和利時HOLLiASMACS-K控制系統(tǒng)在連吹爐煉銅上應(yīng)用

謝文龍

江西瑞林電氣自動化有限公司 江西 南昌 330096

1 MACS-K控制系統(tǒng)介紹

HOLLiASMACS-K系列分布式控制系統(tǒng)(下稱MACS-K系統(tǒng))是和利時公司在總結(jié)十多年用戶需求和多行業(yè)的應(yīng)用特點(diǎn)，綜合體現(xiàn)了離散過程和連續(xù)過程自動化的要求，積累四代DCS系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，全面繼承以往系統(tǒng)的高可靠性和方便性，充分吸取國際工業(yè)電子技術(shù)和工業(yè)控制技術(shù)的最新成果，嚴(yán)格遵循國際先進(jìn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，綜合自身核心技術(shù)與國際先進(jìn)技術(shù)而推出的第五代DCS系統(tǒng)。

2 工藝簡介

2.1 側(cè)吹爐工藝 富氧側(cè)吹爐風(fēng)口均勻分布側(cè)吹爐墻，一次風(fēng)口位于熔池液面以下，富氧空氣吹入熔體中，銅精礦中的硫化物氧化、造渣以及燃料的燃燒反應(yīng)都在熔體中進(jìn)行。

按一定比例混合均勻的原料(精礦、煙塵、吹煉渣、石英等)和燃料(煤)由皮帶經(jīng)爐頂?shù)募恿峡诩尤霠t內(nèi)，進(jìn)入爐內(nèi)的物料經(jīng)高溫?zé)煔飧稍锖舐淙肴鄢貎?nèi)，富氧壓縮空氣從爐墻兩側(cè)沒入熔體中的風(fēng)口送人爐內(nèi)，在富氧壓縮空氣的作用下，熔體在劇烈攪拌，在熔體內(nèi)形成氣-液-固三相間的傳質(zhì)、傳熱過程，完成造渣、造硫反應(yīng)。產(chǎn)生的熔煉渣通過溜槽流入渣包車，產(chǎn)生的冰銅通過溜槽流入吹煉爐，產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)余熱鍋爐送煙氣制酸系統(tǒng)。

2.2 頂吹爐工藝 吹煉爐利用熔煉爐產(chǎn)生的冰銅為原料，進(jìn)行進(jìn)一步除雜質(zhì)，最后出來粗銅流入陽極爐。主要反應(yīng)過程為造渣期和造銅期，造渣期主要加入石英石、殘極(電解完剩下的陽極板)和冰銅一起與26%的氧氣控制進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生渣、SO2氣體，高溫?zé)煔饨?jīng)余熱鍋爐送煙氣制酸系統(tǒng)；造銅期是繼續(xù)吹入26%的氧氣與溶體反應(yīng)，提高溶體含銅純度。

3 總體控制方案

MACS-K系統(tǒng)采用全冗余、多重隔離等可靠性設(shè)計技術(shù)，并吸收了安全系統(tǒng)的設(shè)計理念，從而保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。同時，系統(tǒng)集成冶金、電力、化工、建材等各行業(yè)的先進(jìn)控制算法平臺，為工廠自動控制和企業(yè)管理提供深入全面的解決方案，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、設(shè)備和安全三大目標(biāo)的最佳協(xié)調(diào)，幫助用戶實(shí)現(xiàn)最小的全生命周期維護(hù)成本、最大的設(shè)備投資回報。

MACS-K系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、控制運(yùn)算、控制輸出、設(shè)備和狀態(tài)監(jiān)視、報警監(jiān)視、遠(yuǎn)程通訊、實(shí)時數(shù)據(jù)處理和顯示、歷史數(shù)據(jù)管理、日志記錄、事故順序識別、事故追憶、控制調(diào)節(jié)、報表打印、高級計算、以及這些信息的組態(tài)、調(diào)試、打印、下載、診斷等功能。本控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從上圖可以看出，整個冶煉工段配置如下：1臺主工程師站、2臺擴(kuò)展工程師站、8臺操作員站、10套冗余CPU；整個系統(tǒng)負(fù)責(zé)2條銅冶煉生產(chǎn)線的監(jiān)視與操作；操作員站與冗余CPU通訊采用冗余以太網(wǎng)通訊，控制器與IO卡件通訊采用冗余DP網(wǎng)方案；歷史站也是冗余的。

4 系統(tǒng)功能介紹

本控制系統(tǒng)主要完成6個工段控制與監(jiān)視，包括配料工段、側(cè)吹爐工段、頂吹爐工段、鍋爐工段、循環(huán)水工段以、收塵工段、整個系統(tǒng)停風(fēng)報警大聯(lián)鎖。

4.1 配料工段 配料工段主要完成按照工藝需求，把總料量按照一定比例分配到各個精礦倉、輔料倉(焦炭、石英石)，各個倉下皮帶定量控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)下料量，混料皮帶最后把原料送到側(cè)吹爐去；當(dāng)設(shè)定量與瞬時料量進(jìn)行比較，偏差過大時報警。

4.2 側(cè)吹爐工段 動力車間混合好的86%左右的富氧空氣送至側(cè)吹爐爐體熔池中去進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。這里主要是通過富氧空氣控制總流量、氧氣濃度計算出送入爐體的總純氧量，再通過精礦氧料比(一頓銅精礦反應(yīng)耗氧量)、焦氧比(一頓焦炭反應(yīng)耗氧量)、焦率(焦炭與銅精礦比例)、溶劑率(石英石與銅精礦比例)，通過以上參數(shù)計算出需要精礦量、焦炭量、石英石量，實(shí)時分配到各個料倉的定量系統(tǒng)中去。最后實(shí)時計算氧料比、溶劑率、焦率與設(shè)定值進(jìn)行比較，偏差過大時報警。

富氧空氣壓力調(diào)節(jié)主要通過PID對放空閥進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

4.3 頂吹爐工段 動力車間混合好的26%左右的稀氧空氣通過氧槍送至頂吹爐爐體熔池中，一個頂吹爐有6根氧槍，一般情況4用2備。氧槍槍頭有旋轉(zhuǎn)裝置，加快氧氣與溶體的反應(yīng)面積和速度；整個氧槍有卷揚(yáng)裝置，可以用來提升氧槍；氧槍上有拉力測量，可以用來檢查氧槍超重與失重，保證系統(tǒng)安全；氧槍上裝有編碼器，用來測量氧槍的具體位置，及分析氧槍損耗情況，及時對氧槍進(jìn)行檢修。

稀氧空氣壓力調(diào)節(jié)主要通過PID對放空閥進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

4.4 鍋爐工段 余熱鍋爐汽包液位控制是一種常見的三沖量控制(串級+前饋控制)。赤峰云銅項目是側(cè)吹熔煉爐+頂吹吹煉爐+陽極爐(簡稱三連爐工藝)，其中熔煉爐鍋爐與吹煉爐鍋爐公用一個汽包，這樣汽包液位控制變得相對復(fù)雜，受到吹煉爐出銅、鍋爐排污、汽包壓力等因素影響，繼續(xù)采用常規(guī)的三沖量控制，很難滿足生產(chǎn)要求。

優(yōu)化方案理念如下：根據(jù)不同的情況，采取不同控制參數(shù)。相關(guān)參數(shù)說明：汽包液位設(shè)定值SP(單位mm)，汽包液位實(shí)時值PV(單位mm)，三沖量主PID(液位調(diào)節(jié)PID)，三沖量主PID控制參數(shù)(KP-比例系數(shù)，TI-積分時間，KD微分時間)，三沖量主PID調(diào)節(jié)系數(shù)K1，前饋蒸汽流量調(diào)節(jié)系數(shù)K2。

1.當(dāng)SP-PV絕對值小于30時，設(shè)置KP＝0.1，TI＝60S，TD＝180S；

2.當(dāng)SP-PV絕對值大于50時，設(shè)置KP＝0.6，TI＝30S，TD＝120S；

3.當(dāng)SP-PV大于80時，K1＝0.25；

4.當(dāng)SP-PV小于50時，K1＝0.12；

5.當(dāng)SP-PV大于-20時，K2＝1.0；

6.當(dāng)SP-PV小于20時，K2＝0.8；

7.當(dāng)SP-PV絕對值大于30時，K2＝0.9；通過上述方案優(yōu)化，鍋爐汽包液位大部分時間能控制在偏差正負(fù)50mm以內(nèi)，而且當(dāng)工況發(fā)生變化時，控制回路能迅速有效地做出正確的調(diào)節(jié)。液位趨勢圖如下

4.5 循環(huán)水工段 這里兩條冶煉生產(chǎn)線，使用3臺高壓變頻循環(huán)泵、2臺柴油水泵、高位水塔及柴油發(fā)電機(jī)組確保熔煉爐循環(huán)水系統(tǒng)不斷水，保證生產(chǎn)安全。

3臺高壓變頻循環(huán)泵控制如下：當(dāng)本臺泵處于自動時，檢測到運(yùn)行的循環(huán)泵停機(jī)時，立即啟動。

2臺柴油泵控制如下：當(dāng)本臺泵處于自動時，檢測到運(yùn)行的循環(huán)泵全部停機(jī)或者高位水塔液位低于設(shè)定值超過5S時，立即啟動。

4.6 停風(fēng)報警大聯(lián)鎖 以下任一條件發(fā)生時，將觸發(fā)停風(fēng)警報。

1)在停風(fēng)報警聯(lián)鎖1按鈕投入時，配料主皮帶其中一臺或以上未運(yùn)行；

2)在停風(fēng)報警聯(lián)鎖2按鈕投入時，系統(tǒng)熔煉爐供風(fēng)主管壓力小于設(shè)定值100KPa；

3)在停風(fēng)報警聯(lián)鎖3按鈕投入時，系統(tǒng)熔煉高排風(fēng)機(jī)2臺均未運(yùn)行；

4)在停風(fēng)報警聯(lián)鎖4按鈕投入時，環(huán)集風(fēng)機(jī)未運(yùn)行風(fēng)機(jī)；

5)在停風(fēng)報警聯(lián)鎖5按鈕投入時，二系統(tǒng)熔煉供風(fēng)主管流量小于設(shè)定值15000m3/h；

6)在停風(fēng)報警聯(lián)鎖6按鈕投入時，二氧化硫風(fēng)機(jī)停機(jī)信號激活時；

7)在停風(fēng)報警聯(lián)鎖7按鈕投入時，鍋爐主蒸汽壓力大于設(shè)定值5.2MPa；

8)在停風(fēng)報警聯(lián)鎖8按鈕投入時，系統(tǒng)熔煉鍋爐循環(huán)水泵出口流量小于設(shè)定值1000m3/h；

9)在停風(fēng)報警聯(lián)鎖9按鈕投入時，系統(tǒng)吹煉鍋爐循環(huán)水泵出口流量小于設(shè)定值500m3/h；

10)畫面上點(diǎn)擊警報試驗(yàn)按鈕(含熔煉停風(fēng)報警或吹煉一鍵停風(fēng)報警)；

11)在停風(fēng)報警聯(lián)鎖10按鈕投入時，系統(tǒng)吹煉高排風(fēng)機(jī)2臺均未運(yùn)行；

12)操作員通過消除警報按鈕，取消停風(fēng)警報；

13)在停風(fēng)報警聯(lián)鎖91按鈕投入時，系統(tǒng)熔煉風(fēng)機(jī)停機(jī)信號A或者B產(chǎn)生時。

5 停風(fēng)聯(lián)鎖控制

5.1 熔煉爐主放空閥停風(fēng)聯(lián)鎖，聯(lián)鎖條件為上述條件1)、3)、4)、6)、7)、8)、9)、13)任一條件發(fā)生，將執(zhí)行以下動作：

1)一次風(fēng)主放空閥(450放空閥)將觸發(fā)主放空閥壓力調(diào)節(jié)PID投自動調(diào)節(jié)模式，SP設(shè)置為100KPa，3秒后操作員可以修改SP值或者將PID切換至手動模式；

5.2 當(dāng)供風(fēng)主管壓力大于135KPa時，將觸發(fā)主放空閥壓力調(diào)節(jié)PID投自動調(diào)節(jié)模式，SP設(shè)置為130KPa，3秒后操作員可以修改SP值或者將PID切換至手動模式；

5.3 當(dāng)上述條件2)、5)任一條件發(fā)生時，將聯(lián)鎖切換主放空閥為手動，并給定閥門開度為0.

停風(fēng)報警圖如下：

6 結(jié)論

銅冶煉控制對DCS的穩(wěn)定性要求比較高，實(shí)踐表明，該系統(tǒng)能夠滿足自動控制要求，并且具有先進(jìn)、可靠、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)。