橫河控制系統(tǒng)在澳斯麥特熔煉過程中的應(yīng)用

王雁飛，陳 貺

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 某冶煉廠澳斯麥特熔煉工藝簡介

澳斯麥特熔煉技術(shù)是一種頂部噴吹浸沒熔池冶煉技術(shù)，澳斯麥特爐具有高效、節(jié)能、生產(chǎn)能力大、污染小、容易實現(xiàn)全廠生產(chǎn)過程的自動化等特點[1]。澳斯麥特熔煉爐是圓柱狀爐型，內(nèi)襯耐火材料，爐殼外通過冷卻水套對爐體進行冷卻。該冶煉廠銅精礦與煤、石英石、石灰、煤粉等經(jīng)過配料計算后，通過定量給料機定量輸送至爐內(nèi)，在1 200 ℃溫度下進行熔煉，熔煉形成的銅锍和爐渣進入沉降電爐分離。電爐上部的渣通過溢流口排出，經(jīng)水淬后送至渣選礦工序處理。電爐下部的冰銅放出后進入吹煉工序處理。

2 熔煉區(qū)域控制系統(tǒng)介紹

現(xiàn)代冶煉技術(shù)隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，工藝過程日趨復(fù)雜，對生產(chǎn)的控制提出了更高的要求[2]。該廠熔煉區(qū)域采用先進的分散式計算機過程控制系統(tǒng)(DCS系統(tǒng))進行監(jiān)控。儀表檢測與控制信號均引入DCS控制系統(tǒng),主要電氣設(shè)備控制信號采用智能保護器通過Profibus-DP通訊或Modbus通訊引入DCS控制系統(tǒng)。設(shè)備成套PLC系統(tǒng)通過PROFIBUS-DP或MODBUS協(xié)議與DCS控制系統(tǒng)通訊。部分單體的電氣設(shè)備控制信號直接引入相應(yīng)的DCS控制系統(tǒng)。

該廠的DCS控制系統(tǒng)采用橫河電機公司最新的CENTUM VP系統(tǒng)。CENTUM系列產(chǎn)品經(jīng)過持續(xù)的發(fā)展和不斷的革新，融合了維護的連貫性和系統(tǒng)的向下兼容性等特點。這是一個綜合、高性能的、可以獨立操作的控制系統(tǒng)。CENTUM VP控制器具有出色的處理性能和強大的應(yīng)用存儲能力，同時繼承了CENTUM系列一貫的品質(zhì)和穩(wěn)定性。處理器模塊、電源、I/O模塊和通信總線都支持冗余配置。每個處理器模塊都具有冗余CPU，可以同時執(zhí)行相同的計算機指令，并且它們的輸出不斷地進行比較，如果檢測到由電子噪聲或其他原因引起的任何異常，則啟動備用處理器模塊實施無縫切換。這將最大限度地減少偏差對過程控制有任何影響的可能性。冗余技術(shù)是實現(xiàn)99.999 99%可用性的關(guān)鍵。橫河電機為工廠運行和監(jiān)控提供了一個直觀且易于理解的人機界面環(huán)境，操作顯示窗口和顯示器的靈活性可以適應(yīng)各個方面的操作需求。CENTUM VP基于人機工程學(xué)和知識工程提供易于理解的圖形畫面。憑借這些功能，CENTUM VP能夠幫助操作員在運營過程中快速做出準(zhǔn)確的決策，有助于提高運營效率。

3 澳斯麥特爐關(guān)鍵控制模塊

3.1 噴槍控制

噴槍技術(shù)是澳斯麥特的核心技術(shù)，該廠噴槍以粉煤作為燃料。噴槍由四層同心套管組成，中心是粉煤，中間是空氣和氧氣，最外層是套筒風(fēng)。通過對噴槍的風(fēng)量，氧量，粉煤量及噴槍槍位的調(diào)節(jié)，控制對熔池的攪拌，完成熔煉過程[3]。

澳斯麥特DCS系統(tǒng)里噴槍有6個預(yù)設(shè)的噴槍位置和1個噴槍操作區(qū)域：噴槍位置從上至下依次為——噴槍更換位置；噴槍頭在爐口位置；噴槍吹掃位置；噴槍點火位置；噴槍保持位置；噴槍掛渣位置；噴槍操作區(qū)域。

當(dāng)噴槍到達預(yù)設(shè)的噴槍位置時，系統(tǒng)會自動插入對應(yīng)位置預(yù)設(shè)的燃料/空氣流量。當(dāng)噴槍到達噴槍操作區(qū)域時，根據(jù)預(yù)定義的程序模式控制噴槍流量和爐子的加料要求。

3.2 加料系統(tǒng)

定量給料機按系統(tǒng)給定的設(shè)定料量(SP值)，通過定量給料機(變頻電機控制控制圓盤及皮帶速度)調(diào)節(jié)料量，并根據(jù)所控制給料機檢測的料量與設(shè)定料量進行對比，得到偏差值，再根據(jù)正負(fù)偏差值，控制變頻電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)料量的自動控制。

在DCS系統(tǒng)噴槍流量計算中是根據(jù)加料機的加料量(PV值)來計算澳爐所需的空氣需求量。槍內(nèi)流體控制包括內(nèi)、外側(cè)風(fēng)的風(fēng)量計算與控制，粉煤和載煤風(fēng)控制，套筒風(fēng)控制[4]。DCS加料系統(tǒng)在加料機和實際進入爐子的加料之間引入了一個時間延遲(避免物料實際進入爐子前送入空氣，從而產(chǎn)生過氧化)。DCS的精確控制要求使用實際進入爐子內(nèi)的加料量來計算所需要的空氣量。模擬加料系統(tǒng)的傳送時間是把加料系統(tǒng)分成五個部分，并且判斷每一個部分的加料量。當(dāng)DCS需要停止加料系統(tǒng)，整個加料系統(tǒng)會同時停止所有的加料皮帶和定量給料機(爐頂加料機除外)。DCS會記錄當(dāng)前皮帶上的料量，以便下次啟動加料系統(tǒng)時計算使用。

3.3 爐子冷卻水系統(tǒng)

爐子冷卻水系統(tǒng)是將流過爐殼冷卻水的溫差通過DCS計算出來并顯示在冷卻水系統(tǒng)畫面中。溫度利用冗余的溫度儀表測量。

溫度控制回路測量經(jīng)過回路的溫差，并通過使用一個調(diào)節(jié)閥調(diào)整流量來滿足設(shè)定的溫差。一個基礎(chǔ)回路上的儀表有：(1)流量調(diào)節(jié)閥；(2)回水溫度(2個冗余測量)；(3)溫度選擇器(來自兩個回水溫度測量點)。在供水的總管上測量溫度作為所有支管回路的給水溫度。每個基礎(chǔ)回路的控制原理如圖1所示。

圖1 爐殼冷卻水控制原理

3.4 粉煤噴吹系統(tǒng)

粉煤噴吹系統(tǒng)是經(jīng)過輸送管道通過噴槍用來對澳斯麥特爐精確噴注燃煤。此項目粉煤噴吹裝置來自德國克萊德公司。主要由串罐式裝填設(shè)備，定量精確給煤及輸送，噴吹技術(shù)三部分組成[5]。該裝置控制技術(shù)的實現(xiàn)集成在熔煉區(qū)域的DCS中。另外粉煤噴吹系統(tǒng)廠家自帶一套粉煤的失重控制器PLC模塊，用來計算粉煤的噴吹量。該PLC模塊與全廠DCS模塊之間通過數(shù)字和模擬輸入/輸出信號進行連接。

該噴吹系統(tǒng)由兩個壓力罐和一個定量給料器組成，可以對澳斯麥特爐進行連續(xù)精確的煤粉噴注。壓縮空氣由旋轉(zhuǎn)給料機出口進入以便沿著輸送管道輸送粉煤。流化空氣用來對兩個壓力罐中的煤粉進行流化以幫助煤粉流動。旋轉(zhuǎn)定量給料機由一臺標(biāo)準(zhǔn)的變頻電機驅(qū)動。電機由變頻器驅(qū)動，使得給料機的速度是變化的，因此煤粉的噴吹量是可以控制的，給料機和發(fā)送罐安裝在稱重系統(tǒng)上以便控制系統(tǒng)對煤粉的重量進行監(jiān)控。失重控制器被連接到稱重單元的輸出上，這樣通過比較操作人員輸入控制系統(tǒng)的重量減少速度設(shè)定值與實際重量減少速度值對系統(tǒng)的給料量進行控制。失重控制器為了保持設(shè)定的煤粉給定量將增加或降低給料機的旋轉(zhuǎn)速度。在發(fā)送罐再次裝填過程中，失重控制器將接收來自控制系統(tǒng)的信號忽略來自測壓元件的信號而工作在測定體積的模式。當(dāng)再次裝填完成后，控制系統(tǒng)將從測定體積模式轉(zhuǎn)換到測定重量模式。安裝在旋轉(zhuǎn)給料機驅(qū)動軸感應(yīng)塊附近的接近開關(guān)給控制系統(tǒng)提供脈沖信號用來計算旋轉(zhuǎn)給料機的轉(zhuǎn)速。操作人員可以在任何時候調(diào)整煤粉的噴注速度，給料機的旋轉(zhuǎn)速度也會適當(dāng)?shù)母淖儭?/p>

當(dāng)澳斯麥特爐噴槍處于噴槍吹掃位置的時候，這時粉煤噴吹系統(tǒng)會打開相應(yīng)閥門啟動載煤風(fēng)。當(dāng)噴槍處于噴槍點火位置的時候，澳斯麥特系統(tǒng)會給出爐子需要的燃煤量。這個燃煤量的設(shè)定值會傳遞給粉煤噴吹系統(tǒng)，當(dāng)給出的設(shè)定值超過量程的5%，系統(tǒng)即會立即自動開啟旋轉(zhuǎn)給料機和失重控制器。同時當(dāng)滿足粉煤裝料條件時，系統(tǒng)會自動開啟裝料循環(huán)程序。

當(dāng)澳斯麥特爐需要停止加入粉煤，粉煤噴吹系統(tǒng)會關(guān)閉旋轉(zhuǎn)給料機，但是裝料循環(huán)程序會繼續(xù)運行直至一個循環(huán)周期結(jié)束。停止加料后，上述閥門繼續(xù)保持開啟以便將管道內(nèi)剩余煤粉吹掃出去。當(dāng)噴槍離開3號位置，關(guān)閉閥門。

4 緊急停車系統(tǒng)實現(xiàn)與方案優(yōu)化

在各熔煉輔助系統(tǒng)中一共有四個緊急停車(ESD)條件傳遞給熔煉子系統(tǒng)：噴槍系統(tǒng)ESD；尾氣處理系統(tǒng)ESD；收塵風(fēng)機停止?fàn)顟B(tài)ESD；冷卻水系統(tǒng)ESD。

在熔煉系統(tǒng)中有如下情況也會引發(fā)系統(tǒng)ESD：爐殼冷卻水溫差過大；澳爐高位水箱液位低，各循環(huán)水支管的流量低；尾氣一氧化碳含量過高；載煤風(fēng)流量低；粉煤控制回路，氧氣控制回路，噴槍風(fēng)控制回路，套筒風(fēng)控制故障。

一旦澳爐發(fā)生ESD，系統(tǒng)會采取如下操作：停止所有到爐子的加料；聯(lián)鎖停止噴槍的空氣流量；如果噴槍在噴槍吹掃位置以下會自動提升噴槍至噴槍吹掃位置；

澳爐系統(tǒng)設(shè)置的聯(lián)鎖是保證澳爐安全生產(chǎn)的必不可少的條件。但按照原設(shè)計要求設(shè)置的聯(lián)鎖條件過多，條件過于苛刻，造成了系統(tǒng)生產(chǎn)時的不必要停車，影響了生產(chǎn)作業(yè)率。

對此，根據(jù)生產(chǎn)中的運行經(jīng)驗對原聯(lián)鎖條件進行了如下優(yōu)化。當(dāng)ESD報警條件產(chǎn)生時，系統(tǒng)不立即觸發(fā)停車，而是彈出對話框報警提示操作人員產(chǎn)生了何種報警，操作人員可以通過ESD聯(lián)鎖界面查看報警的細節(jié)和當(dāng)前異常的儀表數(shù)值。并且ESD報警設(shè)置了一定的延遲時間，在延遲時間內(nèi)操作人員通過排查現(xiàn)場狀況(如確定為儀表故障產(chǎn)生的誤報警，可選擇人工輸入模擬的儀表數(shù)值)，解決問題后ESD報警信號消除的，可恢復(fù)正常生產(chǎn)。

同時針對開爐時，運行不穩(wěn)定造成系統(tǒng)啟動困難，每個ESD聯(lián)鎖回路設(shè)置了旁路開關(guān)。主控權(quán)限的操作人員可以選擇旁路不穩(wěn)定過程的報警條件，待系統(tǒng)平穩(wěn)運行后再投入聯(lián)鎖條件。此外，還對一些不是必須緊急停車的報警因素(例如爐膛負(fù)壓，噴槍背壓等)取消了停車聯(lián)鎖，改為重要報警信息進行提示和記錄。

5 結(jié)語

該冶煉廠控制系統(tǒng)連續(xù)運行了多年，運行穩(wěn)定，故障率低，有效的保障了澳爐的安全高效生產(chǎn)。經(jīng)過改進后的ESD系統(tǒng)也更加有利于生產(chǎn)平穩(wěn)運行，達到了預(yù)期的目標(biāo)。