DCS在銅冶煉余熱鍋爐自動給水系統中的應用

　　云銅股份冶煉加工總廠的銅冶煉采用火法冶煉工藝，主要工藝流程為混合銅精礦先進人艾薩爐中熔煉，熔煉產生的冰銅及爐渣混和熔體進入貧化電爐進行沉降分離，再由臥式轉爐將電爐沉降出的冰銅進行吹煉，進一步脫氧脫硫成粗銅、轉爐渣和煙氣。其中粗銅送陽極反射爐精煉．爐渣返電爐。煙氣經余熱鍋爐回收余熱和電收塵器降溫收塵后送到硫酸分廠制酸，余熱鍋爐收下的煙塵經破碎后返回電爐，電收塵器收下的煙塵送入電爐。整個工藝過程屬于非線性、時變、復雜耦合，目前尚未能建立數學模型的生產過程。
　　冶煉生產過程所產生的高溫煙氣與余熱鍋爐的受熱面進行熱量交換，在汽包中進行汽水分離，產出低壓及中壓飽和蒸汽，供蒸汽發電及全廠生產用汽．實現余熱利用，達到節能減排的目的。
　　目前，總廠銅冶煉火法工藝余熱蒸汽管網由9臺低壓余熱鍋爐（電爐1臺、轉爐5臺、反射爐3臺），11個低壓汽包，及4臺中壓余熱鍋爐（轉爐2臺、陽極爐2臺），2個中壓汽包、2個除氧器構成。由于總廠銅冶煉工藝的一些特殊生產情況，使得不同設備的余熱鍋爐存在以下特點：
　　（1）對轉爐吹煉而言，每吹煉一爐銅，需多次搖爐。鍋爐煙氣不穩定，不同生產周期產生的熱量也不同，這樣就造成熱源變化極大，余熱鍋爐汽包水位波動劇烈．經常出現“假水位”。
　　（2）中壓轉爐余熱鍋爐蒸汽的蒸發量不穩定，鍋爐壓力頻繁升降，造成鍋爐給水泵供水壓力同步反方向頻繁變化，使鍋爐水位不能穩定保持，給鍋爐運行帶來了極大的不安全隱患。
　　（3）11個低壓汽包共用1套供水裝置，由于汽包所處位置不在同一層平面上，供水壓力和流量不足時，會造成嚴重的搶水現象。
　　如上所述，總廠余熱鍋爐的自動給水控制實施起來較其它工業鍋爐更困難。因此，在開發過程中使用與工業鍋爐相似而又具有其自身特色的控制方案，實現了對余熱鍋爐自動給水系統的可靠控制。
1 系統功能和結構
1．1 系統功能
　　低壓和中壓余熱鍋爐自動給水控制系統分別采用浙江中控技術有限公司的SUPCON JX一300XDCS和WebField ECS一100 DCS．完成對生產工藝系統的有效控制[1-2]。其實現的系統功能如下：
　　（1）低壓余熱鍋爐汽包給水系統的監測及控制。包括電爐、轉爐、反射爐的汽包水位自動控制，轉爐在搖爐期間的汽包水位自動控制，水泵聯鎖控制以及汽包給水壓力自動控制。
　　（2）中壓余熱鍋爐汽包給水系統的監測及控制。包括轉爐、陽極爐的汽包水位自動控制，汽包蒸汽壓力控制，循環水泵聯鎖控制。
　　（3）中壓余熱鍋爐除氧器系統的監測與控制。包括轉爐、陽極爐的除氧器壓力、水位控制，給水泵聯鎖控制以及出口壓力控制。
　　（4）中壓余熱鍋爐煙氣溫度的監測。
　　（5）生產監測數據相對集中的實時顯示及報警。
　　（6）32藝流程圖對生產工藝流程的直觀顯示及對設備的操作控制。
　　（7）DCS報表。
1．2 系統結構
　　余熱鍋爐自動給水控制系統由工程師站、操作員站、現場控制站、繼電器端子柜及相應的過程控制網絡等組成。其系統結構如圖1所示。
　　工程師站內部裝有相應的組態平臺和系統維護工具，可通過系統組態平臺生成適合于生產工藝要求的應用系統。功能包括：系統生成、數據庫結構定義、程序編制、操作組態、流程圖畫面組態、報表程序編制、系統維護等。
　　操作員站提供操作員完成過程監控管理的人機界面，機內裝有經工程師站組態編譯無誤后傳送過來的流程圖、監控程序文件等，有多窗口畫面顯示功能，實現了生產過程信息集中顯示、操作和管理。現場控制站是控制系統直接與現場設備進行信息交互的I／0處理單元，由主控卡、數據轉發卡、I／0卡件、電源模塊、接線端子板及內部I／O總線等組成，用于完成整個系統在實時運行中的信息采集、控制輸出、現場儀表電源供給等。站內大部分卡件按控制要求進行了冗余配置，確保系統可靠運行。
　　繼電器端子柜用于安裝DCS所需的繼電器、空氣開關，并實現中間端子柜的功能。
　　過程控制網絡SCnet II實現工程師站、操作站和現場控制站的連接．完成信息、控制命令的傳輸與發送，并采用雙重化冗余工業以太網設計，使得信息傳輸可靠、高速[3-4] 。
2 控制原理
2．1 汽包水位控制
2．1．1 低壓余熱鍋爐汽包水位的一般控制方案

　　由于低壓余熱鍋爐自動給水控制為改造項目，考慮到原有工藝參數檢測儀表存在一定的缺陷，還有在銅冶煉的不同生產周期中，爐溫對相應汽包水位的影響為轉爐較大，而電爐、反射爐較小的情況，為了抑制汽包“虛假水位”對調節過程的影響，在控制方案選擇時．轉爐汽包水位控制采用以蒸汽流量作為前饋信號的三沖量串級變PID參數加特殊規則控制的調節方案；而電爐、反射爐汽包水位控制采用單沖量變PID參數加特殊規則控制的調節方案[5]。
　　實踐證明。兩種不同的控制方案對各自的控制對象（汽包水位）均有很好的調節作用，特別是針對特定對象而采取的規則控制。對汽包水位的穩定調節起到了至關重要的作用。在串級控制方案中采用兩個單回路串聯加前饋的形式，增加了系統的靈活性，提高了控制精度，簡化了程序。低壓轉爐汽包水位前饋三沖量串級控制系統方框圖如圖2所示。

2．1．2 變PID參數的作用
　　采用單沖量或是前饋、串級三沖量來控制汽包水位是一種經典的控制理論，但照搬這一理論用在銅冶煉低壓余熱鍋爐汽包水位控制上并沒有取得理想的效果。表現為：若將PID參數用得稍強一點則系統出現頻繁震蕩，若將PID參數用得稍弱一點則有時又不能很好地控制水位。也就是說冶煉過程對汽包水位的擾動太大且不是一種固定的模式，因此不存在一組適應全過程的PID參數。
　　結合現場經驗，經反復編程實現，最終采用變PID加規則的控制方式， 即在不同水位范圍內．對PID回路使用不同的PID參數。特別是針對不同爐子的汽包使用不同的控制規則。收到理想的效果——水位穩定、調節閥動作次數減少，閥門使用壽命延長。
2．1．3 搖爐期間低壓轉爐汽包的水位控制
　　轉爐搖爐期間是轉爐汽包水位控制的特殊時期。這段時期由于轉爐停止吹煉，爐口搖離煙罩，導致沉塵室及煙道溫度大幅度下降，從而使汽包水位急劇下降，蒸發量大幅度減小。
　　針對這一情況，本系統在搖爐期間對汽包給水采用物質平衡原理控制。即當搖爐信號到來時．讓汽包的給水流量等于蒸汽流量，這一過程持續到搖爐信號消失且轉爐進行正常吹煉為止。這樣就保證了汽包水位在搖爐信號到來前與搖爐信號結束后一致。
2．1．4 中壓余熱鍋爐汽包水位的控制方案
　　采用以汽包蒸汽流量為前饋信號．汽包給水流量和汽包水位串級的前饋加串級反饋控制方案。并針對搖爐與不搖爐兩種狀況。設置不同的水位控制設定值，使汽包水位保持在設定范圍之內。同時增加轉爐和陽極爐吹煉或停吹的識別信號，在DCS接收到識別信號后，DCS控制程序設置延時2min。因為2min后的鍋爐汽包水位是比較真實的水位，然后DCS再根據鍋爐汽包真實水位進行水位控制。并結合現場儀表的情況及操作員的經驗，對調節回路的輸出進行限幅，使控制平穩、精確，滿足工藝要求。
　　此方案運行后。由于轉爐、陽極爐中壓鍋爐汽包直徑相對于低壓鍋爐汽包直徑較小，加之生產中所產生熱量波動較大等因素，開始很難控制。后經多次與現場工藝人員討論，并在控制方案中借鑒現場操作經驗，加上了部分特殊規則控制用作調整，現在已能實現全程水位自動控制，控制效果良好。
2．2 汽包蒸汽壓力控制
　　以中壓余熱鍋爐汽包蒸汽壓力為被調量，采用單回路PID調節方式。各個獨立的PID調節回路分別控制相對應的蒸汽管網調節閥。通過調節蒸汽調節閥，使汽包蒸汽壓力保持在設定值范圍內。
2．3 水泵聯鎖控制及給水壓力控制
2．3．1 水泵聯鎖控制和汽包給水壓力自動控制
　　低壓余熱鍋爐汽包給水系統現共有7臺水泵。根據工藝要求，正常時只使用3#～7#水泵．現場啟停，水泵狀態信號采集進DCS用于監測。1#、2#水泵為保安泵，正常時不啟動。當主電網停電，保安電源啟動時，DCS控制啟動任意1臺保安泵；并且當供水壓力不足時，聯鎖啟動另1臺保安泵。
　　過去由于給水管路較長，11個低壓汽包共用1套供水裝置。并且多臺水泵各自向某一個汽包給水．造成工人勞動強度大。電耗損失大。鍋爐汽包水位不易保持。工程改造以后，采用Φ133母管供水，每個汽包分別單獨安裝調節閥進行水位控制。并在回水母管上安裝1個壓力調節閥。使用PID調節方式控制汽包給水壓力，通過控制回水母管上的壓力調節閥使汽包給水總管壓力始終不低于1.0MPa。
2．3．2 給水泵、循環水泵聯鎖控制和給水泵出口壓力變頻控制
　　中壓余熱鍋爐汽包給水系統采用常規的水泵啟停聯鎖控制方式。并在控制程序投入聯鎖狀態后，當正在運行的1臺除氧器給水泵出口壓力低于聯鎖設定值且持續時間超過15s時，另1臺給水泵自動啟動；當正在運行的1臺汽包循環水泵出口壓力低于聯鎖設定值或鍋爐循環水流量小于聯鎖設定值且持續時間超過15s時，另1臺循環水泵自動啟動。
　　同時為了使給水泵出口壓力與鍋爐汽包蒸汽出口壓力保持同步，在轉爐和陽極爐給水泵電機上分別增加了一套變頻控制裝置。以給水泵出口壓力和汽包蒸汽出口壓力的差值作為被調量，采用單回路PID調節方式。調節回路的輸出作為變頻器頻率控制設定值賦給安裝在給水泵電機上的變頻器，從而調節給水泵電機的轉速，改變給水泵出EI壓力，使汽包的給水壓力保持在較穩定的狀況。
2．4 除氧器壓力及水位控制
　　除氧器的壓力控制采用定壓運行方式，以除氧器內的蒸汽壓力作為被調量．進入除氧器的蒸汽作為被調介質。除氧器的水位控制則調節進入除氧器的水量，使除氧器水位保持在設定范圍之內。由于調節對象的自平衡能力較強而慣性較小，故采用單沖量單回路PID調節方式，屬常規控制。
3 余熱鍋爐自動給水控制系統與總廠MES的整合
　　總廠為進一步進行企業信息化和生產自動化建設，進行了銅冶煉MES的實施建設。將各分廠原處于“自動化孤島”狀態的主要控制系統在實現了生產工藝過程自動監控的同時，也能共享實時數據、交流生產信息，從而達到生產過程數據信息的現場采集、實時存儲、統一管理和統計分析的目的，并能強化生產計劃及管理，高度集成與生產相關的各類信息，實現生產物流、信息流同步，及時掌握生產現場原始數據，并準確地進行生產組織、指揮和協調，達到精益生產的目的，以提升企業生產管理水平。
3．1 DCS接入MES
　　由于余熱鍋爐自動給水控制系統采用的是浙江中控的控制設備，所以在實現DCS與MES的整合（即DCS接入MES）時也使用了浙江中控提供的OPC軟件及設備。
　　硬件配置為：新增2臺OPC網關．1臺OPC服務器。其中2臺OPC網關分別掛接在SUPCON JX一300X DCS和WebField ECS一100 DCS的過程控制網絡上，并安裝OPC Server和服務器程序OPC—ConnectGate（OPC2TCP數據轉發軟件），作為DCS端的數據轉發站。OPC服務器上安裝客戶端程序MISGate，作為數據接收站。配置結構如圖1所示。
　　2臺OPC網關通過服務器程序采用UDP網絡傳輸協議向客戶端的OPC服務器指定端口發送數據。然后通過MISGate軟件的OPC DA Server功能，對外發布數據，達到由控制網絡向MES網絡傳輸數據的目的。在數據傳輸中，OPC Server將每個數據上加蓋時間標簽，從而保證數據的時間原始性，實現生產歷史追溯的不失真，同時向OPC Clent提供數據。OPC Clent選用美國Wonderware OPC Link。通過OPC Link獲取OPC Server上傳的數據后，以數據位號對應變量名的方式送人數據管理層[6]。
3．2 安全措施
　　傳統OPC是個通用的標準接13，適用于各類應用環境．故采用OPC連接技術作為DCS和MES連接的數據接口。由于OPC服務器具有對DCS實時數據“讀”與“寫”的雙向通訊功能，MES網絡通過OPC服務器向DCS控制站“寫”數據在一定程度上將損害DCS作為控制系統要求相對封閉的安全性要求，為現場生產監控留下安全隱患。而MES網絡數據的實時性和安全性與DCS網絡相比要求相應要低，不希望將DCS實時數據傳輸到MES的同時而降低了DCS的安全性。故最終采用了浙大中控成熟的系統集成解決方案中的“ShadowOPC”軟件技術。此技術實現方法為：在OPC服務器端增加了一個“OPC2TCP”的數據接口．DCS的實時與歷史數據向上發送至OPC服務器后不立即發布到MES網絡中，而是通過“OPC2TCP”后再轉發至MES網絡。MES網絡中的數據則不能通過該數據接口影響DCS。由于“OPC2TCP”數據接13的存在，實際上使得DCS與MES網絡間的數據傳輸成為單向，即“DC．S—MES”。如此大大提高了DCS實時數據的安全性。該技術方案的網絡結構如圖3所示。

　　在系統實施中，為保證生產工藝過程控制和數據通訊的安全，在控制網絡與企業MES網絡的接13處采用了防火墻和防毒墻進行隔離。利用防火墻與防毒墻的功能，實現了控制網絡與MES網絡的安全互連，有效抵御病毒和木馬對控制網絡的入侵。
4 結語
　　（1）云銅低壓余熱鍋爐自動給水控制系統實現了9臺余熱鍋爐共11個汽包遠距離集中自動控制給水。中壓余熱鍋爐自動給水控制系統實現了4臺余熱鍋爐共2個汽包、2個除氧器遠距離自動控制給水，代替了原有的人工控制給水，確保了余熱鍋爐的安全運行。并且對余熱鍋爐以及改造后的低中壓蒸汽管網運行的一些重要參數，如蒸汽壓力、流量、溫度，給水流量、壓力等進行連續監測。而且還提供了趨勢圖、報表等功能，為出現故障時準確分析原因提供了可靠依據。從而為余熱鍋爐的使用、維護、改進提供了準確信息。在余熱鍋爐安全運行、低中壓蒸汽管網的控制管理和節能降耗方面發揮了很好的作用．并為蒸汽發電工程打下了良好的基礎。
　　（2）由于DCS的穩定性，實現了中壓余熱鍋爐自動給水系統操作控制無二次儀表，降低了項目成本。延長了中壓轉爐及陽極爐余熱鍋爐和除氧器的使用壽命，保證了設備的安全運行。系統穩定，提高了工作效率，達到了節能降耗、減員增效的目的。
　　（3）中壓余熱鍋爐DCS配合給水泵電機上增加的變頻控制裝置，使鍋爐的給水壓力保持在較穩定的狀況。既可平穩控制鍋爐汽包水位，又可使給水泵節電20％～80％。
　　（4）低壓和中壓余熱鍋爐自動給水控制系統已順利運行多年。DCS運行效果良好，并具有控制精度高、運行安全平穩、可靠，負載動作時間及次數大幅度減少等特點。未出現因該系統的軟硬件故障而影響生產的情況，滿足了生產工藝的要求。
　　（5）余熱鍋爐自動給水控制系統與MES的整合成功，為總廠MES的完善與拓展打下了堅實的基礎。