基于PLC的黃磷爐控制系統(tǒng)

張維棟

（宜賓天原集團(tuán)股份有限公司，宜賓 644004）

馬邊無(wú)窮磷化工廠是宜賓天原集團(tuán)股份有限公司的下屬分廠，主要生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)黃磷產(chǎn)品，生產(chǎn)裝置有1#和2#黃磷爐，2臺(tái)黃磷爐均屬于淘汰類型，生產(chǎn)控制以常規(guī)儀表為主，現(xiàn)場(chǎng)儀表為動(dòng)圈表和數(shù)顯表，主要測(cè)量爐底溫度、爐壁溫度、一次電流、二次電流、電壓和功率等，電極升降采用電機(jī)控制渦輪機(jī)構(gòu)完成，配料系統(tǒng)是繼電器控制的電磁振動(dòng)給料機(jī)，自動(dòng)化水平較低，工藝控制較粗放，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本及強(qiáng)化安全保障方面都起不到應(yīng)有的作用。為全面提高黃磷生產(chǎn)裝置的自動(dòng)化水平、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，馬邊無(wú)窮磷化工廠擬采用PLC作為新建3#、4#黃磷爐的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一套PLC系統(tǒng)對(duì)所有黃磷爐的集中控制和顯示。

1 工藝簡(jiǎn)介

將符合生產(chǎn)工藝要求的磷礦石、硅石和焦炭（白煤），按一定比例混合后輸送至電爐料柜。混合料通過(guò)均勻分布的下料管連續(xù)送入密閉微正壓電爐，通過(guò)油壓系統(tǒng)控制電爐的電極升降，使電極在其額定功率左右工作，進(jìn)入電爐的混合料在此工況下發(fā)生還原反應(yīng)，生成的黃磷氣體從反應(yīng)熔區(qū)逸出，通過(guò)導(dǎo)氣管進(jìn)入串聯(lián)的冷凝塔噴淋冷卻，黃磷凝聚成液滴進(jìn)入塔底受磷槽中，即為粗磷。粗磷在精制鍋中，用蒸汽加熱、攪拌、澄清后，在鍋底沉積純磷，之后進(jìn)入冷凝池冷卻成型后即得產(chǎn)品黃磷[1]。

2 控制方案

2.1 原料輸送控制方案

PLC可通過(guò)原料料倉(cāng)、配料料倉(cāng)料位計(jì)及料倉(cāng)位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)，自動(dòng)識(shí)別料倉(cāng)儲(chǔ)料狀態(tài)，聯(lián)鎖啟動(dòng)輸送、配料程序，并自動(dòng)補(bǔ)滿料倉(cāng)。

2.2 配料系統(tǒng)控制方案

所有配料系統(tǒng)改為定量給料機(jī)配料方式，配料分為自動(dòng)和手動(dòng)2種方式，自動(dòng)時(shí)，通過(guò)PLC上位機(jī)分別或按比例設(shè)定磷礦石、硅石和白煤的給料量，PLC配料程序啟動(dòng)后，定量給料機(jī)即按設(shè)定條件自動(dòng)啟動(dòng)配料、停止配料和混料；當(dāng)PLC故障或其他原因不能自動(dòng)時(shí)，則利用配料控制柜機(jī)旁專用儀表進(jìn)行手動(dòng)配料、停止配料和混料[2]。

2.3 液壓系統(tǒng)控制方案

液壓系統(tǒng)全部由PLC控制，PLC根據(jù)液壓系統(tǒng)油壓狀態(tài)自動(dòng)啟停油泵，同時(shí)設(shè)置液壓系統(tǒng)爆管緊急聯(lián)鎖停泵保護(hù)。

2.4 電爐控制方案

電極的升降控制由PLC自動(dòng)完成，電極升降的控制方式主要是恒功率控制。當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定值，且偏差大于設(shè)定偏差范圍時(shí)，PLC自動(dòng)控制電極升降，調(diào)整電流到設(shè)定值，調(diào)整過(guò)程設(shè)置延時(shí)判斷、誤差判斷及升降速度，減小電爐電流波動(dòng)及防止電極折斷事故。同時(shí)設(shè)輔助操作臺(tái)，當(dāng)電極自動(dòng)調(diào)整無(wú)法滿足時(shí)，可快速切換至手動(dòng)操作狀態(tài)，通過(guò)操作臺(tái)上的按鈕手動(dòng)升降電極，調(diào)整電爐電流[3]。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)規(guī)模

黃磷爐控制系統(tǒng)控制對(duì)象包括3#、4#黃磷爐的爐體溫度、導(dǎo)氣管壓力、電極升降參數(shù)、液壓升降系統(tǒng)油壓、黃磷爐變壓器一二次側(cè)電流、電壓、配料系統(tǒng)參數(shù)及其他公用工程數(shù)據(jù)等，主要信號(hào)類別為模擬量輸入輸出和數(shù)字量輸入輸出，PLC系統(tǒng)IO點(diǎn)位規(guī)模如表1所示。

3.2 控制系統(tǒng)配置

根據(jù)黃磷爐生產(chǎn)裝置的具體情況，黃磷爐PLC控制系統(tǒng)設(shè)一個(gè)主控站和2個(gè)通訊子站。在PLC機(jī)柜室設(shè)1臺(tái)主站機(jī)柜、3臺(tái)I/O柜、1臺(tái)配電柜、1臺(tái)UPS電源。主站機(jī)柜和I/O柜用于安裝控制器、IO卡件、系統(tǒng)電源、接線端子、繼電器及信號(hào)隔離器等；3臺(tái)I/O柜則分別設(shè)置為3#黃磷爐控制I/O柜、4#黃磷爐控制I/O柜、配料系統(tǒng)及其他公用工程黃磷爐控制I/O柜；配電柜則用于系統(tǒng)內(nèi)部及現(xiàn)場(chǎng)部分儀表220 VAC、24 VDC的電源分配和供電。PLC主控柜配置如表2所示。

表1 PLC IO點(diǎn)位Tab.1 PLC IO point

表2 PLC主控柜配置Tab.2 PLC control cabinet configuration

PLC選用GE公司的PAC3i系統(tǒng)作為控制核心，并采用冗余方式進(jìn)行控制，CPU、電源和通訊模塊均為冗余配置[4]。PLC I/O柜配置如表3所示。

表3 PLC I/O柜配置Tab.3 PLC I/O cabinet configuration

3.3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)主要包括1個(gè)工程師站和3個(gè)操作員站，操作員站分別是配料輸送操作員站、3#爐和4#爐操作員站，操作員站用于生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)控制，工程師站用于系統(tǒng)工程師進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)、軟件組態(tài)及歷史數(shù)據(jù)記錄，操作站應(yīng)為站點(diǎn)對(duì)等形式，任何一臺(tái)操作站故障不影響其它操作站操作和記錄顯示；工程師站配1臺(tái)打印機(jī)用于生產(chǎn)報(bào)表、事故歷史數(shù)據(jù)、趨勢(shì)圖打印。

為保證PLC與配料定量給料機(jī)、原料干燥系統(tǒng)及電力綜合測(cè)量?jī)x之間的通訊，硬件上考慮了一個(gè)Profibus-DP通訊子站和一個(gè)Modbus通訊子站，系統(tǒng)配置有Profibus-DP接口，以便和定量給料機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通訊[5]，系統(tǒng)配有2個(gè)Modbus接口，以便分別和觸摸屏、電力綜合測(cè)量?jī)x進(jìn)行通訊，通過(guò)通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和采集。2個(gè)通訊子站均按單一網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，未考慮冗余方式?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Control system network structure diagram

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃磷爐PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括下位軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和上位畫(huà)面設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)原料自動(dòng)配料、電極自動(dòng)升降、圖形監(jiān)控、動(dòng)態(tài)圖形顯示、歷史數(shù)據(jù)采集管理、狀態(tài)趨勢(shì)圖、自診斷、報(bào)警等功能。下位軟件系統(tǒng)采用美國(guó)GE的Proficy Machine Edit（ME5.5）軟件，主要完成系統(tǒng)硬件組態(tài)、I/O點(diǎn)位組態(tài)、邏輯控制組態(tài)、PID參數(shù)設(shè)置、通訊組態(tài)、操作管理及其他程序組態(tài)功能。上位軟件采用美國(guó)GE的iFix 4.0軟件，主要設(shè)計(jì)人機(jī)界面，負(fù)責(zé)控制方式選擇、手自動(dòng)選擇、變壓器檔位選擇、控制電流設(shè)定、參數(shù)調(diào)整、配料參數(shù)及比例設(shè)定、緊急停爐等。

4.1 下位軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)黃磷爐生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，PLC控制系統(tǒng)判斷原料的儲(chǔ)備狀態(tài)，待原料準(zhǔn)備妥當(dāng)后，即可啟動(dòng)配料程序，按比例完成磷礦石、硅礦石和白煤的自動(dòng)定量稱量，經(jīng)混料、輸送設(shè)備進(jìn)入爐頂料倉(cāng)，操作人員根據(jù)電爐運(yùn)行情況，調(diào)整加入爐內(nèi)的原料量，并按預(yù)先設(shè)定變壓器檔位以及相對(duì)應(yīng)的電流值、功率值，自動(dòng)升降電極、調(diào)整平衡負(fù)荷等。其生產(chǎn)控制流程如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)控制流程Fig.2 Production control flow chart

4.1.1 配料、輸送程序設(shè)計(jì)

配料系統(tǒng)可根據(jù)工藝需要單獨(dú)設(shè)定磷礦石、硅石和白煤的給料量，也可以某種原料為基準(zhǔn)，如以磷礦石為基準(zhǔn)，硅石和白煤則按預(yù)先設(shè)定的比例，自動(dòng)設(shè)定給料量，配料可以以時(shí)間作為配料終止的依據(jù)，也可以以某種原料的總量作為配料終止的依據(jù)。原料輸送及配料輸送過(guò)程，按物料輸送的順序設(shè)定啟動(dòng)和停止程序，并按一定的時(shí)間間隔設(shè)置相應(yīng)的延時(shí)功能，確保物料連續(xù)且不堵料。在順序控制中，前面的電機(jī)未啟動(dòng)或有故障，則后面的電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)，當(dāng)后面的設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)聯(lián)鎖前面的設(shè)備也停止[6]。輸送現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置相應(yīng)的報(bào)警裝置（如輸送啟動(dòng)提示），并設(shè)置相應(yīng)的聯(lián)鎖停止功能，在PLC設(shè)置配料系統(tǒng)緊急停車按鈕，當(dāng)此系統(tǒng)的任一臺(tái)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，緊急停配料輸送系統(tǒng)。其原料配料邏輯流程如圖3所示。

4.1.2 電極升降程序設(shè)計(jì)

當(dāng)電極自動(dòng)升降程序啟動(dòng)后，PLC即可根據(jù)各相電極電流變化的情況，自動(dòng)升降電極，調(diào)整電流，在自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，任何時(shí)候都可以人工干預(yù)任何一相電極運(yùn)行，即可以手動(dòng)操作任何一相電極。自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，PLC根據(jù)變壓器三相功率的變化情況，統(tǒng)計(jì)計(jì)算并實(shí)時(shí)調(diào)整電極，確保三相功率平衡。所有電流調(diào)節(jié)都設(shè)有限幅，當(dāng)調(diào)節(jié)幅度超過(guò)規(guī)定值時(shí)，則自動(dòng)轉(zhuǎn)為手動(dòng)，并提示報(bào)警，由操作人員手動(dòng)進(jìn)行電極升降[7]。

圖3 原料配料邏輯流程Fig.3 Logic flow chart of raw material ingredient

4.1.3 液壓系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)主要是為了實(shí)現(xiàn)電極的升降，當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力低于低限設(shè)定值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)一臺(tái)油泵，當(dāng)壓力達(dá)到高限設(shè)定值時(shí)，油泵自動(dòng)停止。如果油泵啟動(dòng)后在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)壓力沒(méi)有達(dá)到高限設(shè)定值，則自動(dòng)將另一臺(tái)油泵啟動(dòng)，然后將先啟動(dòng)的油泵關(guān)閉，并發(fā)出報(bào)警。

4.1.4 尾氣風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖程序設(shè)計(jì)

當(dāng)尾氣系統(tǒng)壓力低于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)PLC系統(tǒng)與尾氣抽氣風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖，防止?fàn)t內(nèi)形成負(fù)壓后引起安全事故。操作臺(tái)上設(shè)置緊急停抽氣風(fēng)機(jī)按鈕，電爐操作人員在故障情況下可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)停止抽氣。

4.2 上位機(jī)畫(huà)面組態(tài)

PLC可顯示黃磷生產(chǎn)工藝流程圖，PLC監(jiān)控畫(huà)面可實(shí)時(shí)顯示電爐溫度、導(dǎo)氣管溫度、一次/二次電壓、一次/二次電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因素、電極升降狀態(tài)及其它參數(shù)測(cè)量值，同時(shí)具有實(shí)時(shí)趨勢(shì)、歷史趨勢(shì)記錄和查詢功能。上位機(jī)還有設(shè)有手動(dòng)/自動(dòng)切換、緊急停爐、手動(dòng)升、手動(dòng)降、升降極限報(bào)警投入按鈕，有電流設(shè)定、功率設(shè)定、電流限幅設(shè)定、功率限幅設(shè)定、電極上限設(shè)定、電極下限設(shè)定以及電極升降輸出時(shí)間設(shè)定等功能。主要畫(huà)面功能如圖4所示。

圖4 電極升降控制畫(huà)面Fig.4 Electrode lift control

5 結(jié)語(yǔ)

黃磷爐控制系統(tǒng)自2011年建成以來(lái)，已成功運(yùn)行多年，黃磷爐自動(dòng)化水平有了較大的提升，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化代替人工操作，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，電極的自動(dòng)升降對(duì)電網(wǎng)的沖擊比人工操作更小，系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠。采用自動(dòng)控制后，保持了良好爐況，在不改變控制條件情況下，使三相電弧功率的輸入平衡穩(wěn)定，提高了爐子的平均輸入功率電極電流，不平衡度降低極大地提高黃磷爐的使用壽命，給企業(yè)帶來(lái)了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]楊曉勇，王安旭.黃磷生產(chǎn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，37（7）：57-60.

[2]趙興森，文生平，徐永謙.基于PLC的自動(dòng)配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（4）：962-964.

[3]陳玲.PLC控制在電石爐電極升降控制中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表，2015，42（12）：1377-1379.

[4]范雪崗.PAC3iGE系列PLC在集中控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].山西焦煤科技，2010，34（12）：41-45.

[5]李童玉，儲(chǔ)李德，葉賽，等.Profibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線在定量給料機(jī)上的應(yīng)用[J].水泥，2012（12）：56-57.

[6]趙青梅，潘紅娟.PLC在原料輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].工業(yè)計(jì)量，2002（5）：24-25.

[7]陳萬(wàn)春，白紅剛.PLC在電爐電極自動(dòng)升降控制中的應(yīng)用[J].一重技術(shù)，2006（3）：68-69.