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，詳細闡述了該轉(zhuǎn)爐自動控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)及控制功能。實踐證明，基于DeltaV平臺的轉(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)工藝簡介

北方銅業(yè)公司某冶煉廠設計規(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。混合銅精礦進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行精煉。

轉(zhuǎn)爐吹煉采用的是3臺Φ3.16 m×8.8 m的轉(zhuǎn)爐，其中2臺使用，1臺處于熱備狀態(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)爐中進行吹煉，轉(zhuǎn)爐吹煉所需要的壓縮空氣由設在鼓風機房的高壓風機提供。吹煉過程是由爐后捅風眼機經(jīng)風口鼓入壓縮空氣，銅锍在這個過程中要經(jīng)歷造渣期和造銅期兩個階段[1]。

造渣過程是使氧氣混入壓縮空氣中，經(jīng)風口鼓入轉(zhuǎn)爐內(nèi)，使銅锍中的FeS氧化，同時從轉(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，用行車運至陽極爐精煉工段。

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

2 基于DeltaV平臺的轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)簡介

DeltaV是由Fisher- Rosemount公司于1996年推出的現(xiàn)場總線系統(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，還具有傳統(tǒng)DCS所不具備的優(yōu)勢。工業(yè)以太網(wǎng)和控制器構(gòu)成控制網(wǎng)絡的節(jié)點即FF規(guī)定的拓撲結(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，此項數(shù)據(jù)遠高于其它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)與運行控制器的底板通過標準插口連接起來，則系統(tǒng)自動實現(xiàn)冗余功能。

(3)DeltaV系統(tǒng)首次采用了遠程工作站。即通過網(wǎng)關(guān)和應用站或Plus站連接起來的任意一以太網(wǎng)，就可以在該網(wǎng)絡上配置遠程工作站，該站可以進行組態(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)就是整個冶煉廠區(qū)DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡中的一個遠程工程師站。

轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)作為全廠DCS系統(tǒng)的一個組成部分，單獨設置冗余控制器，通過光纖與位于底吹爐的中央控制室控制器通訊。3臺轉(zhuǎn)爐每一個轉(zhuǎn)爐有獨立的控制室，每個控制室放置一臺操作員站，共3臺。操作員站與轉(zhuǎn)爐機柜間控制器采用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)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)爐工段網(wǎng)絡拓撲圖

3 轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)的實現(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)，所需控制的設備有交流變頻主驅(qū)動電機，密封煙罩、密封擋板、閘門卷揚、溜槽卷揚、定量給料機。爐體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，雙重測量確保能夠把正確的爐體位置傳送至DCS。本節(jié)詳細介紹如何在DeltaV平臺上實現(xiàn)這五個子系統(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，需要將爐體由吹煉位置轉(zhuǎn)至62°。傾爐開始時，密封煙罩、密封擋板自動開啟；爐體自吹煉位置向前轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)爐角度越過+20°時，關(guān)閉氧氣調(diào)節(jié)閥。越過+45°時，送風閥、放風閥自動切換，放風閥先打開，在放風閥打開50%后，關(guān)閉送風閥，關(guān)閉煙氣切斷閥。越過62°時，傾爐結(jié)束。

在轉(zhuǎn)爐處于正常吹煉時，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做事故傾轉(zhuǎn)，使爐體由吹煉位旋轉(zhuǎn)至安全角度(62°)，以此來防止熔體倒灌入風眼或噴濺事故發(fā)生，同時發(fā)出聲光報警，通知爐后人員停止捅風眼操作。交流變頻電機的頻率由控制臺給定。主要事故情況有：轉(zhuǎn)爐交流失電；轉(zhuǎn)爐送風閥閥后壓力小于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)新建一個類型為Equipment Module的程序，重命名為QL。右鍵Open with control studio進入編輯界面。該段程序為順序控制程序由Step和Transition條件構(gòu)成，每個Step里包含程序執(zhí)行到這一Step時需要執(zhí)行的Action，只有上一個Step中的Action執(zhí)行結(jié)束并且滿足Transiton的條件時，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為傾爐時的判斷條件，T5和T6是事故傾轉(zhuǎn)時的判斷條件。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，送風閥是否關(guān)閉，放風閥是否打開，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，爐體需要迅速的轉(zhuǎn)動至安全位，此時為了保護爐體以及人身安全會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，越過62°時，送風閥和放風閥聯(lián)鎖啟動，送風閥打開，放風閥關(guān)閉。密封煙罩開始下放。當爐體越過45°時，系統(tǒng)開始檢測送風風量和送風風壓，此時爐體停止轉(zhuǎn)動。當送風風量大于8000 m3/h同時送風風壓大于0.05 MPa時，爐體繼續(xù)轉(zhuǎn)動至吹煉位置。當爐體停止轉(zhuǎn)動10 s后，系統(tǒng)自動關(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步驟中的檢測風壓風量尤為重要，在這里，需要將S0002中的Action與送風風壓和送風風量的限值聯(lián)鎖，防止爐體在風壓或風量不夠的時向上轉(zhuǎn)動致使熔體倒灌風眼的情況發(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)所包含的電氣設備是完全相同的，均包括定量給料機、活動溜槽、閘門卷揚以及限位開關(guān)等。這兩個系統(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返料，熔劑倉裝的是細石英石。

當轉(zhuǎn)爐位于+3°至-3°之間，并處于停止狀態(tài)時，方可進行加冷料或者加熔劑操作。啟動順序為：提升閘門卷揚至全開限位，下放活動溜槽至下限位，啟動定量給料機。停車順序為：停止定量給料機，延時一段時間使定量給料機皮帶上沒有物料時，提升活動溜槽至上限位，下放閘門卷揚至關(guān)閉限位。同時定量給料機與活動溜槽、閘門卷揚聯(lián)鎖，若給料時，活動溜槽不在下限位或者閘門卷揚不在開限位，定量給料機聯(lián)鎖停止。活動溜槽與閘門卷揚聯(lián)鎖，若閘門卷揚不在開限位，活動溜槽不能下放。

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)鎖啟動程序的實現(xiàn)。

如圖5所示，S0001～S0003為3個執(zhí)行Action的Step，里面編寫聯(lián)鎖啟動設備的程序。T1～T3為上一個Step的執(zhí)行結(jié)果的判斷條件，若某一個Step執(zhí)行未完成或者在執(zhí)行過程中有設備故障，系統(tǒng)自動解除聯(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平臺設計開發(fā)了轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)，詳細闡述了轉(zhuǎn)爐的回爐、傾爐、事故傾轉(zhuǎn)、加冷料、加熔劑子系統(tǒng)的控制要求和實現(xiàn)方法。該套系統(tǒng)在山西某冶煉廠投運之后，運行正常，大大減少了操作員的勞動強度，更重要的是避免了轉(zhuǎn)爐熔體倒灌風眼諸如此類事故的發(fā)生，得到了工程實踐的認可和肯定。

[1] 劉忠新.銅轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)的改進[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，2009,(1)：20-22.

[3] 陳在平，岳有軍.工業(yè)控制網(wǎng)絡與現(xiàn)場總線技術(shù)[M].北京：機械工業(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)域電氣設計、電氣傳動控制研究工作。

TP273

B

1003-8884(2015)01-0011-04