DCS在20000kVA内燃式电石炉电气控制上的应用

王 琦

（贵州开磷遵义碱厂，贵州 遵义 563004）

1 项目改造的背景

DCS（Distributed Control System，分散控制系统）是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统。是计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术等相结合的产物，可提供窗口友好的人机界面和强大的通讯功能，是完成过程控制和过程管理的现代化系统控制设备，在各行业、各领域应用非常广泛。但是，这一控制技术在大型内燃式电石炉上的应用还很少见。

贵州开磷遵义碱厂下属的生产一部是专业的电石生产部门，整个生产系统拥有3台20 000 kVA内燃式电石炉，具有12万t/a的产能，装置于2004年建成投产。该生产线的整个控制系统原设计使用PLC控制系统，经过多年运行，发现PLC系统虽然有控制简单、单元独立、便于维护、投资较小等优点，但该系统相对封闭，其产品升级难度大、控制容量偏小、扩展性能差。PLC控制系统的优势在于对开关量的控制，但对模拟量的控制和运算就显得略有不足，并且系统程序受厂家知识产权密码保护，让使用方在系统维护和技术改造上设置了很高的壁垒。

2009年，由于受国际金融危机的影响，整个生产系统全面停产，2010年6月，企业决定恢复生产。但由于停产时间太长，设备损坏严重，尤其是PLC装置器件受损最为严重。鉴于设备存在的问题和多年来系统运行过程中发现的缺陷和问题，以及今后技术升级、产能扩展等各方面的考虑，决定将现有电石炉的PLC控制系统全面升级改造为DCS。

2 系统构成概况

该项目采用的是浙江中控技术股份有限公司ECS100系统，操作系统平台为Windows2000。本系统是电石生产从原料工序到电炉工序整个生产过程的监视、控制和操作系统，由1个控制站和4个操作站组成，各操作站点均为热冗余。主要系统板块包括原料制备全流程运行监视、碳素原料烘干塔的自动控制、碳素原料自动配料、电炉液压系统自动控制、电炉气压系统自动控制、电极升降系统控制、电极压放系统控制、炉前自动配料系统、循环水水压和水温实时监控、电炉烟气温度实时监控、电炉运行电气参数实时监控、除尘净化系统运行工况实时监控、历史记录查询、运行报表自动生成等。

3 关键控制点的实施方案

在项目的设计和改造过程中，充分利用DCS系统的优势，弥补原PLC系统的不足和盲点，结合实际生产的需要，解决了许多长期制约电石生产控制系统中的难点问题。

3.1 电极压放系统

电极带电压放装置是电石炉控制系统中最重要的装置之一，其稳定性和可靠性对电炉的操作影响非常大。由于PLC系统无法解决压放量的检测问题，电极压放操作非常复杂，需要多人在不同的操作位置相互密切配合方能完成，并且由于冶炼炉是一个高电流、强磁场的设备，对通讯设备的干扰很大，导致电极压放事故时常发生。此次改造，充分利用DCS在模拟量运算控制方面的优势，引入了位移变送器这一测量设备，并将整个电极压放装置所有的操作控制全部植入DCS操作站，电仪工在操作站显示器上能精确地看到上、下摩擦环的位置、压放油缸的距离以及压放余量等参数，并通过鼠标操作电极压放的设备。为了确保安全，还在上、下摩擦环的放松与抱紧；导电鄂板的全松与微松之间均设置了互锁程序，电仪工与炉面主操简单配合就能轻松、安全地完成电极压放操作，极大地提高了工作的安全性。

3.2 碳素原料烘干系统

碳素原料烘干塔进风温度的自动控制一直是原系统的缺陷，碳素原料烘干系统的热源利用的是电石炉排出的高温烟气，由于内燃式电石炉炉况变化较大，烟气温度不太均匀，多年来，烘干塔的运行完全依靠人工方式手动进行混风调整，这样的操作方式导致碳素原料水分指标波动极大，烘干塔运行极不稳定。由于受人为因素影响，时常发生烘干塔内物料燃烧，甚至烧损尾气除尘器滤带等重大设备事故。根据DCS模拟量控制功能强大的特点，将烘干塔进风温度采用由温度信号引导电动执行机构进行线性控制，完全实现了烘干进风温度的自动化控制。改造后，无论进风烟气温度如何变化，自动混风均能保证进口温度始终处于设定的温度区间，同时，加入了烘干塔出口温度升高报警装置，确保了尾风滤带的安全运行。

3.3 炉前配料系统

炉前配料系统是整个电石炉生产过程中至关重要的一个控制环节，主要的作用是将入炉原料中的生石灰和碳素料按照设定的比例和料量自动配制完成后，由炉面工根据需要，下指令添加入炉。其运行的稳定性、连续性及其精准度对电石炉的生产影响都非常大。该环节主要的控制难点在于以某个指标值为控制基准，对电磁振动给料机的加料频率进行控制，达到精准配料的目的。原PLC系统采用的是以石灰料量为基准的控制方式，该方式最大的缺陷在于以单一的基准指标值作控制一旦出现固定指标超差，就会导致自动方式停止。如以100 kg石灰为基准，按67%的配料比为控制值，原系统以石灰量为基准，慢加提前量为10 kg，正常配料情况下，当石灰加料至90 kg时，给料机由快加转为慢加至100 kg停止，碳素料加至57 kg时，给料机由快加转为慢加至67 kg停止，达到配比配料结束。但给料机加料利用的是电磁振动原理，加料的振动频率是由设定的电磁线圈电压确定的，不便于随时更改，尤其在碳素料加料时，由于碳素料中的含水量、煤焦比等的变化，其给料的溜动速度会变化，时常形成投入的料量超过设定的基准值时，自动控制就会停止，必须由操作人员将配料方式转为手动控制，配平后方能转为自动。这一方式大大降低配料系统的自动化程度，影响配料精度和增加配料时间，对电石炉生产影响较大。鉴于此，在本次改造中，提出以双基准值控制的方式来进行炉前配料。经过实践证明：（1）单批次投料量的数量误差在20%以内时，对电炉操作不构成影响；（2）石灰在系统中需要破碎和筛分并且不含水分，所以，电振给料机加料时的溜动速度相对稳定。于是，采用了以石灰基准料量和配料比结合的控制方式进行配料，例如，同样以100 kg石灰为基准料量，配料比67%。如石灰量达到100 kg时，碳素料量应在67 kg时停止，此时，配料如果出现加料超差，碳素量达到了70 kg，配料比就是70%，超过了工艺要求，这时，系统会以慢加料的方式自动添加石灰的量至105 kg，从而满足67%的配料比。 这一配料方式大大提高了配料的自动化程度、配料精准度和配料速度。

3.4 下料系统

原系统下料控制采用的是旋钮开关控制下料阀的方式，这种方式相对简单，但操作人员在下料的同时尚需耙平入炉料，在下料和耙料的同时，往往会忘记关闭下料阀或提前关闭下料阀，出现下料不彻底的情况，会产生如下问题：第一，下料完毕后，不及时关闭下料阀，下料管就会发生烟囱效应，将炉内的高温烟气抽到配料室，造成环境污染甚至损坏设备；第二，所配料未按批次放完就关闭下料阀，会导致偏料，造成配料比不准，影响电炉操作。对此，采用了现场一键指令全自动下料：需要下料时，现场操作员只需将对应料管的现场按钮按动一下，系统就会自动打开下料阀，启动下料皮带机，待本批次料下完后，自动关闭下料阀，开始重新配料。这一控制方式大大减轻了操作者的劳动强度，并确保了配比的精准度和设备运行的安全。

4 问题和不足

DCS系统较原来的PLC系统确实有很多优势，但在电气控制上的应用也存在一些不足和缺陷。（1）DCS系统的响应速度不及PLC系统，在电气开关量控制上略显不足，比如在电极压放过程中控制压放油缸升、降的按钮，用鼠标点击后的控制响应速度较PLC系统明显低；（2）电气运行参数的测量和计量上误差较大。由于电气参数变送装置的采集方式繁琐、采集线路较长、换算过程复杂，在对有功功率、有功电量、无功功率、无功电量、功率因数等电气参数进行测量和计量时与电气仪表比较误差较大，实用性不很强。

5 改造效果与展望

整个改造工程于2010年8月全面完成，虽然还存在一些不足，但改造项目整体上达到了预期的效果，不仅实现了电石生产从原料制备到电炉生产全流程的运行状况监视和控制，而且能够进行历史记录查询、报表自动生成等。该项目的改造成功标志着电石生产装置的控制技术上了一个新的台阶，此次DCS在20 000 kVA内燃式电石炉上的应用改造工程，在贵州省的电石生产行业内尚属首次，不仅提高了现有生产装置的安全、稳定、高效运行，同时也为发展大型密闭电石炉总结了宝贵的经验。