基于DCS控制的阳极炉电控系统及应用

王国磊 王夏

摘要： 河南中原黄金冶炼厂原采用PLC控制系统和DCS分别控制阳极炉转炉和氧化还原作业，存在操作人员不能实时掌握阳极炉的运行状态、无交直流电动机切换指示、无炉体转动角度位置实时显示、无设备运行状态数据历史记录、设备联动性不佳等问题。通过对基于DCS控制的交流+直流的阳极炉电控系统的改造，实现了阳极炉转炉的自动控制、状态显示、故障诊断、设备运行状态数据的全生命周期记录，并实现了1套系统控制阳极炉生产，达到了提高生产效率和安全生产的目的。

关键词： DCS控制;阳极炉;转炉控制;氧化还原控制;电控系统

 中图分类号：TD679           文章编号：1001-1277（2021）09-0072-04

文献标志码：A doi：10.11792/hj20210913

   引 言

阳极炉是铜精炼工艺中的主要设备，其主要生产原料为旋浮吹炼车间生产的粗铜，粗铜含铜98.5 %以上，经溜槽至阳极炉进行氧化还原反应，生产出含铜99.3 %以上的铜液，再经溜槽进入圆盘浇铸系统生产出化学品质、外形质量符合电解工序要求的阳极板，送至电解车间进一步精炼提纯[1]。目前国内在阳极炉的设计、制造、安装及使用等方面都取得了较大的发展[2]。阳极炉电控系统也有较多的应用实例，尤其是随着现代控制技术的发展及控制手段的多样化，阳极炉的控制水平在不断提高。作为有色冶金工艺中的关键设备，阳极炉的电气控制尤为重要，目前应用较多的2种控制方式为交流+直流和交流+交流，2种控制方式都有实际应用。河南中原黄金冶炼厂有限责任公司（下称“河南中原黄金冶炼厂”）阳极炉原采用PLC（Programmable Logic Controller，PLC）控制系统和DCS（Distributed Control System，DCS） 分别控制阳极炉的转炉和氧化还原作业，无法实现对阳极炉的智能化控制，且不利于生产联动，在此基础上对阳极炉电控系统进行改造，利用DCS实现阳极炉转炉控制和氧化还原控制，提高阳极炉的生产效率。

1 工程背景

河南中原黄金冶炼厂1#、2#、3#阳极炉采用PLC控制系统实现转炉控制，在使用过程中能基本满足生产需要，但是也存在一些问题，例如：无交直流电动机的切换指示，无炉体转动角度实时位置显示，无转炉电控联锁条件及故障判断提示，PLC控制系统无设备运行状态数据历史记录。此外，由于PLC控制HMI（Human Machine Interface，HMI）的局限性，操作人员在主控室不能实时、完全地掌握阳极炉转炉的运行状态。阳极炉的氧化还原控制系统是基于DCS控制作业的，与转炉控制为2个相互独立的控制系统，生产操作联动效果不好。在阳极炉电控系统技术改造时，考虑使用DCS控制阳极炉的转动，用1套控制系统实现阳极炉的氧化还原控制和转炉控制，使生产控制更加方便、快捷，提高生产效率，降低事故率。

2 阳极炉电控系统

2.1 DCS控制

阳极炉电控系统采用艾默生公司的DCS，该系统具有可靠性、通用性及开放性等特点，便于系统的组态及操作控制。DCS由I/O卡件、控制器、操作员站、工程师站、通讯网络等组成[3]。

工程师站用于程序开发、系统诊断、控制系统编程组态、数据库和画面的编辑及修改。阳极炉转炉控制系统的编程組态及画面设计在工程师站完成，工程师站将组态数据下载到控制器和操作员站[3]。操作员站装有阳极炉转炉控制系统流程图、监控操作画面等，可对阳极炉转炉控制系统集中显示、操作和管理，实现生产数据监测、报警、报警确认[4]。

I/O卡件、控制器是实现控制功能的基本部件，集成在控制机柜内，控制机柜内还包括电源模块、通讯卡、接线端子等，完成对整个系统的数据采集、控制输出。阳极炉转炉交流控制系统、直流控制系统、现场设备等信号通过硬线连接的方式与DCS连接，如图1所示，现场设备的运行信号和DCS输出的控制信号都通过控制器及I/O卡件实现[5]。

2.2 转炉控制

由于阳极炉工艺控制的复杂性和重要性， 为确保转炉系统的安全、稳定，转炉系统多采用冗余控制方式。阳极炉转炉控制系统由交流控制系统、直流控制系统、抱闸控制系统3个系统组成，且交直流控制系统之间有互锁关系，不能同时控制炉子的转动。交流控制系统用于在正常生产期间驱动炉体正向旋转或是反向旋转。直流控制系统在交流电动机故障、交流失电、工艺流程中相关设备故障时使用，属于应急事故控制系统。阳极炉控制方式采用3地控制，即主控室、现场、圆盘浇铸室3地，控制优先级可以选择，当选定某一处操作时，只有此地有操作权限，其他两地不能操作。阳极炉转炉控制电气设备由直流启动柜、变频器启动柜、直流电动机、交流电动机、操作箱等设备组成。

2.2.1 交流控制系统

交流控制系统如图2所示。操作人员可以通过现场控制箱、圆盘浇铸室控制箱、主控室控制箱来控制阳极炉的转动，交流主电动机为变频控制，可以实现正反转控制，炉体的转速分一速、二速、三速3个档位，操作人员根据生产工艺需求选择合适的速度转动阳极炉。在阳极炉转动轴上安装旋转编码器和凸轮控制器，旋转编码器可以显示炉体的实时位置角度，方便操作人员控制炉子;凸轮控制器用来指示阳极炉的7个重要的生产工艺位置，即正极限位、扒渣位、氧化还原、正常位、出铜位、出铜极限位、反转极限位;极限位为阳极炉转炉的安全限位，限制阳极炉转动的安全范围。控制系统有限位解除功能，当现场发生特殊情况时，操作人员可以在圆盘浇铸室解除阳极炉极限位开关的控制作用，根据现场情况任意转动炉体，不受极限位开关的限制。DCS为阳极炉转炉控制系统的核心，通过DCS向变频器发送指令，控制电动机正反转及调速。

由于阳极炉炉体比较重，转动惯性较大。炉体在快速停车过程中，由于惯性作用，电动机会产生大量的再生电能，如果不及时消耗掉这部分再生电能，其就会直接作用于变频器的直流电路部分;轻者，变频器会报故障;重者，则会损害变频器。该系统采用在变频器直流侧加装制动电阻的方法，将再生电能通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上，转化为热能以实现制动。这是一种处理再生能量最直接有效的办法。

2.2.2 直流控制系统

直流控制系统如图3所示。直流控制系统为应急系统，当交流电动机故障、交流失电、工艺流程中相关设备故障时，直流电动机将炉体转动至安全位置。虚线框内的控制单元与交流控制系统共用，直流控制系统采用串电阻启动方式，电枢回路串电阻启动设备简单，操作方便，可以把启动电流限制在允许范围内，但在启动过程中要将电阻分段切除。一般对于额定功率较小的电动机可采用在电枢回路内串联电阻的方法启动。直流控制系统为应急系统，其控制要求简单、稳定，没有调速功能，能实现正反转控制，可满足阳极炉转炉的需求。

阳极炉转炉电控系统设置抱闸系统，保证阳极炉在非转炉状态时炉体的安全稳定，本系统采用电磁式抱闸，即得电松开、失电抱紧，交直流控制系统共用一套抱闸系统。

2.3 氧化还原控制

阳极炉的氧化还原控制由DCS控制的氧化还原阀站实现，阀站由4根氧化还原枪组成，每根枪由3根管道组成，分别为天然气、氮气、压缩空气管道，每根管道配置有开关阀、调节阀、压力表、流量计，这些仪表全部接入DCS，可实现远程自动控制。DCS设置氧化、还原、扒渣、出铜及检修模式，每种模式对应的天然气、压缩空气、氮气加入量不同，阀门开度不同，主控人员根据生产需要点击操作画面上相应的生产模式，DCS会自动完成对氧化还原阀站的控制实现生产需求。例如：在氧化模式时，预设天然气加入量80 m3/h，压缩空气加入量60 m3/h，DCS会控制管道上的开关阀自动打开，依据预设的气量通过控制调节阀开度精确控制加入气体的量。当进入检修模式时，阀站所有阀门会自动关闭，保证安全生产。

2.4 事故转动

当炉体处于出铜位置时，若出现事故转动信号（交流失电），则自动发出炉体正转信号，由直流电动机将炉体转至安全位置（正常位0°）。当炉体处于氧化还原位置时，若出现事故转动信号，则自动发出炉体反转信号，由直流电动机将炉体转至安全位置。事故转动需在直流控制系统内设置事故转动功能投入和解除按钮，只有直流控制系统锁定在投入状态时，DCS才能在出现事故转动信号时，控制直流电动机自动将阳极炉转至安全位置。

2.5 一键转炉

DCS可通过凸轮控制器实时显示阳极炉的位置，即工艺生产要求的7个位置：正极限位、扒渣位、氧化还原、正常位、出铜位、出铜极限位、反转极限位。操作人员可以在条件满足的情况下，点击DCS画面上的任意位置，DCS通过直流电动机将阳极炉转至需要的位置。

3 应用效果

DCS配置冗余处理器，现场控制站与中控室电脑采用工业以太网通讯，满足了阳极炉转炉的生产需求，实现了设备运行实时数据显示、控制、报警、数据存储等功能，中控室的监控电脑对所控制的生产设备进行管理和操作，设备运行可靠高效，可确保生产安全[6]。自2020年6月投产使用后，基于DCS控制的转炉系统优势明显：一是阳极板浇铸效率明显提高，每炉浇铸时间缩短30 min; 二是系统报警提示功能完善，岗位转炉操作失误次数明显减少;三是设备运行參数的历史数据库为生产控制提供数据支撑，可根据生产需要不断优化生产控制指标;四是系统的自我诊断功能方便维护人员排查故障，大大提高了维修效率。转炉操作人员可通过电脑实时查看炉体的转动角度、转动方向、位置信息等;维修人员可查看控制系统的故障报警信息、历史记录及电动机的运行电流、频率等信息判断故障点，快速排除故障。

DCS完成了阳极炉的全部生产需求，氧化还原控制及转炉控制可在1台操作员站完成，主控人员根据生产需求进行氧化还原操作，同时可操作转炉系统控制阳极炉转到相应的位置满足生产，无需2套系统互相切换，提高了工作效率。

4 结 语

根据河南中原黄金冶炼厂生产工艺流程中的关键设备阳极炉的控制要求，基于DCS自主设计控制方案，采用冗余控制方式，将阳极炉原有的2套控制系统改为1套，提高了设备的联动性，实现了阳极炉转炉的3地控制、交直流互为备用控制及事故一键转炉控制，同时实现阳极炉转炉的自动控制、状态显示、故障诊断、设备运行状态数据的全生命周期记录，避免了阳极炉在转炉过程中出现安全风险，为阳极炉的正常生产提供保障。

[参 考 文 献]

[1]  黄薇.回转式阳极炉的驱动装置及控制系统[J].有色冶金设计与研究，2003，24（增刊1）：49-52，58.

[2] 刘忠新，陈立军，周长勇.铜转炉控制系统的改进[J].甘肃冶金，2011，33（1）：115-117.

[3] 张鹏.基于DeltaV系统平台的炼铜转炉控制系统[J].有色设备，2015（1）：11-14.

[4] 黄洁.Control Logix控制系统及其应用[J].冶金自动化，2003（增刊1）：211-212.

[5] 刘卫民，彭方滨.基于Control Logix平台的控制系统在阳极炉技改中的应用[J].昆明冶金高等专科学校学报，2009，25（5）：52-57.

[6] 吕有忠.铜冶炼转炉电控系统的功能实现[J].自动化应用，2012（11）：69-71，73.

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