王正斌

（金隆銅業(yè)有限公司，安徽銅陵 244022）

金隆銅業(yè)公司閃速爐投產(chǎn)20多年來，經(jīng)過多次挖潛改造，熔煉爐單爐處理產(chǎn)能從100 kt/a提升至目前的350 kt/a。為了確保閃速爐熱負(fù)荷運(yùn)行平衡，對(duì)閃速爐投料量的控制精度要求也越來越高。

在2006年實(shí)施350 kt/a擴(kuò)建時(shí)，金隆銅業(yè)從芬蘭引進(jìn)了全套銅精礦失重計(jì)量設(shè)備，用于閃速爐入爐精礦投入量的計(jì)量控制，取代原來的埋刮板機(jī)給料計(jì)量系統(tǒng)。失重計(jì)量設(shè)備的組成包括進(jìn)料閥、呼吸閥、均壓閥、計(jì)量倉、攪拌器、下料螺旋等。對(duì)這些設(shè)備的動(dòng)作及狀態(tài)的在線監(jiān)視、控制和操作通過一套WB930控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

作為整個(gè)失重計(jì)量控制系統(tǒng)的核心，WB930控制器是芬蘭勞特普利森有限公司早年為失重秤專門研制的集稱重儀表與控制功能于一體的智能型專用控制器。正因?yàn)槠鋵Ｓ眯蕴攸c(diǎn)，使設(shè)備維護(hù)比較困難，備品備件不便購買且價(jià)格昂貴。另外，WB930系統(tǒng)診斷功能比較簡單，無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障點(diǎn)的快速查詢和定位。因此，有必要研究開發(fā)一種技術(shù)先進(jìn)、基于通用控制器（如PLC）的銅精礦失重計(jì)量控制裝置，取代現(xiàn)有的WB930控制器，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性，確保閃速爐長期安全、穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

1 WB930控制器原理

1.1 工作原理

流態(tài)化的物料從中間倉底部的卸料錐排出，通過加料閥（圓頂閥）加入到失重給料系統(tǒng)的計(jì)量倉內(nèi)。計(jì)量倉中物料的減少量由傳感器檢測(cè)，并由WB930控制器對(duì)加料量的設(shè)定值和實(shí)際值之間的差值進(jìn)行連續(xù)計(jì)算，并通過調(diào)節(jié)螺旋加料機(jī)的速度實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際加料量的調(diào)節(jié)。當(dāng)計(jì)量倉內(nèi)的物料質(zhì)量下降到裝料下限時(shí)，開始重新裝料，此時(shí)螺旋加料機(jī)的速度控制被鎖定，直至達(dá)到裝料上限（在非常短時(shí)間內(nèi)）。當(dāng)裝料的影響穩(wěn)定后，螺旋加料機(jī)再次開始進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。稱重螺旋加料機(jī)將物料通過1臺(tái)振動(dòng)給料器使物料更均勻地加入到精礦噴嘴中。

圖1 失重倉進(jìn)料下料簡圖

在這一過程中，被控的設(shè)備主要包括：流態(tài)化閥、通氣閥（呼吸閥和均壓閥）、加料閥、機(jī)械攪拌器、螺旋加料機(jī)。

1.2 控制系統(tǒng)組成

銅精礦失重計(jì)量控制系統(tǒng)主要由以下3部分組成。

1）測(cè)量部分：主要包括計(jì)量倉稱重傳感器3只，用于連續(xù)測(cè)量精礦計(jì)量倉重量；加料閥壓力開關(guān)2個(gè)，檢測(cè)密封器壓力；加料螺旋轉(zhuǎn)速檢測(cè)，電磁式脈沖傳感器。

2）控制部分：控制柜（內(nèi)裝WB930控制器）1臺(tái)，完成系統(tǒng)全部控制功能，安裝于閃速爐控制室，盤面配有操作屏，用于系統(tǒng)調(diào)試及維護(hù)操作；現(xiàn)場(chǎng)操作箱1臺(tái)，用于工藝點(diǎn)檢時(shí)機(jī)旁操作；DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工藝的正常生產(chǎn)操作。

3）執(zhí)行部分：通氣閥2個(gè)，配套電磁閥及開/關(guān)限位；加料閥2個(gè)，配套電磁閥及開/關(guān)限位，配套密封氣電磁閥及壓力開關(guān)；機(jī)械攪拌器馬達(dá)驅(qū)動(dòng)4臺(tái)，運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)；螺旋加料機(jī)馬達(dá)變頻驅(qū)動(dòng)2臺(tái)，運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)、電流檢測(cè)、轉(zhuǎn)速檢測(cè)（脈沖傳感器）控制、配套冷卻風(fēng)機(jī)及其運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)；精礦中間倉用流態(tài)化閥2個(gè)，螺旋用流態(tài)化閥2個(gè)，配套電磁閥共 4個(gè)[2-3]。

2 優(yōu)化改造方案及實(shí)施

2.1 改造內(nèi)容及范圍

1）硬件方面。（1）新增PLC控制柜（配觸摸屏）取代原WB930控制柜，安裝尺寸及位置不變。（2）新增稱重變送器，防護(hù)等級(jí)IP54以上，安裝于現(xiàn)場(chǎng)；（3）新增專用電纜用于連接稱重模塊（Load Cell）接線盒。稱重變送器通過DeviceNet總線與PLC通訊，取消原稱重模塊與WB930之間硬接線，稱重傳感器保留。系統(tǒng)各部分之間的連接電纜、導(dǎo)線原則上保留，必要時(shí)（如絕緣層老化等原因）可考慮更換。

2）軟件方面。由于金隆現(xiàn)有WB930控制器的程序固化在其內(nèi)存芯片中，是編譯過的執(zhí)行代碼，無法瀏覽查詢，更無法導(dǎo)出。因此，新增PLC控制系統(tǒng)中的失重控制程序需要重新設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試。這也是本次改造的重點(diǎn)內(nèi)容。

2.2 PLC控制系統(tǒng)方案

經(jīng)過多次技術(shù)比較，最終確定PLC采用美國A-B公司的控制系統(tǒng)，主要配置如表1所示。

表1 PLC控制系統(tǒng)主要配置

PLC控制系統(tǒng)具有開放性，可以自動(dòng)根據(jù)工況選擇控制曲線，也能及時(shí)對(duì)控制參數(shù)，甚至控制曲線進(jìn)行修改。在計(jì)量倉進(jìn)料期間，通過簡單的設(shè)定就能滿足在此期間螺旋加料機(jī)轉(zhuǎn)速多種控制方案（轉(zhuǎn)速保持不變、轉(zhuǎn)速線性遞減、轉(zhuǎn)速非線性變化）的選擇，從而實(shí)現(xiàn)閃速爐投料量的穩(wěn)定與精確控制。該套控制系統(tǒng)還留有與將來FF控制系統(tǒng)的通訊接口。

2.3 改造實(shí)施

此次改造難度大且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，為不影響生產(chǎn)，只能利用2015年年修期進(jìn)行對(duì)接，現(xiàn)場(chǎng)工期很短。

準(zhǔn)備階段（2015年8月26日—9月1日）：首先對(duì)新控制柜進(jìn)行工廠測(cè)試，對(duì)程序的每個(gè)功能完成仿真測(cè)試。本次改造的技術(shù)難點(diǎn)是對(duì)稱重信號(hào)的抗干擾處理，以及對(duì)失重期間質(zhì)量模擬信號(hào)算法的優(yōu)化。由于在仿真測(cè)試時(shí)沒有真正的質(zhì)量信號(hào)，所以如何模擬真實(shí)投料情況就成為一個(gè)難題。實(shí)施小組經(jīng)過認(rèn)真討論、反復(fù)研究和實(shí)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀察不斷進(jìn)行程序修改，最終較好地完成了控制系統(tǒng)的離線測(cè)試工作。9月1日，系統(tǒng)已具備安裝到現(xiàn)場(chǎng)的條件。

安裝調(diào)試階段：9月6日開始拆除現(xiàn)場(chǎng)原控制柜，并對(duì)新控制柜進(jìn)行安裝、接線；9月16日開始對(duì)新控制系統(tǒng)進(jìn)行在線測(cè)試，主要目的是測(cè)試各單體設(shè)備的控制和測(cè)量是否正常，同時(shí)對(duì)失重倉進(jìn)行質(zhì)量校驗(yàn)。9月18日進(jìn)行空負(fù)荷聯(lián)動(dòng)試車，9月19日晚開始進(jìn)行負(fù)荷聯(lián)動(dòng)試車，期間對(duì)控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了在線調(diào)整，參數(shù)調(diào)到最合適的數(shù)值，最終使新控制系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)完全達(dá)到工藝控制和操作的要求，并交付使用，至今運(yùn)行正常。圖2為2015年11月3日從HONEYWELL TDC3000截取的歷史趨勢(shì)畫面。

圖2 從HONEYWELL TDC3000截取的歷史趨勢(shì)畫面

從圖2可以看出，F(xiàn)F投料量180 t/h，失重控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，投料量波動(dòng)在允許范圍[4]。

3 改造后的主要應(yīng)用

3.1 可視化功能增強(qiáng)

改造后，簡潔的流程圖畫面見圖3，參數(shù)設(shè)定畫面見圖4，后臺(tái)參數(shù)畫面設(shè)定見圖5，控制流程畫面見圖6。

圖3 改造后流程圖畫面

圖4 改造后參數(shù)設(shè)定畫面

圖5 后臺(tái)參數(shù)畫面

圖6 控制流程畫面

通過圖3中簡潔的流程圖畫面，操作人員可以直觀地了解當(dāng)前系統(tǒng)所處的狀態(tài)，包括手/自動(dòng)、進(jìn)料、下料等，以及各個(gè)設(shè)備所處的運(yùn)行狀態(tài)。通過圖4界面，操作人員可以方便地進(jìn)行計(jì)量倉料位上、下限的設(shè)定和FF投料量的本地設(shè)定等。通過圖5界面，可以實(shí)現(xiàn)在投料量不同的情況下，螺旋轉(zhuǎn)速的PID調(diào)節(jié)參數(shù)自動(dòng)變更。通過圖6界面，可以對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)條件、停止條件一目了然，不再需要通過圖紙一一查對(duì)。

3.2 流態(tài)化抑制功能

改造后的PLC控制系統(tǒng)較原WB930控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)抑制流態(tài)化功能上有很大的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）新系統(tǒng)控制面板上實(shí)時(shí)顯示投料量、螺旋轉(zhuǎn)速、PID輸出值曲線及失重倉質(zhì)量值，有助于工藝分析，判斷流態(tài)化是受何種因素影響產(chǎn)生，以便及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。產(chǎn)生流態(tài)化的常規(guī)故障因素有失重倉擋料傘的大小、進(jìn)料速度的快慢、每次進(jìn)料量的多少、螺旋入料口下料流暢與否等。

2）PID輸出變化率及強(qiáng)度可進(jìn)行設(shè)定調(diào)整，而原WB930系統(tǒng)無法進(jìn)行調(diào)整。此參數(shù)調(diào)整后，可控制螺旋速度變化速率及強(qiáng)度，在同等的情況下，可降低流態(tài)化強(qiáng)度。

3）失重倉上下限設(shè)定值可設(shè)定在十分位，原WB930失重倉上下限設(shè)定值僅能設(shè)定在個(gè)位。目前，進(jìn)行十分位參數(shù)設(shè)定可有效避免某工作點(diǎn)帶來的不穩(wěn)定，并能夠根據(jù)失重倉下料速度及下料量，更精確地調(diào)整失重倉上下限設(shè)定值。

4）在失重倉進(jìn)料時(shí)，失重計(jì)量處于鎖死狀態(tài)，此時(shí)，螺旋進(jìn)料口處于外力沖擊狀態(tài)，易造成流態(tài)化。原WB930無法實(shí)時(shí)更改螺旋轉(zhuǎn)速調(diào)整模式，且無法判斷流態(tài)化強(qiáng)度的大?。恍翽LC控制系統(tǒng)面板上實(shí)時(shí)顯示失重倉質(zhì)量，可直觀地根據(jù)質(zhì)量值變化速率，判斷流態(tài)化強(qiáng)度，從而指導(dǎo)工藝人員調(diào)整進(jìn)料期間螺旋速度變化值，達(dá)到有效控制流態(tài)化目的[5]。

4 結(jié)語

本次失重控制系統(tǒng)升級(jí)改造達(dá)到了預(yù)期的目的，徹底解決了長期困擾生產(chǎn)和維護(hù)人員的關(guān)鍵性問題，為公司今后的生產(chǎn)穩(wěn)定提供了有效的保障，為以后類似控制系統(tǒng)升級(jí)改造積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。