基于CompactLogix系統平臺的銅精煉陽極爐控制系統

張 鵬

(中國恩菲工程技術有限公司 電氣二室， 北京 100038)

基于CompactLogix系統平臺的銅精煉陽極爐控制系統

張 鵬

(中國恩菲工程技術有限公司 電氣二室， 北京 100038)

介紹了某銅冶煉廠銅精煉的工藝以及AB公司CompactLogix系統的主要特點，詳細闡述了基于CompactLogix系統平臺的陽極爐控制系統的硬件構成及控制功能。現場投運后，該控制系統完全滿足精煉工藝的要求，取得了良好的效果。

CompactLogix系統； PLC； 陽極爐； 銅精煉

1 銅精煉工藝介紹

河南某銅冶煉廠設計規模為處理混合復雜金精礦150萬t/a，采用“精礦富氧底吹熔煉- 銅锍閃速吹煉- 粗銅回轉式陽極爐精煉- 陽極板電解”工藝，產金36t/a，產銅20萬t/a，其余產品包括銀錠、硫酸鎳、精硒、精碲和硫酸。混合銅精礦進入富氧底吹熔煉爐熔煉，產生的銅锍進入吹煉爐進行吹煉，吹煉爐產生的粗銅再進入回轉式陽極爐進行精煉，得到銅陽極板送往電解。

陽極爐精煉作業包括進料、保溫、氧化、倒渣、還原、澆鑄。閃速爐吹煉出的粗銅，作為熱料加入到陽極爐中。完成加料后需要加熱提溫，加熱提溫階段煙氣溫度在1 100～1 200 ℃的范圍內，根據爐溫狀況進入氧化作業[1]。氧化作業過程根據爐內渣的情況進行倒渣操作，取樣判斷氧化終點符合規定后轉入還原作業。還原作業階段需要向爐體內鼓入天然氣作為還原劑進行還原，同時鼓入氮氣用以攪拌熔體加速還原。觀察爐內反應，取樣判斷還原終點試樣合格后，組織出爐作業，進行澆鑄[2]。該銅冶煉廠設陽極精煉爐2臺，年工作330天，每天3班操作，每天操作24 h，兩臺陽極精煉爐均為熱狀態交替操作，每爐每天生產1爐，每天共生產2爐。

每臺陽極爐采用1臺160 kW變頻調速交流異步電動機作為主驅動電機，1臺56 kW直流復勵電機作為事故電機。主驅動電機與事故電機同軸相連，在電氣上采取互鎖措施防止兩臺電機并列運行。陽極爐能夠正向轉動和反向轉動，轉動時可由變頻器多檔位調節轉速。按正常、氧化還原、出渣、出銅設轉角限位開關和旋轉編碼器，旋轉編碼器裝在減速機出口軸外端。

2 基于CompactLogix系統平臺的陽極爐精煉控制系統簡介

CompactLogix系統平臺是羅克韋爾公司旗下的重要品牌Allen-Bradley的系統平臺，經過數十年的發展，到目前，該系統已被廣泛應用在鋼鐵、冶金、石油、機械加工等行業中。編程軟件、控制器和I/O模塊之間的緊密集成可顯著減少開發時間。具有以下特點：

(1) DIN式導軌安裝或者面板安裝，安裝非常靈活。

(2) 嵌入式的I/O模塊集成在了一體化控制器中，可降低成本并有效簡化配置。

(3) AI、AO模擬量模塊，DI、DO數字量模塊以及特殊模塊能夠涵蓋絕大多數的工程項目應用。

(4) 完全支持標準的EtherNet/IP網絡，支持所有CompactLogix平臺的ControlNetTM和DeviceNetTM網絡。

(5) 在一個控制器中同時集成了安全和運動功能。

該陽極爐控制系統作為全廠DCS系統的一個組成部分，設置Profibus-DP通訊接口，通過DP電纜與位于陽極爐的中央控制室控制器通訊。2臺陽極爐具有獨立的控制器、操作臺+CT、現場操作箱+AC、澆鑄操作臺+JCT。+CT操作臺位于控制室，+AC現場操作箱位于爐前，+JCT澆鑄操作臺位于爐后澆鑄操作室。操作箱、操作臺與Compactlogix處理器通過控制電纜連接。陽極爐控制系統的網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 陽極爐控制系統網絡拓撲圖

3 陽極爐精煉控制系統的實現

2臺陽極爐的控制系統完全相同，因此以1#陽極爐控制系統為例做詳細介紹。本陽極爐控制系統由兩大部分組成，分別是直流事故電機控制子系統(以下簡稱直流系統)和交流變頻電機控制子系統(以下簡稱交流系統)。

直流系統主驅動設備是56 kW的復勵直流電機，交流系統主驅動設備是160 kW的交流變頻異步電動機。陽極爐的定位裝置采用電子凸輪控制器和安裝在減速機軸外側的旋轉編碼器。本節詳細介紹如何在CompactLogix系統平臺上實現這兩個子系統。

3.1 直流事故電機控制子系統

3.1.1 陽極爐事故轉動的控制要求

根據精煉工藝的要求，陽極爐在正常生產時，若出現以下情況之一，直流事故電機啟動，爐體進行事故轉動至安全位停止：

(1) 氧化作業時，向爐內鼓入壓縮空氣。若此時壓縮空氣出現故障停氣或壓力降至0.3 MPa以下時，爐子由直流電機驅動，自動反轉使爐體轉至正常位；

(2) 出渣作業時，透氣磚系統一旦發生故障時，則爐子由直流電機驅動，自動反轉至正常位；

(3) 還原作業時，向爐內鼓入天然氣和氮氣。若此時天然氣或氮氣出現故障停氣或壓力降至0.3 MPa時，爐子由直流電機驅動，自動反轉使爐體轉至正常位；

(4) 出銅作業時，一旦交流失電，直流電源自動切入，并由直流電機驅動，自動正轉使爐子轉至正常位。

以上是陽極爐精煉工藝對直流事故控制系統的控制要求，上述任一條件滿足時，爐體應立即由直流電機驅動旋轉至安全位。

3.1.2 直流電機控制子系統的實現

根據3.1.1分析的控制要求編制出直流事故電機正轉和反轉的邏輯，參與邏輯判斷的信息有爐體的工作模式、絕對值編碼器的角度、電子凸輪控制器的狀態、交流主驅動電機變頻器的運行狀態以及事故判斷條件等。結合車間工人師傅的操作經驗和操作習慣，編制了如圖2所示的直流電機控制系統控制邏輯圖。

由圖2可以清晰地看出各個邏輯判斷條件的來源、數據類型、含義、控制器卡件類型等重要信息，也可以直觀地編寫、修改它們的邏輯關系。這張邏輯圖是該控制系統編程的核心部分。有了它，就可以用Compactlogix平臺的編程軟件編制程序，只需要按照圖2的邏輯關系，搭建梯形圖程序即可。

3.2 交流變頻電機控制子系統子系統

3.2.1 交流變頻電機控制子系統子系統的控制要求

陽極爐在各項參數正常，進行氧化、還原、扒渣、出銅等操作時，爐體的旋轉是由交流變頻電機驅動的。在陽極爐操作室設工作地點轉換開關，實現操作權限的切換。在PLC系統正常時，變頻電機允許操作臺+CT、現場控制箱+AC、澆鑄操作臺+JCT有且同時只有一個操作地點進行操作，并且各個操作地點能夠操作的爐體角度并不相同：

陽極爐控制室+CT的操作權限為：正常位～加料氧化還原位置角度；

澆鑄+JCT的操作權限為：正常位～反極限位置角度；用于澆鑄聯動操作；

圖2 直流電機控制子系統邏輯圖

爐前控制箱+AC：正極限位置角度～反極限位置角度。正常的生產操作均在此操作臺完成。

3.2.2 交流變頻電機控制子系統子系統的程序實現

圖3 交流變頻電機控制子系統邏輯圖

根據3.2.1分析的控制要求編制出交流變頻電機轉動的邏輯。參與邏輯判斷的信息有爐體的工作模式、絕對值編碼器的角度、電子凸輪控制器的狀態、直流電機的運行狀態、變頻器的運行狀態、抱閘的閉合情況等。參照直流系統控制邏輯圖，交流變頻電機控制子系統邏輯圖如圖3所示。

交流系統程序與直流系統程序并列運行，一旦出現3.1.1節出現的事故情況，交流系統程序會自動停止，直流系統程序自動切入運行。

同樣地，用Compactlogix平臺的編程軟件編制程序，只需要按照圖3的邏輯關系，搭建梯形圖程序即可。

4 結語

本文在解析了某銅冶煉廠陽極爐精煉工藝的控制要求之后，基于Allen-Bradley公司的CompactLogix系統平臺設計開發了本陽極爐精煉控制系統，詳細闡述了該系統的直流電機控制子系統和交流變頻電機控制子系統的控制要求和實現方法。該套系統提高了精煉工藝的自動化程度，更重要的是避免了因風壓、風量過低，交流失壓等原因帶來的生產事故，獲得了現場的肯定和認可，具有廣闊的應用前景。

[1] 陸志方.陽極爐煙氣余熱利用設計與生產實踐[J].有色冶金節能，2002，(4)：10-12.

[2] 萬愛東.合成爐工[M].北京：冶金工業出版社，2013:133,135-137.

中國恩菲承擔的國家863課題通過科技部現場檢查

2015年11月24日～25日，中國恩菲工程技術有限公司承擔的國家863計劃課題“垃圾焚燒廢物(氣)處置與穩定化控制技術(2012AA062801)”在湖北襄陽恩菲環保能源有限公司進行現場評審。在公司各部門和課題參與單位大力協助下，經過課題組成員的努力，已經在襄陽恩菲垃圾焚燒發電廠建成試驗裝置并進行了試驗研究，取得了良好效果。本次評審會由科技部863計劃資源環境技術領域辦公室組織，中國冶金科工集團科技部、湖北省科技廳、襄陽市科技局及課題參與單位等知名專家等參會。

會上，中國恩菲垃圾焚燒首席專家、項目經理劉海威介紹了項目進展情況及取得的效果，現場總指揮、能源環境事業部主任工程師彭孝容引導評審專家領導參觀了863實驗裝置。

專家組給予該項目高度評價，認為徹底解決了二噁英分解技術難題，在垃圾焚燒煙氣治理方面也走在行業的前列，建議中國恩菲加大技術開發和技術成果的實施力度，為垃圾焚燒行業的清潔化生產做出示范工程。

本次現場檢查會，一方面為該課題的結題驗收工作做好準備；另一方面，也宣傳了恩菲垃圾焚燒取得的技術成果，提高了行業影響力，對中國恩菲垃圾焚燒業務的市場開發起到了促進作用。中國恩菲將繼續發揮善于將技術研發成果應用于工程的優勢和傳統，瞄準垃圾焚燒行業技術難題，加大技術研發力度，攻克行業技術難題，將襄陽垃圾焚燒廠建成行業標桿工程，為行業的清潔生產做出貢獻。

Contrl System Based on the CompactLogix Platform for Anode Furnace of Copper Refining

ZHANG Peng

The paper introduces the process of the producing of copper refining, and the main characteristic of CompactLogix of AB company. It is elaborated that the hardware configuration and control functions of the control system based on the CompactLogix platform for anode furnace of copper refining. Practice proves that control system can meet the production needs of refining fully, and achieves good results.

CompactLogix control system；PLC；anode furnace；copper refining

2015-09-02

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域電氣設計、電氣傳動控制研究工作。

TP273

B

1003-8884(2015)06-0001-04