張 鵬

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司 電氣二室， 北京 100038)

基于DeltaV系統(tǒng)平臺(tái)的煉銅轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)

張 鵬

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司 電氣二室， 北京 100038)

介紹了北方銅業(yè)有限公司某冶煉廠煉銅轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的工藝流程以及Emerson公司DeltaV控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了該轉(zhuǎn)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)及控制功能。實(shí)踐證明，基于DeltaV平臺(tái)的轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)完全滿足轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的需要，取得了良好的效果。

DeltaV控制系統(tǒng)； DCS； 轉(zhuǎn)爐； 銅冶煉

1 轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

北方銅業(yè)公司某冶煉廠設(shè)計(jì)規(guī)模為年處理500 kt/a多金屬礦，采用富氧底吹熔煉爐熔煉，轉(zhuǎn)爐吹煉，陽極爐精煉的火法工藝?；旌香~精礦進(jìn)入富氧底吹熔煉爐熔煉，產(chǎn)生的銅锍用銅锍包經(jīng)行車送往轉(zhuǎn)爐進(jìn)行吹煉，轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的粗銅再用相同的方式送往陽極爐進(jìn)行精煉。

轉(zhuǎn)爐吹煉采用的是3臺(tái)Φ3.16 m×8.8 m的轉(zhuǎn)爐，其中2臺(tái)使用，1臺(tái)處于熱備狀態(tài)，圖1是其1#轉(zhuǎn)爐的工藝流程圖。來自底吹爐的銅锍，在轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行吹煉，轉(zhuǎn)爐吹煉所需要的壓縮空氣由設(shè)在鼓風(fēng)機(jī)房的高壓風(fēng)機(jī)提供。吹煉過程是由爐后捅風(fēng)眼機(jī)經(jīng)風(fēng)口鼓入壓縮空氣，銅锍在這個(gè)過程中要經(jīng)歷造渣期和造銅期兩個(gè)階段[1]。

造渣過程是使氧氣混入壓縮空氣中，經(jīng)風(fēng)口鼓入轉(zhuǎn)爐內(nèi)，使銅锍中的FeS氧化，同時(shí)從轉(zhuǎn)爐的加料口加入石英石，從而形成渣，除去銅锍中的鐵和其它雜質(zhì)。為了使吹煉溫度控制在1150 ℃～1240 ℃，在吹煉期間，要通過加料口加入冷料。在造渣末期，進(jìn)行篩渣操作。造銅期是將白銅锍吹煉成銅渣。造銅是否結(jié)束可以通過從加料口用鐵棍取樣或根據(jù)煙氣的顏色判斷。轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的粗銅倒入銅包，用行車運(yùn)至陽極爐精煉工段。

當(dāng)轉(zhuǎn)爐出渣、出銅時(shí)，爐內(nèi)不需要供風(fēng)，這時(shí)需要將供風(fēng)管道上的送風(fēng)閥關(guān)閉，放風(fēng)閥打開，讓壓縮空氣排空。當(dāng)轉(zhuǎn)爐處于吹煉、加料狀態(tài)時(shí)，爐內(nèi)需要供風(fēng)，這時(shí)需要將送風(fēng)閥打開，放風(fēng)閥關(guān)閉[2]。

2 基于DeltaV平臺(tái)的轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

DeltaV是由Fisher- Rosemount公司于1996年推出的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，到目前，該系統(tǒng)已被多家石油石化、冶金企業(yè)使用。它不僅繼承了該公司PROVOX和RS傳統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，還具有傳統(tǒng)DCS所不具備的優(yōu)勢(shì)。工業(yè)以太網(wǎng)和控制器構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)即FF規(guī)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使 TCP/IP數(shù)據(jù)得到了DeltaV系統(tǒng)控制器的直接支持，數(shù)據(jù)傳輸速率約為100 Mbps，此項(xiàng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)高于其它DCS系統(tǒng)[3]。

圖1 轉(zhuǎn)爐工藝流程圖

(1)智能化的控制器卡件。支持帶電熱插拔操作。更高的集成度、更小的體積、接線端子與IO卡件一體化，都確保了卡件安裝的便利性和運(yùn)行的可靠性。

(2)完善的控制器冗余系統(tǒng)。在不需要停車的情況下，只要把底板(備用控制器所在)與運(yùn)行控制器的底板通過標(biāo)準(zhǔn)插口連接起來，則系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)冗余功能。

(3)DeltaV系統(tǒng)首次采用了遠(yuǎn)程工作站。即通過網(wǎng)關(guān)和應(yīng)用站或Plus站連接起來的任意一以太網(wǎng)，就可以在該網(wǎng)絡(luò)上配置遠(yuǎn)程工作站，該站可以進(jìn)行組態(tài)和操作，即具備DeltaV系統(tǒng)本地工作站同樣的功能。本文中的轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)就是整個(gè)冶煉廠區(qū)DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)遠(yuǎn)程工程師站。

轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)作為全廠DCS系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，單獨(dú)設(shè)置冗余控制器，通過光纖與位于底吹爐的中央控制室控制器通訊。3臺(tái)轉(zhuǎn)爐每一個(gè)轉(zhuǎn)爐有獨(dú)立的控制室，每個(gè)控制室放置一臺(tái)操作員站，共3臺(tái)。操作員站與轉(zhuǎn)爐機(jī)柜間控制器采用TCP/IP協(xié)議，通過以太網(wǎng)通訊。轉(zhuǎn)爐DCS控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)爐工段網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)由五部分組成，分別為傾爐子系統(tǒng)、回爐子系統(tǒng)、事故傾轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、上料加冷料子系統(tǒng)以及上料加熔劑子系統(tǒng)，所需控制的設(shè)備有交流變頻主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，密封煙罩、密封擋板、閘門卷揚(yáng)、溜槽卷揚(yáng)、定量給料機(jī)。爐體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，雙重測(cè)量確保能夠把正確的爐體位置傳送至DCS。本節(jié)詳細(xì)介紹如何在DeltaV平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)這五個(gè)子系統(tǒng)。

3.1 傾爐子系統(tǒng)和事故傾轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

3.1.1 傾爐和事故傾轉(zhuǎn)的控制要求

轉(zhuǎn)爐在出銅或者濾渣操作時(shí)，需要將爐體由吹煉位置轉(zhuǎn)至62°。傾爐開始時(shí)，密封煙罩、密封擋板自動(dòng)開啟；爐體自吹煉位置向前轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)爐角度越過+20°時(shí)，關(guān)閉氧氣調(diào)節(jié)閥。越過+45°時(shí)，送風(fēng)閥、放風(fēng)閥自動(dòng)切換，放風(fēng)閥先打開，在放風(fēng)閥打開50%后，關(guān)閉送風(fēng)閥，關(guān)閉煙氣切斷閥。越過62°時(shí)，傾爐結(jié)束。

在轉(zhuǎn)爐處于正常吹煉時(shí)，轉(zhuǎn)爐在正常生產(chǎn)中如果出現(xiàn)以下情況，系統(tǒng)將控制交流變頻主電機(jī)做事故傾轉(zhuǎn)，使?fàn)t體由吹煉位旋轉(zhuǎn)至安全角度(62°)，以此來防止熔體倒灌入風(fēng)眼或噴濺事故發(fā)生，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，通知爐后人員停止捅風(fēng)眼操作。交流變頻電機(jī)的頻率由控制臺(tái)給定。主要事故情況有：轉(zhuǎn)爐交流失電；轉(zhuǎn)爐送風(fēng)閥閥后壓力小于0.06 MPa。

3.1.2 傾爐子系統(tǒng)和事故傾轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)

打開DeltaV explorer，在轉(zhuǎn)爐廠區(qū)內(nèi)新建一個(gè)類型為Equipment Module的程序，重命名為QL。右鍵Open with control studio進(jìn)入編輯界面。該段程序?yàn)轫樞蚩刂瞥绦蛴蒘tep和Transition條件構(gòu)成，每個(gè)Step里包含程序執(zhí)行到這一Step時(shí)需要執(zhí)行的Action，只有上一個(gè)Step中的Action執(zhí)行結(jié)束并且滿足Transiton的條件時(shí)，程序才可以繼續(xù)執(zhí)行下一步。S0000為開始step，F(xiàn)INISHED為結(jié)束Step，T0～T6為判斷條件。圖3為傾爐子系統(tǒng)事故傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)程序圖。

通過圖3可以看出，傾爐子系統(tǒng)和事故傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)的程序不同之處在于兩處Transtion條件的判斷。即T1和T5，T4和T6。T1和T4為傾爐時(shí)的判斷條件，T5和T6是事故傾轉(zhuǎn)時(shí)的判斷條件。T1的含義是判斷密封煙罩是否提升，密封擋板是否打開以及爐體是否越過20°。T4的含義是判斷密封煙罩是否完全打開，送風(fēng)閥是否關(guān)閉，放風(fēng)閥是否打開，煙氣閥門是否完全關(guān)斷以及爐體是否越過62°。由于事故傾轉(zhuǎn)時(shí)，爐體需要迅速的轉(zhuǎn)動(dòng)至安全位，此時(shí)為了保護(hù)爐體以及人身安全會(huì)忽略密封煙罩和密封擋板的位置。因此，T5和T6中的判斷條件只包含角度判斷。

圖3 傾爐子系統(tǒng)與事故傾轉(zhuǎn)子系統(tǒng)程序圖

3.2 回爐子系統(tǒng)

3.2.1 回爐的控制要求

爐體從加料位置(大于62°)向吹煉位置轉(zhuǎn)動(dòng)，越過62°時(shí)，送風(fēng)閥和放風(fēng)閥聯(lián)鎖啟動(dòng)，送風(fēng)閥打開，放風(fēng)閥關(guān)閉。密封煙罩開始下放。當(dāng)爐體越過45°時(shí)，系統(tǒng)開始檢測(cè)送風(fēng)風(fēng)量和送風(fēng)風(fēng)壓，此時(shí)爐體停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)送風(fēng)風(fēng)量大于8000 m3/h同時(shí)送風(fēng)風(fēng)壓大于0.05 MPa時(shí)，爐體繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)至吹煉位置。當(dāng)爐體停止轉(zhuǎn)動(dòng)10 s后，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉密封擋板，打開氧氣切斷閥，回爐結(jié)束。

3.2.2 回爐子系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)

根據(jù)回爐的控制要求，按照本文3.1.2節(jié)的方法，編譯一個(gè)名為HL的程序?；貭t子系統(tǒng)的控制程序圖見圖4。

圖4 回爐子系統(tǒng)程序圖

本程序中S0002步驟中的檢測(cè)風(fēng)壓風(fēng)量尤為重要，在這里，需要將S0002中的Action與送風(fēng)風(fēng)壓和送風(fēng)風(fēng)量的限值聯(lián)鎖，防止?fàn)t體在風(fēng)壓或風(fēng)量不夠的時(shí)向上轉(zhuǎn)動(dòng)致使熔體倒灌風(fēng)眼的情況發(fā)生。

3.3 加冷料子系統(tǒng)和加熔劑子系統(tǒng)

3.3.1 加冷料和加熔劑的控制要求

轉(zhuǎn)爐加冷料和加熔劑子系統(tǒng)所包含的電氣設(shè)備是完全相同的，均包括定量給料機(jī)、活動(dòng)溜槽、閘門卷揚(yáng)以及限位開關(guān)等。這兩個(gè)系統(tǒng)的區(qū)別是它們的給料倉裝有不同的物料，冷料倉裝的是從配料廠房輸送來的細(xì)返料，熔劑倉裝的是細(xì)石英石。

當(dāng)轉(zhuǎn)爐位于+3°至-3°之間，并處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，方可進(jìn)行加冷料或者加熔劑操作。啟動(dòng)順序?yàn)椋禾嵘l門卷揚(yáng)至全開限位，下放活動(dòng)溜槽至下限位，啟動(dòng)定量給料機(jī)。停車順序?yàn)椋和Ｖ苟拷o料機(jī)，延時(shí)一段時(shí)間使定量給料機(jī)皮帶上沒有物料時(shí)，提升活動(dòng)溜槽至上限位，下放閘門卷揚(yáng)至關(guān)閉限位。同時(shí)定量給料機(jī)與活動(dòng)溜槽、閘門卷揚(yáng)聯(lián)鎖，若給料時(shí)，活動(dòng)溜槽不在下限位或者閘門卷揚(yáng)不在開限位，定量給料機(jī)聯(lián)鎖停止?；顒?dòng)溜槽與閘門卷揚(yáng)聯(lián)鎖，若閘門卷揚(yáng)不在開限位，活動(dòng)溜槽不能下放。

3.3.2 加料子系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)

加冷料與加熔劑子系統(tǒng)的程序仍然采用DeltaV的Equipment Module來創(chuàng)建。與傾爐、回爐子系統(tǒng)不同的是，在加料子系統(tǒng)中，要包含兩部分內(nèi)容：聯(lián)鎖啟動(dòng)程序和聯(lián)鎖停止程序。由于兩部分內(nèi)容相似，在此僅介紹加冷料子系統(tǒng)的聯(lián)鎖啟動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)。

如圖5所示，S0001～S0003為3個(gè)執(zhí)行Action的Step，里面編寫聯(lián)鎖啟動(dòng)設(shè)備的程序。T1～T3為上一個(gè)Step的執(zhí)行結(jié)果的判斷條件，若某一個(gè)Step執(zhí)行未完成或者在執(zhí)行過程中有設(shè)備故障，系統(tǒng)自動(dòng)解除聯(lián)鎖。

圖5 加料子系統(tǒng)程序

4 結(jié)語

本文在根據(jù)工藝情況分析了轉(zhuǎn)爐的控制要求之后，基于艾默生公司的DeltaV平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了轉(zhuǎn)爐的回爐、傾爐、事故傾轉(zhuǎn)、加冷料、加熔劑子系統(tǒng)的控制要求和實(shí)現(xiàn)方法。該套系統(tǒng)在山西某冶煉廠投運(yùn)之后，運(yùn)行正常，大大減少了操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度，更重要的是避免了轉(zhuǎn)爐熔體倒灌風(fēng)眼諸如此類事故的發(fā)生，得到了工程實(shí)踐的認(rèn)可和肯定。

[1] 劉忠新.銅轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)的改進(jìn)[J].甘肅冶金，2011，33(1)：115-117.

[2] 蔣繼穆.氧氣底吹爐連續(xù)煉銅新工藝及其裝置[J].中國有色建設(shè)，2009,(1)：20-22.

[3] 陳在平，岳有軍.工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006:25-40.

Control System Based on the DeltaV Platform for Converter of Copper Smelting

ZHANG Peng

The paper introduces the producing process of converter for copper smelting in copper smelter of Northern Copper Co., Ltd. and the main characteristic of DeltaV control system of Emerson, detail elaborates the hardware configuration and control functions of the converter automatic control system. It has been proved that control system based on the DeltaV platform for converter of copper smelting meets the needs of production converter fully, and achieves good results.

DeltaV control system DCS； converter； copper smelting

2014-12-16

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

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1003-8884(2015)01-0011-04