張 鵬

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司 電氣二室， 北京 100038)

基于CompactLogix系統(tǒng)平臺(tái)的銅精煉陽(yáng)極爐控制系統(tǒng)

張 鵬

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)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(diǎn)，詳細(xì)闡述了基于CompactLogix系統(tǒng)平臺(tái)的陽(yáng)極爐控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及控制功能?，F(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)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(yáng)極爐； 銅精煉

1 銅精煉工藝介紹

河南某銅冶煉廠設(shè)計(jì)規(guī)模為處理混合復(fù)雜金精礦150萬(wàn)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(yáng)極爐精煉- 陽(yáng)極板電解”工藝，產(chǎn)金36t/a，產(chǎn)銅20萬(wàn)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(jìn)入富氧底吹熔煉爐熔煉，產(chǎn)生的銅锍進(jìn)入吹煉爐進(jìn)行吹煉，吹煉爐產(chǎn)生的粗銅再進(jìn)入回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐進(jìn)行精煉，得到銅陽(yáng)極板送往電解。

陽(yáng)極爐精煉作業(yè)包括進(jìn)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(yáng)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(jìn)入氧化作業(yè)[1]。氧化作業(yè)過(guò)程根據(jù)爐內(nèi)渣的情況進(jìn)行倒渣操作，取樣判斷氧化終點(diǎn)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(jìn)行還原，同時(shí)鼓入氮?dú)庥靡詳嚢枞垠w加速還原。觀察爐內(nèi)反應(yīng)，取樣判斷還原終點(diǎn)試樣合格后，組織出爐作業(yè)，進(jìn)行澆鑄[2]。該銅冶煉廠設(shè)陽(yáng)極精煉爐2臺(tái)，年工作330天，每天3班操作，每天操作24 h，兩臺(tái)陽(yáng)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(tái)陽(yáng)極爐采用1臺(tái)160 kW變頻調(diào)速交流異步電動(dòng)機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，1臺(tái)56 kW直流復(fù)勵(lì)電機(jī)作為事故電機(jī)。主驅(qū)動(dòng)電機(jī)與事故電機(jī)同軸相連，在電氣上采取互鎖措施防止兩臺(tái)電機(jī)并列運(yùn)行。陽(yáng)極爐能夠正向轉(zhuǎn)動(dòng)和反向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(shè)轉(zhuǎn)角限位開關(guān)和旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器裝在減速機(jī)出口軸外端。

2 基于CompactLogix系統(tǒng)平臺(tái)的陽(yáng)極爐精煉控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

CompactLogix系統(tǒng)平臺(tái)是羅克韋爾公司旗下的重要品牌Allen-Bradley的系統(tǒng)平臺(tái)，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，到目前，該系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用在鋼鐵、冶金、石油、機(jī)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(shí)間。具有以下特點(diǎn)：

(1) DIN式導(dǎo)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(jiǎn)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(xiàng)目應(yīng)用。

(4) 完全支持標(biāo)準(zhǔn)的EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)，支持所有CompactLogix平臺(tái)的ControlNetTM和DeviceNetTM網(wǎng)絡(luò)。

(5) 在一個(gè)控制器中同時(shí)集成了安全和運(yùn)動(dòng)功能。

該陽(yáng)極爐控制系統(tǒng)作為全廠DCS系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，設(shè)置Profibus-DP通訊接口，通過(guò)DP電纜與位于陽(yáng)極爐的中央控制室控制器通訊。2臺(tái)陽(yáng)極爐具有獨(dú)立的控制器、操作臺(tái)+CT、現(xiàn)場(chǎng)操作箱+AC、澆鑄操作臺(tái)+JCT。+CT操作臺(tái)位于控制室，+AC現(xiàn)場(chǎng)操作箱位于爐前，+JCT澆鑄操作臺(tái)位于爐后澆鑄操作室。操作箱、操作臺(tái)與Compactlogix處理器通過(guò)控制電纜連接。陽(yáng)極爐控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 陽(yáng)極爐控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 陽(yáng)極爐精煉控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

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

直流系統(tǒng)主驅(qū)動(dòng)設(shè)備是56 kW的復(fù)勵(lì)直流電機(jī)，交流系統(tǒng)主驅(qū)動(dòng)設(shè)備是160 kW的交流變頻異步電動(dòng)機(jī)。陽(yáng)極爐的定位裝置采用電子凸輪控制器和安裝在減速機(jī)軸外側(cè)的旋轉(zhuǎn)編碼器。本節(jié)詳細(xì)介紹如何在CompactLogix系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)子系統(tǒng)。

3.1 直流事故電機(jī)控制子系統(tǒng)

3.1.1 陽(yáng)極爐事故轉(zhuǎn)動(dòng)的控制要求

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

(1) 氧化作業(yè)時(shí)，向爐內(nèi)鼓入壓縮空氣。若此時(shí)壓縮空氣出現(xiàn)故障停氣或壓力降至0.3 MPa以下時(shí)，爐子由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)反轉(zhuǎn)使?fàn)t體轉(zhuǎn)至正常位；

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

(3) 還原作業(yè)時(shí)，向爐內(nèi)鼓入天然氣和氮?dú)?。若此時(shí)天然氣或氮?dú)獬霈F(xiàn)故障停氣或壓力降至0.3 MPa時(shí)，爐子由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)反轉(zhuǎn)使?fàn)t體轉(zhuǎn)至正常位；

(4) 出銅作業(yè)時(shí)，一旦交流失電，直流電源自動(dòng)切入，并由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)正轉(zhuǎn)使?fàn)t子轉(zhuǎn)至正常位。

以上是陽(yáng)極爐精煉工藝對(duì)直流事故控制系統(tǒng)的控制要求，上述任一條件滿足時(shí)，爐體應(yīng)立即由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)至安全位。

3.1.2 直流電機(jī)控制子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)3.1.1分析的控制要求編制出直流事故電機(jī)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(duì)值編碼器的角度、電子凸輪控制器的狀態(tài)、交流主驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器的運(yùn)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(yàn)和操作習(xí)慣，編制了如圖2所示的直流電機(jī)控制系統(tǒng)控制邏輯圖。

由圖2可以清晰地看出各個(gè)邏輯判斷條件的來(lái)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(guān)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(tái)的編程軟件編制程序，只需要按照?qǐng)D2的邏輯關(guān)系，搭建梯形圖程序即可。

3.2 交流變頻電機(jī)控制子系統(tǒng)子系統(tǒng)

3.2.1 交流變頻電機(jī)控制子系統(tǒng)子系統(tǒng)的控制要求

陽(yáng)極爐在各項(xiàng)參數(shù)正常，進(jìn)行氧化、還原、扒渣、出銅等操作時(shí)，爐體的旋轉(zhuǎn)是由交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。在陽(yáng)極爐操作室設(shè)工作地點(diǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)操作權(quán)限的切換。在PLC系統(tǒng)正常時(shí)，變頻電機(jī)允許操作臺(tái)+CT、現(xiàn)場(chǎng)控制箱+AC、澆鑄操作臺(tái)+JCT有且同時(shí)只有一個(gè)操作地點(diǎn)進(jìn)行操作，并且各個(gè)操作地點(diǎn)能夠操作的爐體角度并不相同：

陽(yáng)極爐控制室+CT的操作權(quán)限為：正常位～加料氧化還原位置角度；

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

圖2 直流電機(jī)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(tái)完成。

3.2.2 交流變頻電機(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的邏輯。參與邏輯判斷的信息有爐體的工作模式、絕對(duì)值編碼器的角度、電子凸輪控制器的狀態(tài)、直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、變頻器的運(yùn)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(jī)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(yùn)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(huì)自動(dòng)停止，直流系統(tǒng)程序自動(dòng)切入運(yùn)行。

同樣地，用Compactlogix平臺(tái)的編程軟件編制程序，只需要按照?qǐng)D3的邏輯關(guān)系，搭建梯形圖程序即可。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在解析了某銅冶煉廠陽(yáng)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(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了本陽(yáng)極爐精煉控制系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的直流電機(jī)控制子系統(tǒng)和交流變頻電機(jī)控制子系統(tǒng)的控制要求和實(shí)現(xiàn)方法。該套系統(tǒng)提高了精煉工藝的自動(dòng)化程度，更重要的是避免了因風(fēng)壓、風(fēng)量過(guò)低，交流失壓等原因帶來(lái)的生產(chǎn)事故，獲得了現(xiàn)場(chǎng)的肯定和認(rèn)可，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 陸志方.陽(yáng)極爐煙氣余熱利用設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)踐[J].有色冶金節(jié)能，2002，(4)：10-12.

[2] 萬(wàn)愛東.合成爐工[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2013:133,135-137.

中國(guó)恩菲承擔(dān)的國(guó)家863課題通過(guò)科技部現(xiàn)場(chǎng)檢查

2015年11月24日～25日，中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司承擔(dān)的國(guó)家863計(jì)劃課題“垃圾焚燒廢物(氣)處置與穩(wěn)定化控制技術(shù)(2012AA062801)”在湖北襄陽(yáng)恩菲環(huán)保能源有限公司進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)審。在公司各部門和課題參與單位大力協(xié)助下，經(jīng)過(guò)課題組成員的努力，已經(jīng)在襄陽(yáng)恩菲垃圾焚燒發(fā)電廠建成試驗(yàn)裝置并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，取得了良好效果。本次評(píng)審會(huì)由科技部863計(jì)劃資源環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域辦公室組織，中國(guó)冶金科工集團(tuán)科技部、湖北省科技廳、襄陽(yáng)市科技局及課題參與單位等知名專家等參會(huì)。

會(huì)上，中國(guó)恩菲垃圾焚燒首席專家、項(xiàng)目經(jīng)理劉海威介紹了項(xiàng)目進(jìn)展情況及取得的效果，現(xiàn)場(chǎng)總指揮、能源環(huán)境事業(yè)部主任工程師彭孝容引導(dǎo)評(píng)審專家領(lǐng)導(dǎo)參觀了863實(shí)驗(yàn)裝置。

專家組給予該項(xiàng)目高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為徹底解決了二噁英分解技術(shù)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(guó)恩菲加大技術(shù)開發(fā)和技術(shù)成果的實(shí)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(chǎng)檢查會(huì)，一方面為該課題的結(jié)題驗(yàn)收工作做好準(zhǔn)備；另一方面，也宣傳了恩菲垃圾焚燒取得的技術(shù)成果，提高了行業(yè)影響力，對(duì)中國(guó)恩菲垃圾焚燒業(yè)務(wù)的市場(chǎng)開發(fā)起到了促進(jìn)作用。中國(guó)恩菲將繼續(xù)發(fā)揮善于將技術(shù)研發(fā)成果應(yīng)用于工程的優(yōu)勢(shì)和傳統(tǒng)，瞄準(zhǔn)垃圾焚燒行業(yè)技術(shù)難題，加大技術(shù)研發(fā)力度，攻克行業(yè)技術(shù)難題，將襄陽(yáng)垃圾焚燒廠建成行業(yè)標(biāo)桿工程，為行業(yè)的清潔生產(chǎn)做出貢獻(xiàn)。

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(jì)南人，工程師，碩士研究生，主要從事有色金屬冶煉領(lǐng)域電氣設(shè)計(jì)、電氣傳動(dòng)控制研究工作。

TP273

B

1003-8884(2015)06-0001-04