基于DCS控制的陽極爐電控系統(tǒng)及應(yīng)用

王國磊 王夏

摘要： 河南中原黃金冶煉廠原采用PLC控制系統(tǒng)和DCS分別控制陽極爐轉(zhuǎn)爐和氧化還原作業(yè)，存在操作人員不能實(shí)時(shí)掌握陽極爐的運(yùn)行狀態(tài)、無交直流電動(dòng)機(jī)切換指示、無爐體轉(zhuǎn)動(dòng)角度位置實(shí)時(shí)顯示、無設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)歷史記錄、設(shè)備聯(lián)動(dòng)性不佳等問題。通過對(duì)基于DCS控制的交流+直流的陽極爐電控系統(tǒng)的改造，實(shí)現(xiàn)了陽極爐轉(zhuǎn)爐的自動(dòng)控制、狀態(tài)顯示、故障診斷、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的全生命周期記錄，并實(shí)現(xiàn)了1套系統(tǒng)控制陽極爐生產(chǎn)，達(dá)到了提高生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)的目的。

關(guān)鍵詞： DCS控制;陽極爐;轉(zhuǎn)爐控制;氧化還原控制;電控系統(tǒng)

?中圖分類號(hào)：TD679????????? ?文章編號(hào)：1001-1277（2021）09-0072-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.11792/hj20210913

???引 言

陽極爐是銅精煉工藝中的主要設(shè)備，其主要生產(chǎn)原料為旋浮吹煉車間生產(chǎn)的粗銅，粗銅含銅98.5 %以上，經(jīng)溜槽至陽極爐進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，生產(chǎn)出含銅99.3 %以上的銅液，再經(jīng)溜槽進(jìn)入圓盤澆鑄系統(tǒng)生產(chǎn)出化學(xué)品質(zhì)、外形質(zhì)量符合電解工序要求的陽極板，送至電解車間進(jìn)一步精煉提純[1]。目前國內(nèi)在陽極爐的設(shè)計(jì)、制造、安裝及使用等方面都取得了較大的發(fā)展[2]。陽極爐電控系統(tǒng)也有較多的應(yīng)用實(shí)例，尤其是隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展及控制手段的多樣化，陽極爐的控制水平在不斷提高。作為有色冶金工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，陽極爐的電氣控制尤為重要，目前應(yīng)用較多的2種控制方式為交流+直流和交流+交流，2種控制方式都有實(shí)際應(yīng)用。河南中原黃金冶煉廠有限責(zé)任公司（下稱“河南中原黃金冶煉廠”）陽極爐原采用PLC（Programmable Logic Controller，PLC）控制系統(tǒng)和DCS（Distributed Control System，DCS） 分別控制陽極爐的轉(zhuǎn)爐和氧化還原作業(yè)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)陽極爐的智能化控制，且不利于生產(chǎn)聯(lián)動(dòng)，在此基礎(chǔ)上對(duì)陽極爐電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，利用DCS實(shí)現(xiàn)陽極爐轉(zhuǎn)爐控制和氧化還原控制，提高陽極爐的生產(chǎn)效率。

1 工程背景

河南中原黃金冶煉廠1#、2#、3#陽極爐采用PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐控制，在使用過程中能基本滿足生產(chǎn)需要，但是也存在一些問題，例如：無交直流電動(dòng)機(jī)的切換指示，無爐體轉(zhuǎn)動(dòng)角度實(shí)時(shí)位置顯示，無轉(zhuǎn)爐電控聯(lián)鎖條件及故障判斷提示，PLC控制系統(tǒng)無設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)歷史記錄。此外，由于PLC控制HMI（Human Machine Interface，HMI）的局限性，操作人員在主控室不能實(shí)時(shí)、完全地掌握陽極爐轉(zhuǎn)爐的運(yùn)行狀態(tài)。陽極爐的氧化還原控制系統(tǒng)是基于DCS控制作業(yè)的，與轉(zhuǎn)爐控制為2個(gè)相互獨(dú)立的控制系統(tǒng)，生產(chǎn)操作聯(lián)動(dòng)效果不好。在陽極爐電控系統(tǒng)技術(shù)改造時(shí)，考慮使用DCS控制陽極爐的轉(zhuǎn)動(dòng)，用1套控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)陽極爐的氧化還原控制和轉(zhuǎn)爐控制，使生產(chǎn)控制更加方便、快捷，提高生產(chǎn)效率，降低事故率。

2 陽極爐電控系統(tǒng)

2.1 DCS控制

陽極爐電控系統(tǒng)采用艾默生公司的DCS，該系統(tǒng)具有可靠性、通用性及開放性等特點(diǎn)，便于系統(tǒng)的組態(tài)及操作控制。DCS由I/O卡件、控制器、操作員站、工程師站、通訊網(wǎng)絡(luò)等組成[3]。

工程師站用于程序開發(fā)、系統(tǒng)診斷、控制系統(tǒng)編程組態(tài)、數(shù)據(jù)庫和畫面的編輯及修改。陽極爐轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)的編程組態(tài)及畫面設(shè)計(jì)在工程師站完成，工程師站將組態(tài)數(shù)據(jù)下載到控制器和操作員站[3]。操作員站裝有陽極爐轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)流程圖、監(jiān)控操作畫面等，可對(duì)陽極爐轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)集中顯示、操作和管理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、報(bào)警、報(bào)警確認(rèn)[4]。

I/O卡件、控制器是實(shí)現(xiàn)控制功能的基本部件，集成在控制機(jī)柜內(nèi)，控制機(jī)柜內(nèi)還包括電源模塊、通訊卡、接線端子等，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制輸出。陽極爐轉(zhuǎn)爐交流控制系統(tǒng)、直流控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等信號(hào)通過硬線連接的方式與DCS連接，如圖1所示，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行信號(hào)和DCS輸出的控制信號(hào)都通過控制器及I/O卡件實(shí)現(xiàn)[5]。

2.2 轉(zhuǎn)爐控制

由于陽極爐工藝控制的復(fù)雜性和重要性， 為確保轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定，轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)多采用冗余控制方式。陽極爐轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)由交流控制系統(tǒng)、直流控制系統(tǒng)、抱閘控制系統(tǒng)3個(gè)系統(tǒng)組成，且交直流控制系統(tǒng)之間有互鎖關(guān)系，不能同時(shí)控制爐子的轉(zhuǎn)動(dòng)。交流控制系統(tǒng)用于在正常生產(chǎn)期間驅(qū)動(dòng)爐體正向旋轉(zhuǎn)或是反向旋轉(zhuǎn)。直流控制系統(tǒng)在交流電動(dòng)機(jī)故障、交流失電、工藝流程中相關(guān)設(shè)備故障時(shí)使用，屬于應(yīng)急事故控制系統(tǒng)。陽極爐控制方式采用3地控制，即主控室、現(xiàn)場(chǎng)、圓盤澆鑄室3地，控制優(yōu)先級(jí)可以選擇，當(dāng)選定某一處操作時(shí)，只有此地有操作權(quán)限，其他兩地不能操作。陽極爐轉(zhuǎn)爐控制電氣設(shè)備由直流啟動(dòng)柜、變頻器啟動(dòng)柜、直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)、操作箱等設(shè)備組成。

2.2.1 交流控制系統(tǒng)

交流控制系統(tǒng)如圖2所示。操作人員可以通過現(xiàn)場(chǎng)控制箱、圓盤澆鑄室控制箱、主控室控制箱來控制陽極爐的轉(zhuǎn)動(dòng)，交流主電動(dòng)機(jī)為變頻控制，可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，爐體的轉(zhuǎn)速分一速、二速、三速3個(gè)檔位，操作人員根據(jù)生產(chǎn)工藝需求選擇合適的速度轉(zhuǎn)動(dòng)陽極爐。在陽極爐轉(zhuǎn)動(dòng)軸上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器和凸輪控制器，旋轉(zhuǎn)編碼器可以顯示爐體的實(shí)時(shí)位置角度，方便操作人員控制爐子;凸輪控制器用來指示陽極爐的7個(gè)重要的生產(chǎn)工藝位置，即正極限位、扒渣位、氧化還原、正常位、出銅位、出銅極限位、反轉(zhuǎn)極限位;極限位為陽極爐轉(zhuǎn)爐的安全限位，限制陽極爐轉(zhuǎn)動(dòng)的安全范圍。控制系統(tǒng)有限位解除功能，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生特殊情況時(shí)，操作人員可以在圓盤澆鑄室解除陽極爐極限位開關(guān)的控制作用，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況任意轉(zhuǎn)動(dòng)爐體，不受極限位開關(guān)的限制。DCS為陽極爐轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)的核心，通過DCS向變頻器發(fā)送指令，控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速。

由于陽極爐爐體比較重，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性較大。爐體在快速停車過程中，由于慣性作用，電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量的再生電能，如果不及時(shí)消耗掉這部分再生電能，其就會(huì)直接作用于變頻器的直流電路部分;輕者，變頻器會(huì)報(bào)故障;重者，則會(huì)損害變頻器。該系統(tǒng)采用在變頻器直流側(cè)加裝制動(dòng)電阻的方法，將再生電能通過專門的能耗制動(dòng)電路消耗在電阻上，轉(zhuǎn)化為熱能以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。這是一種處理再生能量最直接有效的辦法。

2.2.2 直流控制系統(tǒng)

直流控制系統(tǒng)如圖3所示。直流控制系統(tǒng)為應(yīng)急系統(tǒng)，當(dāng)交流電動(dòng)機(jī)故障、交流失電、工藝流程中相關(guān)設(shè)備故障時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)將爐體轉(zhuǎn)動(dòng)至安全位置。虛線框內(nèi)的控制單元與交流控制系統(tǒng)共用，直流控制系統(tǒng)采用串電阻啟動(dòng)方式，電樞回路串電阻啟動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，可以把啟動(dòng)電流限制在允許范圍內(nèi)，但在啟動(dòng)過程中要將電阻分段切除。一般對(duì)于額定功率較小的電動(dòng)機(jī)可采用在電樞回路內(nèi)串聯(lián)電阻的方法啟動(dòng)。直流控制系統(tǒng)為應(yīng)急系統(tǒng)，其控制要求簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，沒有調(diào)速功能，能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，可滿足陽極爐轉(zhuǎn)爐的需求。

陽極爐轉(zhuǎn)爐電控系統(tǒng)設(shè)置抱閘系統(tǒng)，保證陽極爐在非轉(zhuǎn)爐狀態(tài)時(shí)爐體的安全穩(wěn)定，本系統(tǒng)采用電磁式抱閘，即得電松開、失電抱緊，交直流控制系統(tǒng)共用一套抱閘系統(tǒng)。

2.3 氧化還原控制

陽極爐的氧化還原控制由DCS控制的氧化還原閥站實(shí)現(xiàn)，閥站由4根氧化還原槍組成，每根槍由3根管道組成，分別為天然氣、氮?dú)?、壓縮空氣管道，每根管道配置有開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥、壓力表、流量計(jì)，這些儀表全部接入DCS，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。DCS設(shè)置氧化、還原、扒渣、出銅及檢修模式，每種模式對(duì)應(yīng)的天然氣、壓縮空氣、氮?dú)饧尤肓坎煌?，閥門開度不同，主控人員根據(jù)生產(chǎn)需要點(diǎn)擊操作畫面上相應(yīng)的生產(chǎn)模式，DCS會(huì)自動(dòng)完成對(duì)氧化還原閥站的控制實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)需求。例如：在氧化模式時(shí)，預(yù)設(shè)天然氣加入量80 m3/h，壓縮空氣加入量60 m3/h，DCS會(huì)控制管道上的開關(guān)閥自動(dòng)打開，依據(jù)預(yù)設(shè)的氣量通過控制調(diào)節(jié)閥開度精確控制加入氣體的量。當(dāng)進(jìn)入檢修模式時(shí)，閥站所有閥門會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，保證安全生產(chǎn)。

2.4 事故轉(zhuǎn)動(dòng)

當(dāng)爐體處于出銅位置時(shí)，若出現(xiàn)事故轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)（交流失電），則自動(dòng)發(fā)出爐體正轉(zhuǎn)信號(hào)，由直流電動(dòng)機(jī)將爐體轉(zhuǎn)至安全位置（正常位0°）。當(dāng)爐體處于氧化還原位置時(shí)，若出現(xiàn)事故轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，則自動(dòng)發(fā)出爐體反轉(zhuǎn)信號(hào)，由直流電動(dòng)機(jī)將爐體轉(zhuǎn)至安全位置。事故轉(zhuǎn)動(dòng)需在直流控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置事故轉(zhuǎn)動(dòng)功能投入和解除按鈕，只有直流控制系統(tǒng)鎖定在投入狀態(tài)時(shí)，DCS才能在出現(xiàn)事故轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)時(shí)，控制直流電動(dòng)機(jī)自動(dòng)將陽極爐轉(zhuǎn)至安全位置。

2.5 一鍵轉(zhuǎn)爐

DCS可通過凸輪控制器實(shí)時(shí)顯示陽極爐的位置，即工藝生產(chǎn)要求的7個(gè)位置：正極限位、扒渣位、氧化還原、正常位、出銅位、出銅極限位、反轉(zhuǎn)極限位。操作人員可以在條件滿足的情況下，點(diǎn)擊DCS畫面上的任意位置，DCS通過直流電動(dòng)機(jī)將陽極爐轉(zhuǎn)至需要的位置。

3 應(yīng)用效果

DCS配置冗余處理器，現(xiàn)場(chǎng)控制站與中控室電腦采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，滿足了陽極爐轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、控制、報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，中控室的監(jiān)控電腦對(duì)所控制的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行管理和操作，設(shè)備運(yùn)行可靠高效，可確保生產(chǎn)安全[6]。自2020年6月投產(chǎn)使用后，基于DCS控制的轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯：一是陽極板澆鑄效率明顯提高，每爐澆鑄時(shí)間縮短30 min; 二是系統(tǒng)報(bào)警提示功能完善，崗位轉(zhuǎn)爐操作失誤次數(shù)明顯減少;三是設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)庫為生產(chǎn)控制提供數(shù)據(jù)支撐，可根據(jù)生產(chǎn)需要不斷優(yōu)化生產(chǎn)控制指標(biāo);四是系統(tǒng)的自我診斷功能方便維護(hù)人員排查故障，大大提高了維修效率。轉(zhuǎn)爐操作人員可通過電腦實(shí)時(shí)查看爐體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、轉(zhuǎn)動(dòng)方向、位置信息等;維修人員可查看控制系統(tǒng)的故障報(bào)警信息、歷史記錄及電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流、頻率等信息判斷故障點(diǎn)，快速排除故障。

DCS完成了陽極爐的全部生產(chǎn)需求，氧化還原控制及轉(zhuǎn)爐控制可在1臺(tái)操作員站完成，主控人員根據(jù)生產(chǎn)需求進(jìn)行氧化還原操作，同時(shí)可操作轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)控制陽極爐轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置滿足生產(chǎn)，無需2套系統(tǒng)互相切換，提高了工作效率。

4 結(jié) 語

根據(jù)河南中原黃金冶煉廠生產(chǎn)工藝流程中的關(guān)鍵設(shè)備陽極爐的控制要求，基于DCS自主設(shè)計(jì)控制方案，采用冗余控制方式，將陽極爐原有的2套控制系統(tǒng)改為1套，提高了設(shè)備的聯(lián)動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)了陽極爐轉(zhuǎn)爐的3地控制、交直流互為備用控制及事故一鍵轉(zhuǎn)爐控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)陽極爐轉(zhuǎn)爐的自動(dòng)控制、狀態(tài)顯示、故障診斷、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的全生命周期記錄，避免了陽極爐在轉(zhuǎn)爐過程中出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)，為陽極爐的正常生產(chǎn)提供保障。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] ?黃薇.回轉(zhuǎn)式陽極爐的驅(qū)動(dòng)裝置及控制系統(tǒng)[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2003，24（增刊1）：49-52，58.

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Electric control system of anode furnace based on DCS control and its application

Wang Guolei1，2，Wang Xia1，2

（ 1.Henan Zhongyuan Gold Smelter Co. ，Ltd.? ;

2.Henan Provincial Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Gold Resources ）

Abstract： Henan Zhongyuan Gold Smelter used PLC control system and DCS to control anode furnace converter and redox operation respectively，but there were problems，for example operators can not master the operation status of anode furnace in real time，there were no AC/DC motor switching indication and no real-time display of furnace rotation angle position，no equipment operation status data history record，poor equipment linkage and so on.The renovation of the electric control system of anode furnace based on DCS-controlled AC+DC control realized the automatic control，status display，malfunction diagnosis and whole life cycle recording of equipment running status data of anode furnace converter，arriving at a set of system to control the production of anode furnace，improving the production efficiency of anode furnace and achieving the purpose of safe production.

Keywords： DCS control;anode furnace;converter control;redox control;electric control system