殷華彬

（中國鋁業(yè)青海分公司，青海大通810108）

25t矩形天燃氣鋁熔煉爐自動控制系統(tǒng)研究

殷華彬

（中國鋁業(yè)青海分公司，青海大通810108）

針對某板帶公司鑄軋工區(qū)使用的25t矩形天然氣熔煉爐的自動控制系統(tǒng)進行了全面深入的開發(fā)與研究。該系統(tǒng)采用西門子S7300系列PLC進行控制，實現(xiàn)自動點火、溫度自動控制、爐壓自動控制等方面參數(shù)的自動檢測及過程控制，使設(shè)備達到節(jié)能、高效、安全、穩(wěn)定、可靠。

熔煉爐；自動控制；PLC

0 前言

在鋁板帶自動化生產(chǎn)線中，熔煉爐是生產(chǎn)線的龍頭，只有確保其連續(xù)正常工作，才能使整個生產(chǎn)線正常高效運作。而以煤氣作為主燃料的熔煉爐，工藝操作難度大，對其安全性、節(jié)能性、控制精度、金屬燒損以及熔煉速度等方面的要求較高。以現(xiàn)代PLC構(gòu)成鋁熔煉爐控制系統(tǒng)可以很好地滿足相關(guān)要求。本系統(tǒng)采用德國SIEMENS S7-300系列PLC及相應(yīng)的過程控制儀表、電動執(zhí)行機構(gòu)等電控裝置開發(fā)了爐子控制系統(tǒng)。整個控制系統(tǒng)不僅安全、可靠，而且令熔煉爐具有較高的熔煉速度和控制精度，實現(xiàn)了較好的節(jié)能效果和較低的金屬燒損。整個控制系統(tǒng)以PLC為核心構(gòu)成了溫度、壓力等控制系統(tǒng)，確保高效生產(chǎn)、安全節(jié)能。為更好地服務(wù)于生產(chǎn)，能快速、準確地判斷設(shè)備故障，我們必須深入研究控制方式及原理，這對提高企業(yè)效率以及降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工藝過程描述

25t固定式熔鋁爐主要用于鑄軋生產(chǎn)線中鋁錠熔化及電解鋁液成分調(diào)整，以確保鑄造生產(chǎn)線對鋁液的需求。熔鋁爐爐門設(shè)計為大爐門結(jié)構(gòu)，鋁錠是采用專用裝料機從爐門口加入的。電解鋁液是通過爐側(cè)的專用虹吸裝置吸入爐內(nèi)的。按熔煉工藝進行熔煉生產(chǎn)，爐料熔化后，進行攪拌、扒渣、取樣分析及成分和溫度的調(diào)整，當熔體成分及溫度符合工藝要求后，通過轉(zhuǎn)注流槽轉(zhuǎn)入保溫爐。

2 控制系統(tǒng)組成

本控制系統(tǒng)的過程控制級是由SIMATIC S7-300程控器組成，硬件包括CPU315-2DP模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、電源模塊等，為了操作及維護方便，還設(shè)置了操作員面板，它可以方便地設(shè)定和修改工藝參數(shù)及過程控制參數(shù)。PLC編程軟件采用STEP7基本軟件，該編程軟件具有程序組織的透明性、可理解性及易維護性?？刂葡到y(tǒng)包括：溫度控制、爐壓控制、點火控制、吹掃控制、主燒嘴切換控制和傳動機械控制等。

2.1 溫度控制

溫度控制為本設(shè)備的核心，爐子有爐氣定溫控制和鋁液溫度級聯(lián)控制兩種，在熔化初期采用爐氣定溫控制，在熔化后期和保溫期采用鋁液溫度級聯(lián)控制。兩種控制方式的切換為手動切換，切換操作在觸摸屏上完成。爐氣溫度控制根據(jù)爐頂熱電偶采集到的溫度信號送入PLC中的模擬量模塊經(jīng)冷端補償、線性化處理、與給定溫度比較后，經(jīng)PID運算，輸出電信號連續(xù)控制和調(diào)節(jié)燃燒負荷的大小，以達到溫度自動控制的目的（見圖1)。級聯(lián)控制，即由鋁液溫度熱電偶采集的溫度信號送入溫度控制模塊經(jīng)冷端補償、線性化處理、與給定值一起經(jīng)過PID運算，其結(jié)果與爐氣溫度熱電偶采集的溫度信號一起輸入到溫度控制模塊，經(jīng)處理后輸出信號連續(xù)控制和調(diào)節(jié)燃燒負荷的大小，達到溫度自動調(diào)節(jié)的目的（見圖2）。針對性開發(fā)的PLC控制程序，可確?？販攸c鋁水溫度控制在設(shè)定值的±3℃之內(nèi)。

圖2 級聯(lián)控制邏輯框圖

2.2 爐壓控制

爐壓控制是保證安全生產(chǎn)，免遭重大事故危害的主要手段，它是通過差壓變送器將采集的爐氣壓力信號轉(zhuǎn)換成4～20mA信號，送入PLC中的模擬量模塊經(jīng)PID運算后輸出控制信號，控制排煙管道上的電動調(diào)節(jié)蝶閥開口度，從而保證爐氣壓力在允許的范圍內(nèi)。

2.3 點火控制

自動點火程序如下：由PLC檢測各有關(guān)參數(shù)，諸如爐頂是否超溫，爐壓是否超高限，助燃風壓和天然氣壓力是否超低限等安全限制并據(jù)此判斷是否可以點火。若滿足條件則啟動點火程序控制器（進口產(chǎn)品），由點火程序控制器激活點火變壓器，開始點火。若點火失敗，即紫外線火檢探頭未檢測到火焰信號，則點火程序控制器迅速發(fā)出指令，自動關(guān)閉各安全電磁閥，實現(xiàn)熄火保護，同時發(fā)出聲光警示信號，提醒操作人員。查明原因后按下復位按鈕，由PLC重新發(fā)出啟動指令，重復執(zhí)行點火程序。每個燒嘴有一個火焰探頭，用于監(jiān)測點火天然氣點火槍。

2.4 傳動機械控制

它的功能是控制助燃風機，排煙風機等的啟、停以及電機過載等故障進行保護。其主要控制器件均選用國內(nèi)合資企業(yè)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，這些器件與柜體一起構(gòu)成馬達控制中心（MCC）。MCC控制回路接收PLC的數(shù)字量輸出模塊的信號，從而實現(xiàn)自動控制功能。

3 控制系統(tǒng)配置

該控制系統(tǒng)選用西門子S7-300系列PLC為主要控制單元，CPU315做主站，通過PROFIBUSDP與外部從站通訊，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的自動控制系統(tǒng)。從站選用ET200M(IM153)通訊模塊，實現(xiàn)與主站高速、平穩(wěn)的通訊，具體配置如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件組態(tài)

系統(tǒng)由西門子S7-300系列CPU 315-2DP做主站，通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)與ET200M系列接口模塊進行通訊，地址分別為3和6。地址為3的從站主要進行數(shù)字量輸入、輸出的采集及控制，如各個限位、天然氣電磁閥、壓縮空氣電磁閥等。地址為6的從站主要進行模擬量信號的采集及執(zhí)行元件的控制，如溫度測量、爐壓測量及執(zhí)行器的控制等。

4 控制系統(tǒng)的自動運行過程

系統(tǒng)啟動開關(guān)打開后，系統(tǒng)自動啟動排煙風機、助燃風機，定時吹掃、檢漏結(jié)束后，在觸摸屏上逐一設(shè)定“小火”點火，小火運行正常后再逐一啟動“大火”，熔煉爐主燒嘴開始燃燒，控制系統(tǒng)對所有工作介質(zhì)壓力進行檢測，并全過程進行監(jiān)控。

點火成功后，如鋁液溫度和爐氣溫度低于設(shè)定溫度，大火燒嘴自動啟動燃燒，溫度及爐壓進入自動控制狀態(tài)；如溫度超過設(shè)定值，天然氣閥關(guān)閉，切換閥停止切換，燒嘴停止燃燒。如此往復循環(huán)，使熔煉爐溫度保持在工藝要求的溫度范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

25t固定式熔鋁爐的控制系統(tǒng)通過采用西門子S7-300系列控制軟件和硬件組態(tài)的優(yōu)化配置，系統(tǒng)開關(guān)一鍵啟動后，進入系統(tǒng)的順序啟動，依次執(zhí)行排煙風機啟動、助燃風機啟動、天然氣管路吹掃、檢漏指令之后，進入點火狀態(tài)。點火成功后，熔鋁爐進入以溫度控制的自動運行狀態(tài)。經(jīng)過幾年的運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，天然氣燃燒效率高，維護成本低，使企業(yè)獲得了顯著的經(jīng)濟效益。

Research on Automatic Control System for Aluminum Smelting Furnace

YIN Hua-bin
（Qinghai Branch of CHALCO,Datong 810108，China）

Automatic control system of 25T rectangle natural gas smelting furnace for certain plate and strip company was researched comprehensively.Siemens S730 series PLC was used to control the system,automatic ignition,automatic control temperature etc.and process control had been realized,energy saving,safety,stability,reliability for equipment can be obtained to guarantee production.

smelting surface;automatic control;PLC

TG232

A

1005-4898(2017)03-0031-03

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.03.07

殷華彬（1973－），男，青海西寧人，高級工程師。

2017－03－20