系統(tǒng)(以下簡稱交流系統(tǒng))。

直流系統(tǒng)主驅(qū)動設備是56 kW的復勵直流電機，交流系統(tǒng)主驅(qū)動設備是160 kW的交流變頻異步電動機。陽極爐的定位裝置采用電子凸輪控制器和安裝在減速機軸外側(cè)的旋轉(zhuǎn)編碼器。本節(jié)詳細介紹如何在CompactLogix系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)這兩個子系統(tǒng)。

3.1 直流事故電機控制子系統(tǒng)

3.1.1 陽極爐事故轉(zhuǎn)動的控制要求

根據(jù)精煉工藝的要求，陽極爐在正常生產(chǎn)時，若出現(xiàn)以下情況之一，直流事故電機啟動，爐體進行事故轉(zhuǎn)動至安全位停止：

(1) 氧化作業(yè)時，向爐內(nèi)鼓入壓縮空氣。若此時壓縮空氣出現(xiàn)故障停氣或壓力降至0.3 MPa以下時，爐子由直流電機驅(qū)動，自動反轉(zhuǎn)使爐體轉(zhuǎn)至正常位；

(2) 出渣作業(yè)時，透氣磚系統(tǒng)一旦發(fā)生故障時，則爐子由直流電機驅(qū)動，自動反轉(zhuǎn)至正常位；

(3) 還原作業(yè)時，向爐內(nèi)鼓入天然氣和氮氣。若此時天然氣或氮氣出現(xiàn)故障停氣或壓力降至0.3 MPa時，爐子由直流電機驅(qū)動，自動反轉(zhuǎn)使爐體轉(zhuǎn)至正常位；

(4) 出銅作業(yè)時，一旦交流失電，直流電源自動切入，并由直流電機驅(qū)動，自動正轉(zhuǎn)使爐子轉(zhuǎn)至正常位。

以上是陽極爐精煉工藝對直流事故控制系統(tǒng)的控制要求，上述任一條件滿足時，爐體應立即由直流電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)至安全位。

3.1.2 直流電機控制子系統(tǒng)的實現(xiàn)

根據(jù)3.1.1分析的控制要求編制出直流事故電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的邏輯，參與邏輯判斷的信息有爐體的工作模式、絕對值編碼器的角度、電子凸輪控制器的狀態(tài)、交流主驅(qū)動電機變頻器的運行狀態(tài)以及事故判斷條件等。結(jié)合車間工人師傅的操作經(jīng)驗和操作習慣，編制了如圖2所示的直流電機控制系統(tǒng)控制邏輯圖。

由圖2可以清晰地看出各個邏輯判斷條件的來源、數(shù)據(jù)類型、含義、控制器卡件類型等重要信息，也可以直觀地編寫、修改它們的邏輯關系。這張邏輯圖是該控制系統(tǒng)編程的核心部分。有了它，就可以用Compactlogix平臺的編程軟件編制程序，只需要按照圖2的邏輯關系，搭建梯形圖程序即可。

3.2 交流變頻電機控制子系統(tǒng)子系統(tǒng)

3.2.1 交流變頻電機控制子系統(tǒng)子系統(tǒng)的控制要求

陽極爐在各項參數(shù)正常，進行氧化、還原、扒渣、出銅等操作時，爐體的旋轉(zhuǎn)是由交流變頻電機驅(qū)動的。在陽極爐操作室設工作地點轉(zhuǎn)換開關，實現(xiàn)操作權限的切換。在PLC系統(tǒng)正常時，變頻電機允許操作臺+CT、現(xiàn)場控制箱+AC、澆鑄操作臺+JCT有且同時只有一個操作地點進行操作，并且各個操作地點能夠操作的爐體角度并不相同：

陽極爐控制室+CT的操作權限為：正常位～加料氧化還原位置角度；

澆鑄+JCT的操作權限為：正常位～反極限位置角度；用于澆鑄聯(lián)動操作；

圖2 直流電機控制子系統(tǒng)邏輯圖

爐前控制箱+AC：正極限位置角度～反極限位置角度。正常的生產(chǎn)操作均在此操作臺完成。

3.2.2 交流變頻電機控制子系統(tǒng)子系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)

圖3 交流變頻電機控制子系統(tǒng)邏輯圖

根據(jù)3.2.1分析的控制要求編制出交流變頻電機轉(zhuǎn)動的邏輯。參與邏輯判斷的信息有爐體的工作模式、絕對值編碼器的角度、電子凸輪控制器的狀態(tài)、直流電機的運行狀態(tài)、變頻器的運行狀態(tài)、抱閘的閉合情況等。參照直流系統(tǒng)控制邏輯圖，交流變頻電機控制子系統(tǒng)邏輯圖如圖3所示。

交流系統(tǒng)程序與直流系統(tǒng)程序并列運行，一旦出現(xiàn)3.1.1節(jié)出現(xiàn)的事故情況，交流系統(tǒng)程序會自動停止，直流系統(tǒng)程序自動切入運行。

同樣地，用Compactlogix平臺的編程軟件編制程序，只需要按照圖3的邏輯關系，搭建梯形圖程序即可。

4 結(jié)語

本文在解析了某銅冶煉廠陽極爐精煉工藝的控制要求之后，基于Allen-Bradley公司的CompactLogix系統(tǒng)平臺設計開發(fā)了本陽極爐精煉控制系統(tǒng)，詳細闡述了該系統(tǒng)的直流電機控制子系統(tǒng)和交流變頻電機控制子系統(tǒng)的控制要求和實現(xiàn)方法。該套系統(tǒng)提高了精煉工藝的自動化程度，更重要的是避免了因風壓、風量過低，交流失壓等原因帶來的生產(chǎn)事故，獲得了現(xiàn)場的肯定和認可，具有廣闊的應用前景。

[1] 陸志方.陽極爐煙氣余熱利用設計與生產(chǎn)實踐[J].有色冶金節(jié)能，2002，(4)：10-12.

[2] 萬愛東.合成爐工[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2013:133,135-137.

中國恩菲承擔的國家863課題通過科技部現(xiàn)場檢查

2015年11月24日～25日，中國恩菲工程技術有限公司承擔的國家863計劃課題“垃圾焚燒廢物(氣)處置與穩(wěn)定化控制技術(2012AA062801)”在湖北襄陽恩菲環(huán)保能源有限公司進行現(xiàn)場評審。在公司各部門和課題參與單位大力協(xié)助下，經(jīng)過課題組成員的努力，已經(jīng)在襄陽恩菲垃圾焚燒發(fā)電廠建成試驗裝置并進行了試驗研究，取得了良好效果。本次評審會由科技部863計劃資源環(huán)境技術領域辦公室組織，中國冶金科工集團科技部、湖北省科技廳、襄陽市科技局及課題參與單位等知名專家等參會。

會上，中國恩菲垃圾焚燒首席專家、項目經(jīng)理劉海威介紹了項目進展情況及取得的效果，現(xiàn)場總指揮、能源環(huán)境事業(yè)部主任工程師彭孝容引導評審專家領導參觀了863實驗裝置。

專家組給予該項目高度評價，認為徹底解決了二噁英分解技術難題，在垃圾焚燒煙氣治理方面也走在行業(yè)的前列，建議中國恩菲加大技術開發(fā)和技術成果的實施力度，為垃圾焚燒行業(yè)的清潔化生產(chǎn)做出示范工程。

本次現(xiàn)場檢查會，一方面為該課題的結(jié)題驗收工作做好準備；另一方面，也宣傳了恩菲垃圾焚燒取得的技術成果，提高了行業(yè)影響力，對中國恩菲垃圾焚燒業(yè)務的市場開發(fā)起到了促進作用。中國恩菲將繼續(xù)發(fā)揮善于將技術研發(fā)成果應用于工程的優(yōu)勢和傳統(tǒng)，瞄準垃圾焚燒行業(yè)技術難題，加大技術研發(fā)力度，攻克行業(yè)技術難題，將襄陽垃圾焚燒廠建成行業(yè)標桿工程，為行業(yè)的清潔生產(chǎn)做出貢獻。

Contrl System Based on the CompactLogix Platform for Anode Furnace of Copper Refining

ZHANG Peng

The paper introduces the process of the producing of copper refining, and the main characteristic of CompactLogix of AB company. It is elaborated that the hardware configuration and control functions of the control system based on the CompactLogix platform for anode furnace of copper refining. Practice proves that control system can meet the production needs of refining fully, and achieves good results.

CompactLogix control system；PLC；anode furnace；copper refining

2015-09-02

張 鵬(1987-)，男，山東濟南人，工程師，碩士研究生，主要從事有色金屬冶煉領域電氣設計、電氣傳動控制研究工作。

TP273

B

1003-8884(2015)06-0001-04