呂有忠

(云南工商學(xué)院信息與工程學(xué)院)

銅熔煉爐溫度測控系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的研究①

呂有忠

(云南工商學(xué)院信息與工程學(xué)院)

介紹銅熔煉爐的工藝特點(diǎn)，給出銅熔煉爐溫度測控系統(tǒng)的總體方案、儀表設(shè)備的選型與系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方法。最后結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)踐，總結(jié)了儀表設(shè)備選型、安裝固定和系統(tǒng)設(shè)計方面的經(jīng)驗(yàn)。

溫度測控系統(tǒng) 銅熔煉爐 儀表選型 PLC

銅熔煉爐爐體和熔池的溫度測控對于掌握整個銅熔煉爐工藝狀況具有極其重要的意義。然而，爐體和熔池測溫系統(tǒng)存在設(shè)計不完善、準(zhǔn)確度不高、易損壞及更換困難等問題，嚴(yán)重影響工藝操作的準(zhǔn)確度和生產(chǎn)的連續(xù)性。另外，由于熔體溫度高，且受到熔體運(yùn)動機(jī)械沖刷、侵蝕等影響[1]，導(dǎo)致高溫熔體連續(xù)測溫成為銅冶煉行業(yè)的難題。為此，筆者設(shè)計了一個銅熔煉爐溫度測控系統(tǒng)，通過適當(dāng)?shù)膬x表選型與功能設(shè)計，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度、高可靠性的溫度測量。

1 銅熔煉爐工藝

銅熔煉爐工藝要求測溫系統(tǒng)連續(xù)、精度高，測溫儀表抗腐蝕、抗氧化，因此在構(gòu)建測溫系統(tǒng)時，對儀表選型、數(shù)據(jù)采集等環(huán)節(jié)，特別是熱電偶保護(hù)管的材料選擇和安裝方式需認(rèn)真比較分析。

銅熔煉爐工藝按溫度檢測部位一般分為3類：銅水套冷卻循環(huán)水溫度檢測與報警；爐體升溫過程測溫；熔池、其他相關(guān)設(shè)備和管道介質(zhì)的實(shí)時溫度測量[2]。

1.1 爐體升溫過程測溫

為了掌握大型銅熔煉爐開爐升溫過程中的溫度變化情況，實(shí)時調(diào)整烘爐加熱過程，滿足特定耐火磚對升溫過程的技術(shù)要求，對爐體設(shè)置了大量溫度檢測點(diǎn)；將測得的爐墻各部位實(shí)時溫度通過傳感器以電信號形式送入計算機(jī)測控系統(tǒng)，構(gòu)成分布式溫度檢測系統(tǒng)，并隨時能在上位機(jī)測控畫面中查看所有測點(diǎn)溫度。

爐體升溫檢測儀表采用鎧裝升溫?zé)犭娕?，?4只，測量范圍0～1 000℃，砌爐時敷設(shè)于爐體5個不同高度平面內(nèi)，用于測量爐墻溫度。

1.2 熔煉過程爐墻與熔池測溫

銅熔煉爐正常熔煉過程中，爐體熔池測溫主要用于檢測爐內(nèi)熔池金屬溶體溫度，實(shí)現(xiàn)熔煉過程爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)的判斷和熔池溫度的調(diào)節(jié)，為工藝控制提供最直接的依據(jù)。目前，爐內(nèi)熔池檢測環(huán)境復(fù)雜、沖刷、易腐蝕、不宜更換設(shè)備是主要的測溫難題。

在測溫系統(tǒng)設(shè)計過程中，沿爐體在熔煉段兩個不同高度上各均衡分布3個檢測點(diǎn)(共6只特殊熱電偶)，輸出的電信號進(jìn)入計算機(jī)測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)熔池溫度的檢測。具體測點(diǎn)說明見表1。

表1 熔池、爐頂、爐墻熱電偶測點(diǎn)說明

2 溫度測控系統(tǒng)總體方案

銅熔煉爐溫度測控系統(tǒng)(圖1)由計算機(jī)測控系統(tǒng)、溫度檢測儀表和數(shù)據(jù)采集模塊3部分構(gòu)成。計算機(jī)測控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集模塊采集溫度數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)庫或OPC服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。

溫度檢測儀表采用鎧裝熱電偶、裝配式熱電偶與鉑熱電阻。數(shù)據(jù)采集采用PLC的I/O模塊實(shí)現(xiàn)，模擬值采集采用SM331模塊實(shí)現(xiàn)，通過量程卡設(shè)定測量信號類型和測量范圍[3]；同時，PLC可執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的PID控制功能。上位機(jī)采用專門的溫度測控系統(tǒng)軟件、工控組態(tài)軟件或DCS系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的存儲、查詢、畫面顯示、報警、趨勢分析及控制等功能。PLC控制器與上位機(jī)系統(tǒng)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信。

圖1 銅熔煉爐溫度測控系統(tǒng)示意圖

3 儀表設(shè)備選型

根據(jù)工藝要求，測溫點(diǎn)均分布于銅熔煉爐內(nèi)，屬于典型的有色冶煉工業(yè)環(huán)境，因此要求測溫儀表需具備以下要求：

a. 要求連續(xù)檢測，不允許間斷測量，并可遠(yuǎn)傳至計算機(jī)控制系統(tǒng)；

b. 要求在計算機(jī)系統(tǒng)人機(jī)界面上，操作人員可以使用6支熔池?zé)犭娕贾械娜我庖恢盹@示熔池溫度，并將該溫度值作為溶體溫度控制操作的主要依據(jù)傳輸?shù)脚欧艑拥娜鄢販囟蕊@示器上；

c. 要求熔池?zé)犭娕急Ｗo(hù)管耐機(jī)械沖刷與侵蝕，能在氧化、還原氣氛中使用，抗熱、抗振性能高；

d. 要求銅熔煉爐工藝測溫儀表測量準(zhǔn)確，可用于工藝自動化聯(lián)鎖控制；

e. 要求測溫儀表使用壽命長，重要檢測點(diǎn)處的儀表更換方便，至少滿足一個爐期的正常使用。

3.1 升溫?zé)犭娕?/p>

結(jié)合工業(yè)環(huán)境特點(diǎn)與工藝要求，升溫部分采用鎧裝熱電偶，熱電偶插入長度為5m(根據(jù)爐體圓周長確定)，在砌爐過程中埋入相應(yīng)位置，引出引線。由于升溫過程爐磚溫度不高于900℃且無強(qiáng)烈振動，與金屬溶液不接觸，所以該儀表不需要固定。綜合分析后，采用鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶(K分度，工作端直徑φ3mm)。

3.2 熔池和爐頂熱電偶

熔池和爐頂熱電偶采用N分度。為了適應(yīng)機(jī)械沖刷、侵蝕、高溫、腐蝕、氧化還原氣氛，對比了5種冶煉行業(yè)常用的保護(hù)管材料，具體見表2。可以看出，熔池和爐頂熱電偶的保護(hù)套管宜選擇金屬陶瓷LT1，該材料能很好地適應(yīng)銅熔煉爐工業(yè)環(huán)境。綜合分析后，采用GPC-T-6-N熱電偶。

表2 5種保護(hù)管材料的對比

3.3 工作熱電偶

工作熱電偶主要用于檢測熔煉過程中爐墻中部和爐底的侵蝕程度，在砌爐時埋入相應(yīng)位置，檢測信號送入上位機(jī)系統(tǒng)用于檢測報警。由于工作熱電偶埋入爐墻內(nèi)部不與金屬溶液接觸，且溫度低于1 000℃，因此其測溫范圍在0～1 000℃即可滿足要求，同時儀表要求具有抗熱振性。綜合分析后，采用inconel600材料的K型鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶(帶法蘭安裝)，其使用溫度可達(dá)1 000℃以上，具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗腐蝕性和抗氧化性[5]。

3.4 冷卻水套測溫儀表

冷卻水套測溫儀表主要用于檢測冷卻水套管出口回水溫度，測溫范圍0～100℃，傳感器要求防水防塵，無其他特殊要求，因此選用鉑熱電阻Pt100，防護(hù)等級IP65。

4 溫度測控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)銅熔煉爐溫度測控系統(tǒng)方案，選用遠(yuǎn)程I/O模塊實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)的采集，控制器選擇S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存、編程、控制及通信等功能，上位機(jī)SCADA系統(tǒng)采用組態(tài)王6.55實(shí)現(xiàn)測控畫面的設(shè)計和運(yùn)行。

4.1 組態(tài)王與S7-300 PLC之間的通信

組態(tài)王與S7-300 PLC之間的通信可以通過兩種方法實(shí)現(xiàn)：采用組態(tài)王提供的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)；采用OPC與組態(tài)王之間的通信實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采用第1種方法時，在組態(tài)過程中，通過組態(tài)王的設(shè)備添加向?qū)Фx外部設(shè)備為PLC[6]，并選擇S7-300系列TCP；硬件選擇S7-300 PLC上擴(kuò)展的CP343-1以太網(wǎng)模塊，在計算機(jī)上使用CP1613以太網(wǎng)卡，PLC和計算機(jī)之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接。

4.2 測控系統(tǒng)的功能

在上位機(jī)中，銅熔煉爐溫度測控系統(tǒng)的功能是：負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集、記錄、保存、查詢、顯示、處理和設(shè)定，對需要報警的溫度值實(shí)現(xiàn)越限報警，如冷卻水套回水溫度高報警；爐體升溫過程爐溫運(yùn)行曲線與趨勢畫面的顯示；利用聯(lián)鎖配料配方程序和皮帶輸送機(jī)控制程序，實(shí)現(xiàn)對爐體升溫過程磚溫、爐體運(yùn)行狀態(tài)下磚溫、熔池金屬溶體、爐頂煙氣溫度和冷卻水套回水溫度的測控。

5 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

在有色金屬冶煉行業(yè)中，銅熔煉爐溫度檢測作為工藝過程監(jiān)控的一部分，其應(yīng)用技術(shù)的研究至關(guān)重要。在此，筆者總結(jié)了幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

a. 在儀表設(shè)備選型方面，應(yīng)當(dāng)詳細(xì)分析現(xiàn)場工業(yè)環(huán)境對儀表設(shè)備的各種影響，選擇合適的測溫儀表。在本工程案例中，爐體升溫?zé)犭娕紤?yīng)用環(huán)境較好，采用普通K分度鎧裝熱電偶即可滿足使用要求，而且國內(nèi)各主要儀表生產(chǎn)商均能提供，采購價格不高，渠道多。相比之下，熔池和爐頂煙氣溫度熱電偶使用環(huán)境復(fù)雜、溫度高，不但需要考慮儀表的抗熱振性和耐沖刷性，還要考慮熔池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)氧化還原氣氛對保護(hù)管的腐蝕性。

b. 熱電偶與熱電阻一般有螺紋連接、法蘭連接及焊接等安裝形式，同時需要考慮測量端的插入深度等情況，這在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)加以明確。如熔池?zé)犭娕?，考慮到實(shí)際應(yīng)用中更換和維護(hù)的方便性，宜采用法蘭卡套安裝形式。

c. 銅熔煉爐溫度測控系統(tǒng)應(yīng)本著分散與集中相結(jié)合、經(jīng)濟(jì)適用、穩(wěn)定可靠的設(shè)計原則，結(jié)合實(shí)際使用情況進(jìn)行構(gòu)建。在本系統(tǒng)中，采用技術(shù)成熟可靠的西門子PLC系統(tǒng)作為下位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制，下掛遠(yuǎn)程I/O單元；上位機(jī)系統(tǒng)選擇符合國內(nèi)操作習(xí)慣、應(yīng)用廣泛、設(shè)計靈活的組態(tài)王軟件，其性價比遠(yuǎn)高于國外組態(tài)軟件。

6 結(jié)束語

銅熔煉爐溫度測控系統(tǒng)運(yùn)行情況表明，系統(tǒng)測溫環(huán)節(jié)可靠，數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確，現(xiàn)場維護(hù)量少。系統(tǒng)構(gòu)成簡潔，上位機(jī)畫面豐富，設(shè)計修改方便，操作工使用方便，數(shù)據(jù)儲存調(diào)用可靠。該系統(tǒng)從方案設(shè)計到實(shí)施過程密切跟隨工藝要求、認(rèn)真分析應(yīng)用環(huán)境，具體項(xiàng)目具體研究，無論從技術(shù)角度還是經(jīng)濟(jì)方面都體現(xiàn)出一定的優(yōu)越性，在同行業(yè)測溫應(yīng)用中具有一定的參考價值。

[1] 劉玉長.自動檢測和過程控制[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2010:40～45.

[2] 李明照,許并社.銅冶煉工藝[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012:115～121.

[3] 秦益霖.西門子S7-300 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012:122～126.

[4] 王國權(quán),孫傳賢.金屬陶瓷熱電偶護(hù)管的使用[J].化工自動化及儀表,1985,12(2):43～44.

[5] 李葉,梁庭,王凱,等.基于高溫環(huán)境下高絕緣高響應(yīng)性鎧裝熱電偶的研究[J].化工自動化及儀表,2012,39(3):335～338.

[6] 熊偉.工控組態(tài)軟件及應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2012:22～26.

呂有忠(1975-)，高級工程師，從事電力系統(tǒng)分析、電氣自動化技術(shù)、冶煉工藝控制技術(shù)的應(yīng)用研究，106798247@qq.com。

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1000-3932(2017)03-0309-03

2016-10-30，

2016-11-28)