25t矩形天燃氣鋁熔煉爐自動控制系統研究

殷華彬

（中國鋁業青海分公司，青海大通810108）

25t矩形天燃氣鋁熔煉爐自動控制系統研究

殷華彬

（中國鋁業青海分公司，青海大通810108）

針對某板帶公司鑄軋工區使用的25t矩形天然氣熔煉爐的自動控制系統進行了全面深入的開發與研究。該系統采用西門子S7300系列PLC進行控制，實現自動點火、溫度自動控制、爐壓自動控制等方面參數的自動檢測及過程控制，使設備達到節能、高效、安全、穩定、可靠。

熔煉爐；自動控制；PLC

0 前言

在鋁板帶自動化生產線中，熔煉爐是生產線的龍頭，只有確保其連續正常工作，才能使整個生產線正常高效運作。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。以現代PLC構成鋁熔煉爐控制系統可以很好地滿足相關要求。本系統采用德國SIEMENS S7-300系列PLC及相應的過程控制儀表、電動執行機構等電控裝置開發了爐子控制系統。整個控制系統不僅安全、可靠，而且令熔煉爐具有較高的熔煉速度和控制精度，實現了較好的節能效果和較低的金屬燒損。整個控制系統以PLC為核心構成了溫度、壓力等控制系統，確保高效生產、安全節能。為更好地服務于生產，能快速、準確地判斷設備故障，我們必須深入研究控制方式及原理，這對提高企業效率以及降低能耗等方面具有重要的現實意義。

1 工藝過程描述

25t固定式熔鋁爐主要用于鑄軋生產線中鋁錠熔化及電解鋁液成分調整，以確保鑄造生產線對鋁液的需求。熔鋁爐爐門設計為大爐門結構，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的專用虹吸裝置吸入爐內的。按熔煉工藝進行熔煉生產，爐料熔化后，進行攪拌、扒渣、取樣分析及成分和溫度的調整，當熔體成分及溫度符合工藝要求后，通過轉注流槽轉入保溫爐。

2 控制系統組成

本控制系統的過程控制級是由SIMATIC S7-300程控器組成，硬件包括CPU315-2DP模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、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，還設置了操作員面板，它可以方便地設定和修改工藝參數及過程控制參數。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。控制系統包括：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

溫度控制為本設備的核心，爐子有爐氣定溫控制和鋁液溫度級聯控制兩種，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。爐氣溫度控制根據爐頂熱電偶采集到的溫度信號送入PLC中的模擬量模塊經冷端補償、線性化處理、與給定溫度比較后，經PID運算，輸出電信號連續控制和調節燃燒負荷的大小，以達到溫度自動控制的目的（見圖1)。級聯控制，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冷端補償、線性化處理、與給定值一起經過PID運算，其結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，經處理后輸出信號連續控制和調節燃燒負荷的大小，達到溫度自動調節的目的（見圖2）。針對性開發的PLC控制程序，可確保控溫點鋁水溫度控制在設定值的±3℃之內。

圖2 級聯控制邏輯框圖

2.2 爐壓控制

爐壓控制是保證安全生產，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換成4～20mA信號，送入PLC中的模擬量模塊經PID運算后輸出控制信號，控制排煙管道上的電動調節蝶閥開口度，從而保證爐氣壓力在允許的范圍內。

2.3 點火控制

自動點火程序如下：由PLC檢測各有關參數，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出指令，自動關閉各安全電磁閥，實現熄火保護，同時發出聲光警示信號，提醒操作人員。查明原因后按下復位按鈕，由PLC重新發出啟動指令，重復執行點火程序。每個燒嘴有一個火焰探頭，用于監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合資企業的優質產品，這些器件與柜體一起構成馬達控制中心（MCC）。MCC控制回路接收PLC的數字量輸出模塊的信號，從而實現自動控制功能。

3 控制系統配置

該控制系統選用西門子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，實現網絡化的自動控制系統。從站選用ET200M(IM153)通訊模塊，實現與主站高速、平穩的通訊，具體配置如圖3所示。

圖3 系統硬件組態

系統由西門子S7-300系列CPU 315-2DP做主站，通過PROFIBUS-DP網絡與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行元件的控制，如溫度測量、爐壓測量及執行器的控制等。

4 控制系統的自動運行過程

系統啟動開關打開后，系統自動啟動排煙風機、助燃風機，定時吹掃、檢漏結束后，在觸摸屏上逐一設定“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，控制系統對所有工作介質壓力進行檢測，并全過程進行監控。

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

5 結束語

25t固定式熔鋁爐的控制系統通過采用西門子S7-300系列控制軟件和硬件組態的優化配置，系統開關一鍵啟動后，進入系統的順序啟動，依次執行排煙風機啟動、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。點火成功后，熔鋁爐進入以溫度控制的自動運行狀態。經過幾年的運行，系統運行穩定，天然氣燃燒效率高，維護成本低，使企業獲得了顯著的經濟效益。

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