横河控制系统在澳斯麦特熔炼过程中的应用

王雁飞，陈 贶

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

1 某冶炼厂澳斯麦特熔炼工艺简介

澳斯麦特熔炼技术是一种顶部喷吹浸没熔池冶炼技术，澳斯麦特炉具有高效、节能、生产能力大、污染小、容易实现全厂生产过程的自动化等特点[1]。澳斯麦特熔炼炉是圆柱状炉型，内衬耐火材料，炉壳外通过冷却水套对炉体进行冷却。该冶炼厂铜精矿与煤、石英石、石灰、煤粉等经过配料计算后，通过定量给料机定量输送至炉内，在1 200 ℃温度下进行熔炼，熔炼形成的铜锍和炉渣进入沉降电炉分离。电炉上部的渣通过溢流口排出，经水淬后送至渣选矿工序处理。电炉下部的冰铜放出后进入吹炼工序处理。

2 熔炼区域控制系统介绍

现代冶炼技术随着生产规模的扩大，工艺过程日趋复杂，对生产的控制提出了更高的要求[2]。该厂熔炼区域采用先进的分散式计算机过程控制系统(DCS系统)进行监控。仪表检测与控制信号均引入DCS控制系统,主要电气设备控制信号采用智能保护器通过Profibus-DP通讯或Modbus通讯引入DCS控制系统。设备成套PLC系统通过PROFIBUS-DP或MODBUS协议与DCS控制系统通讯。部分单体的电气设备控制信号直接引入相应的DCS控制系统。

该厂的DCS控制系统采用横河电机公司最新的CENTUM VP系统。CENTUM系列产品经过持续的发展和不断的革新，融合了维护的连贯性和系统的向下兼容性等特点。这是一个综合、高性能的、可以独立操作的控制系统。CENTUM VP控制器具有出色的处理性能和强大的应用存储能力，同时继承了CENTUM系列一贯的品质和稳定性。处理器模块、电源、I/O模块和通信总线都支持冗余配置。每个处理器模块都具有冗余CPU，可以同时执行相同的计算机指令，并且它们的输出不断地进行比较，如果检测到由电子噪声或其他原因引起的任何异常，则启动备用处理器模块实施无缝切换。这将最大限度地减少偏差对过程控制有任何影响的可能性。冗余技术是实现99.999 99%可用性的关键。横河电机为工厂运行和监控提供了一个直观且易于理解的人机界面环境，操作显示窗口和显示器的灵活性可以适应各个方面的操作需求。CENTUM VP基于人机工程学和知识工程提供易于理解的图形画面。凭借这些功能，CENTUM VP能够帮助操作员在运营过程中快速做出准确的决策，有助于提高运营效率。

3 澳斯麦特炉关键控制模块

3.1 喷枪控制

喷枪技术是澳斯麦特的核心技术，该厂喷枪以粉煤作为燃料。喷枪由四层同心套管组成，中心是粉煤，中间是空气和氧气，最外层是套筒风。通过对喷枪的风量，氧量，粉煤量及喷枪枪位的调节，控制对熔池的搅拌，完成熔炼过程[3]。

澳斯麦特DCS系统里喷枪有6个预设的喷枪位置和1个喷枪操作区域：喷枪位置从上至下依次为——喷枪更换位置；喷枪头在炉口位置；喷枪吹扫位置；喷枪点火位置；喷枪保持位置；喷枪挂渣位置；喷枪操作区域。

当喷枪到达预设的喷枪位置时，系统会自动插入对应位置预设的燃料/空气流量。当喷枪到达喷枪操作区域时，根据预定义的程序模式控制喷枪流量和炉子的加料要求。

3.2 加料系统

定量给料机按系统给定的设定料量(SP值)，通过定量给料机(变频电机控制控制圆盘及皮带速度)调节料量，并根据所控制给料机检测的料量与设定料量进行对比，得到偏差值，再根据正负偏差值，控制变频电机的转速，实现料量的自动控制。

在DCS系统喷枪流量计算中是根据加料机的加料量(PV值)来计算澳炉所需的空气需求量。枪内流体控制包括内、外侧风的风量计算与控制，粉煤和载煤风控制，套筒风控制[4]。DCS加料系统在加料机和实际进入炉子的加料之间引入了一个时间延迟(避免物料实际进入炉子前送入空气，从而产生过氧化)。DCS的精确控制要求使用实际进入炉子内的加料量来计算所需要的空气量。模拟加料系统的传送时间是把加料系统分成五个部分，并且判断每一个部分的加料量。当DCS需要停止加料系统，整个加料系统会同时停止所有的加料皮带和定量给料机(炉顶加料机除外)。DCS会记录当前皮带上的料量，以便下次启动加料系统时计算使用。

3.3 炉子冷却水系统

炉子冷却水系统是将流过炉壳冷却水的温差通过DCS计算出来并显示在冷却水系统画面中。温度利用冗余的温度仪表测量。

温度控制回路测量经过回路的温差，并通过使用一个调节阀调整流量来满足设定的温差。一个基础回路上的仪表有：(1)流量调节阀；(2)回水温度(2个冗余测量)；(3)温度选择器(来自两个回水温度测量点)。在供水的总管上测量温度作为所有支管回路的给水温度。每个基础回路的控制原理如图1所示。

图1 炉壳冷却水控制原理

3.4 粉煤喷吹系统

粉煤喷吹系统是经过输送管道通过喷枪用来对澳斯麦特炉精确喷注燃煤。此项目粉煤喷吹装置来自德国克莱德公司。主要由串罐式装填设备，定量精确给煤及输送，喷吹技术三部分组成[5]。该装置控制技术的实现集成在熔炼区域的DCS中。另外粉煤喷吹系统厂家自带一套粉煤的失重控制器PLC模块，用来计算粉煤的喷吹量。该PLC模块与全厂DCS模块之间通过数字和模拟输入/输出信号进行连接。

该喷吹系统由两个压力罐和一个定量给料器组成，可以对澳斯麦特炉进行连续精确的煤粉喷注。压缩空气由旋转给料机出口进入以便沿着输送管道输送粉煤。流化空气用来对两个压力罐中的煤粉进行流化以帮助煤粉流动。旋转定量给料机由一台标准的变频电机驱动。电机由变频器驱动，使得给料机的速度是变化的，因此煤粉的喷吹量是可以控制的，给料机和发送罐安装在称重系统上以便控制系统对煤粉的重量进行监控。失重控制器被连接到称重单元的输出上，这样通过比较操作人员输入控制系统的重量减少速度设定值与实际重量减少速度值对系统的给料量进行控制。失重控制器为了保持设定的煤粉给定量将增加或降低给料机的旋转速度。在发送罐再次装填过程中，失重控制器将接收来自控制系统的信号忽略来自测压元件的信号而工作在测定体积的模式。当再次装填完成后，控制系统将从测定体积模式转换到测定重量模式。安装在旋转给料机驱动轴感应块附近的接近开关给控制系统提供脉冲信号用来计算旋转给料机的转速。操作人员可以在任何时候调整煤粉的喷注速度，给料机的旋转速度也会适当的改变。

当澳斯麦特炉喷枪处于喷枪吹扫位置的时候，这时粉煤喷吹系统会打开相应阀门启动载煤风。当喷枪处于喷枪点火位置的时候，澳斯麦特系统会给出炉子需要的燃煤量。这个燃煤量的设定值会传递给粉煤喷吹系统，当给出的设定值超过量程的5%，系统即会立即自动开启旋转给料机和失重控制器。同时当满足粉煤装料条件时，系统会自动开启装料循环程序。

当澳斯麦特炉需要停止加入粉煤，粉煤喷吹系统会关闭旋转给料机，但是装料循环程序会继续运行直至一个循环周期结束。停止加料后，上述阀门继续保持开启以便将管道内剩余煤粉吹扫出去。当喷枪离开3号位置，关闭阀门。

4 紧急停车系统实现与方案优化

在各熔炼辅助系统中一共有四个紧急停车(ESD)条件传递给熔炼子系统：喷枪系统ESD；尾气处理系统ESD；收尘风机停止状态ESD；冷却水系统ESD。

在熔炼系统中有如下情况也会引发系统ESD：炉壳冷却水温差过大；澳炉高位水箱液位低，各循环水支管的流量低；尾气一氧化碳含量过高；载煤风流量低；粉煤控制回路，氧气控制回路，喷枪风控制回路，套筒风控制故障。

一旦澳炉发生ESD，系统会采取如下操作：停止所有到炉子的加料；联锁停止喷枪的空气流量；如果喷枪在喷枪吹扫位置以下会自动提升喷枪至喷枪吹扫位置；

澳炉系统设置的联锁是保证澳炉安全生产的必不可少的条件。但按照原设计要求设置的联锁条件过多，条件过于苛刻，造成了系统生产时的不必要停车，影响了生产作业率。

对此，根据生产中的运行经验对原联锁条件进行了如下优化。当ESD报警条件产生时，系统不立即触发停车，而是弹出对话框报警提示操作人员产生了何种报警，操作人员可以通过ESD联锁界面查看报警的细节和当前异常的仪表数值。并且ESD报警设置了一定的延迟时间，在延迟时间内操作人员通过排查现场状况(如确定为仪表故障产生的误报警，可选择人工输入模拟的仪表数值)，解决问题后ESD报警信号消除的，可恢复正常生产。

同时针对开炉时，运行不稳定造成系统启动困难，每个ESD联锁回路设置了旁路开关。主控权限的操作人员可以选择旁路不稳定过程的报警条件，待系统平稳运行后再投入联锁条件。此外，还对一些不是必须紧急停车的报警因素(例如炉膛负压，喷枪背压等)取消了停车联锁，改为重要报警信息进行提示和记录。

5 结语

该冶炼厂控制系统连续运行了多年，运行稳定，故障率低，有效的保障了澳炉的安全高效生产。经过改进后的ESD系统也更加有利于生产平稳运行，达到了预期的目标。