劉振民

（江西瑞林電氣自動化有限公司，江西南昌 330031）

精煉搖爐自動控制系統(tǒng)

劉振民

（江西瑞林電氣自動化有限公司，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;自動控制系統(tǒng);PCS7

精煉搖爐及其冶煉工藝是中國瑞林工程技術(shù)有限公司根據(jù)廢雜銅冶煉的特點研發(fā)的廢雜銅冶煉技術(shù)。該爐型具有以下優(yōu)點：1）對原料的適應(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350 t；3）加料方便，布料均勻，融化速度快；4）機械化程度高，爐體液壓驅(qū)動傾轉(zhuǎn)，大大降低氧化、倒渣、還原階段的作業(yè)強度；5)使用氣體燃料和還原劑，燃燒效率和還原效率高，經(jīng)濟環(huán)保；6）自動化系統(tǒng)先進、完善。其中，精煉搖爐自動控制系統(tǒng)是專門為精煉搖爐廢雜銅冶煉而設(shè)計的控制系統(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)硬件及編程平臺采用西門子公司的PCS7過程控制系統(tǒng)。PCS7過程控制系統(tǒng)是西門子公司推出的面向工業(yè)過程的自動化解決方案,它綜合了DCS、PLC、工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線的技術(shù)優(yōu)勢。

PCS7過程控制系統(tǒng)突出的特點是全集成、開發(fā)性及基于標準的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，自下而上形成完整的TIA（全集成自動化）架構(gòu)。系統(tǒng)開放性好，可以接入多種現(xiàn)場總線，對外開放OPC接口。功能強大的各種組件可按需要進行配置，種類豐富，方案靈活。使用CFC進行編程，簡單方便上手快。結(jié)合內(nèi)容豐富、功能強大的高級過程庫，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通過冗余 Profibus接口連接ET200M I/O機架，所有I/O模塊可以熱插拔；現(xiàn)場配套設(shè)備帶的PLC通過Y-LINK連接到CPU上。冗余的CP443-1以太網(wǎng)通訊模塊通過兩個100 M交換機組成的以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)連接到2臺操作員站和1臺工程師站上[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個燃燒燒嘴，每個燒嘴上有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、壓力變送器。助燃風(fēng)管路上有電動切斷閥和調(diào)節(jié)閥、流量計、壓力變送器。

燃燒系統(tǒng)的控制要點是根據(jù)作業(yè)階段按邏輯時序?qū)χ鞴苈芳胺派⒐苈非袛嚅y進行開關(guān)控制；同時根據(jù)作業(yè)階段設(shè)置調(diào)節(jié)閥初始開度和調(diào)節(jié)正常工作時的開度。正常工作狀態(tài)以天然氣流量為主控對象，通過PID回路來進行閉環(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，再對氧氣或助燃風(fēng)進行PID回路閉環(huán)控制。同時，結(jié)合燃氣泄漏檢測、火焰檢測、現(xiàn)場急停按鈕等信號作為故障安全聯(lián)鎖。所有閥門既可自動也可手動操作，根據(jù)實際需要進行選擇。

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，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燒化。壓縮空氣、天然氣、冷卻管路各來自一條總管，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、壓力變送器。

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

3.3 爐體傾動及爐門控制

精煉搖爐在不同的作業(yè)階段需要往不同方向搖動一定的角度，這種爐體的自動搖動，極大地減輕了工人進行插管、扒渣的工作量和工作強度，也縮短了作業(yè)時間，提高了生產(chǎn)效率。

精煉搖爐爐體傾動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故障或者停機的緊急情況下還能控制爐體搖動，單獨配置了一套西門子S7 300 PLC控制系統(tǒng)，并且還有一套手動閥組來確保在完全停電或者PLC故障時能將爐體搖動到安全位置。

精煉搖爐控制系統(tǒng)通過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進行Profibus-DP通訊來完成信息交換，達到控制要求。

3.4 余熱鍋爐系統(tǒng)

在精煉搖爐的另一端，與燃燒器正對的是煙道口。煙氣通過煙道口進入余熱鍋爐。余熱鍋爐將高溫煙氣的熱量吸收轉(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。這兩種清灰方式對控制系統(tǒng)的要求基本一致，都是按時間按順序?qū)η寤移鬟M行啟?？刂啤?/p>

3.5 排煙收塵系統(tǒng)

煙氣經(jīng)過余熱鍋爐后，先進入板式冷卻器，將煙氣冷卻到一定范圍，然后進入布袋收塵器，除塵后再排空。排煙收塵系統(tǒng)的控制要點主要有：1)通過變頻控制排煙風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來控制爐壓；2)通過變頻控制板式冷卻器冷卻風(fēng)機來控制煙氣溫度，防止溫度過高燒壞后面的布袋收塵器，也防止溫度過低導(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，通過調(diào)節(jié)該閥來兌入一定的冷空氣來調(diào)節(jié)進入布袋收塵器的溫度，同時也調(diào)節(jié)爐內(nèi)壓力。

板式冷卻器單獨配置了一套S7 300 PLC，對該設(shè)備上的卸灰閥、振打、冷卻風(fēng)機等進行控制；布袋收塵器單獨配置了一套S7 200 PLC，對該設(shè)備上的卸灰閥、刮板機等進行控制。單獨配置PLC使得板式冷卻器和布袋收塵器可以獨立運行,也可選擇由精煉搖爐控制系統(tǒng)來統(tǒng)一遠程控制運行,這樣可以分散控制風(fēng)險。這些PLC和爐體傾動液壓系統(tǒng)的PLC一樣，均是通過Y-LINK與精煉搖爐控制系統(tǒng)冗余CPU進行Profibus-DP通訊來完成信息交換。用通訊的方式對現(xiàn)場設(shè)備進行控制可以減少信號電纜的使用量、安裝敷設(shè)工作量，降低成本的同時也能減少故障點的產(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，用來防止這些地方溫度過高，確保設(shè)備和生產(chǎn)過程的安全。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 過程量監(jiān)測

除了上述6大主要系統(tǒng)外，整個精煉搖爐冶煉過程還有許多過程量的監(jiān)測及重要過程量的報警。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、振動等等。

4 結(jié)束語

目前，精煉搖爐自動控制系統(tǒng)已順利完成調(diào)試，并投入使用2年多。對于該系統(tǒng)的使用效果，用戶給予了高度的評價：1）控制方案先進，系統(tǒng)擴展能力強；2）控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高，容錯性好，未出過故障；3）功能強勁，控制精度高；4）人機界面直觀明了，操作方便；5）維護簡單，軟件使用上手快。正是有了上述完善的過程信號監(jiān)測，操作人員才能最準確地了解和掌控整個生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率，降低能耗和污染。

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

[2] 廖常初.S7 300/400應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(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，主要從事儀表自動化設(shè)計研究工作。