橫河控制系統在澳斯麥特熔煉過程中的應用

王雁飛，陳 貺

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

1 某冶煉廠澳斯麥特熔煉工藝簡介

澳斯麥特熔煉技術是一種頂部噴吹浸沒熔池冶煉技術，澳斯麥特爐具有高效、節能、生產能力大、污染小、容易實現全廠生產過程的自動化等特點[1]。澳斯麥特熔煉爐是圓柱狀爐型，內襯耐火材料，爐殼外通過冷卻水套對爐體進行冷卻。該冶煉廠銅精礦與煤、石英石、石灰、煤粉等經過配料計算后，通過定量給料機定量輸送至爐內，在1 200 ℃溫度下進行熔煉，熔煉形成的銅锍和爐渣進入沉降電爐分離。電爐上部的渣通過溢流口排出，經水淬后送至渣選礦工序處理。電爐下部的冰銅放出后進入吹煉工序處理。

2 熔煉區域控制系統介紹

現代冶煉技術隨著生產規模的擴大，工藝過程日趨復雜，對生產的控制提出了更高的要求[2]。該廠熔煉區域采用先進的分散式計算機過程控制系統(DCS系統)進行監控。儀表檢測與控制信號均引入DCS控制系統,主要電氣設備控制信號采用智能保護器通過Profibus-DP通訊或Modbus通訊引入DCS控制系統。設備成套PLC系統通過PROFIBUS-DP或MODBUS協議與DCS控制系統通訊。部分單體的電氣設備控制信號直接引入相應的DCS控制系統。

該廠的DCS控制系統采用橫河電機公司最新的CENTUM VP系統。CENTUM系列產品經過持續的發展和不斷的革新，融合了維護的連貫性和系統的向下兼容性等特點。這是一個綜合、高性能的、可以獨立操作的控制系統。CENTUM VP控制器具有出色的處理性能和強大的應用存儲能力，同時繼承了CENTUM系列一貫的品質和穩定性。處理器模塊、電源、I/O模塊和通信總線都支持冗余配置。每個處理器模塊都具有冗余CPU，可以同時執行相同的計算機指令，并且它們的輸出不斷地進行比較，如果檢測到由電子噪聲或其他原因引起的任何異常，則啟動備用處理器模塊實施無縫切換。這將最大限度地減少偏差對過程控制有任何影響的可能性。冗余技術是實現99.999 99%可用性的關鍵。橫河電機為工廠運行和監控提供了一個直觀且易于理解的人機界面環境，操作顯示窗口和顯示器的靈活性可以適應各個方面的操作需求。CENTUM VP基于人機工程學和知識工程提供易于理解的圖形畫面。憑借這些功能，CENTUM VP能夠幫助操作員在運營過程中快速做出準確的決策，有助于提高運營效率。

3 澳斯麥特爐關鍵控制模塊

3.1 噴槍控制

噴槍技術是澳斯麥特的核心技術，該廠噴槍以粉煤作為燃料。噴槍由四層同心套管組成，中心是粉煤，中間是空氣和氧氣，最外層是套筒風。通過對噴槍的風量，氧量，粉煤量及噴槍槍位的調節，控制對熔池的攪拌，完成熔煉過程[3]。

澳斯麥特DCS系統里噴槍有6個預設的噴槍位置和1個噴槍操作區域：噴槍位置從上至下依次為——噴槍更換位置；噴槍頭在爐口位置；噴槍吹掃位置；噴槍點火位置；噴槍保持位置；噴槍掛渣位置；噴槍操作區域。

當噴槍到達預設的噴槍位置時，系統會自動插入對應位置預設的燃料/空氣流量。當噴槍到達噴槍操作區域時，根據預定義的程序模式控制噴槍流量和爐子的加料要求。

3.2 加料系統

定量給料機按系統給定的設定料量(SP值)，通過定量給料機(變頻電機控制控制圓盤及皮帶速度)調節料量，并根據所控制給料機檢測的料量與設定料量進行對比，得到偏差值，再根據正負偏差值，控制變頻電機的轉速，實現料量的自動控制。

在DCS系統噴槍流量計算中是根據加料機的加料量(PV值)來計算澳爐所需的空氣需求量。槍內流體控制包括內、外側風的風量計算與控制，粉煤和載煤風控制，套筒風控制[4]。DCS加料系統在加料機和實際進入爐子的加料之間引入了一個時間延遲(避免物料實際進入爐子前送入空氣，從而產生過氧化)。DCS的精確控制要求使用實際進入爐子內的加料量來計算所需要的空氣量。模擬加料系統的傳送時間是把加料系統分成五個部分，并且判斷每一個部分的加料量。當DCS需要停止加料系統，整個加料系統會同時停止所有的加料皮帶和定量給料機(爐頂加料機除外)。DCS會記錄當前皮帶上的料量，以便下次啟動加料系統時計算使用。

3.3 爐子冷卻水系統

爐子冷卻水系統是將流過爐殼冷卻水的溫差通過DCS計算出來并顯示在冷卻水系統畫面中。溫度利用冗余的溫度儀表測量。

溫度控制回路測量經過回路的溫差，并通過使用一個調節閥調整流量來滿足設定的溫差。一個基礎回路上的儀表有：(1)流量調節閥；(2)回水溫度(2個冗余測量)；(3)溫度選擇器(來自兩個回水溫度測量點)。在供水的總管上測量溫度作為所有支管回路的給水溫度。每個基礎回路的控制原理如圖1所示。

圖1 爐殼冷卻水控制原理

3.4 粉煤噴吹系統

粉煤噴吹系統是經過輸送管道通過噴槍用來對澳斯麥特爐精確噴注燃煤。此項目粉煤噴吹裝置來自德國克萊德公司。主要由串罐式裝填設備，定量精確給煤及輸送，噴吹技術三部分組成[5]。該裝置控制技術的實現集成在熔煉區域的DCS中。另外粉煤噴吹系統廠家自帶一套粉煤的失重控制器PLC模塊，用來計算粉煤的噴吹量。該PLC模塊與全廠DCS模塊之間通過數字和模擬輸入/輸出信號進行連接。

該噴吹系統由兩個壓力罐和一個定量給料器組成，可以對澳斯麥特爐進行連續精確的煤粉噴注。壓縮空氣由旋轉給料機出口進入以便沿著輸送管道輸送粉煤。流化空氣用來對兩個壓力罐中的煤粉進行流化以幫助煤粉流動。旋轉定量給料機由一臺標準的變頻電機驅動。電機由變頻器驅動，使得給料機的速度是變化的，因此煤粉的噴吹量是可以控制的，給料機和發送罐安裝在稱重系統上以便控制系統對煤粉的重量進行監控。失重控制器被連接到稱重單元的輸出上，這樣通過比較操作人員輸入控制系統的重量減少速度設定值與實際重量減少速度值對系統的給料量進行控制。失重控制器為了保持設定的煤粉給定量將增加或降低給料機的旋轉速度。在發送罐再次裝填過程中，失重控制器將接收來自控制系統的信號忽略來自測壓元件的信號而工作在測定體積的模式。當再次裝填完成后，控制系統將從測定體積模式轉換到測定重量模式。安裝在旋轉給料機驅動軸感應塊附近的接近開關給控制系統提供脈沖信號用來計算旋轉給料機的轉速。操作人員可以在任何時候調整煤粉的噴注速度，給料機的旋轉速度也會適當的改變。

當澳斯麥特爐噴槍處于噴槍吹掃位置的時候，這時粉煤噴吹系統會打開相應閥門啟動載煤風。當噴槍處于噴槍點火位置的時候，澳斯麥特系統會給出爐子需要的燃煤量。這個燃煤量的設定值會傳遞給粉煤噴吹系統，當給出的設定值超過量程的5%，系統即會立即自動開啟旋轉給料機和失重控制器。同時當滿足粉煤裝料條件時，系統會自動開啟裝料循環程序。

當澳斯麥特爐需要停止加入粉煤，粉煤噴吹系統會關閉旋轉給料機，但是裝料循環程序會繼續運行直至一個循環周期結束。停止加料后，上述閥門繼續保持開啟以便將管道內剩余煤粉吹掃出去。當噴槍離開3號位置，關閉閥門。

4 緊急停車系統實現與方案優化

在各熔煉輔助系統中一共有四個緊急停車(ESD)條件傳遞給熔煉子系統：噴槍系統ESD；尾氣處理系統ESD；收塵風機停止狀態ESD；冷卻水系統ESD。

在熔煉系統中有如下情況也會引發系統ESD：爐殼冷卻水溫差過大；澳爐高位水箱液位低，各循環水支管的流量低；尾氣一氧化碳含量過高；載煤風流量低；粉煤控制回路，氧氣控制回路，噴槍風控制回路，套筒風控制故障。

一旦澳爐發生ESD，系統會采取如下操作：停止所有到爐子的加料；聯鎖停止噴槍的空氣流量；如果噴槍在噴槍吹掃位置以下會自動提升噴槍至噴槍吹掃位置；

澳爐系統設置的聯鎖是保證澳爐安全生產的必不可少的條件。但按照原設計要求設置的聯鎖條件過多，條件過于苛刻，造成了系統生產時的不必要停車，影響了生產作業率。

對此，根據生產中的運行經驗對原聯鎖條件進行了如下優化。當ESD報警條件產生時，系統不立即觸發停車，而是彈出對話框報警提示操作人員產生了何種報警，操作人員可以通過ESD聯鎖界面查看報警的細節和當前異常的儀表數值。并且ESD報警設置了一定的延遲時間，在延遲時間內操作人員通過排查現場狀況(如確定為儀表故障產生的誤報警，可選擇人工輸入模擬的儀表數值)，解決問題后ESD報警信號消除的，可恢復正常生產。

同時針對開爐時，運行不穩定造成系統啟動困難，每個ESD聯鎖回路設置了旁路開關。主控權限的操作人員可以選擇旁路不穩定過程的報警條件，待系統平穩運行后再投入聯鎖條件。此外，還對一些不是必須緊急停車的報警因素(例如爐膛負壓，噴槍背壓等)取消了停車聯鎖，改為重要報警信息進行提示和記錄。

5 結語

該冶煉廠控制系統連續運行了多年，運行穩定，故障率低，有效的保障了澳爐的安全高效生產。經過改進后的ESD系統也更加有利于生產平穩運行，達到了預期的目標。