贵冶过程控制系统的发展历程及应用

刘海泉

（江西铜业集团股份有限公司 贵溪冶炼厂，江西贵溪 335424）

目前， 典型的冶金自动化控制系统按功能层次可分为过程控制系统、生产管理控制系统、企业信息化系统3 个层面。其中，过程控制系统是其它两个系统的基础，只有奠定牢固的基础，才能将上层系统的作用更好地发挥出来。贵溪冶炼厂(以下简称“贵冶”)建厂伊始就引入当时先进的自控系统， 随后一直紧跟同行业自动化应用的发展趋势。目前，贵冶单厂铜产能规模已跃居国内第一，其自动化控制水平保持在行业领先水平。

1 过程控制系统介绍

在过程控制方面，如今以PLC、DCS、工业控制计算机为代表的计算机控制取代了常规模拟控制，已在冶金企业全面普及[1]。 近年发展起来的现场总线、 工业以太网等技术逐步在冶金自动化系统中应用，分布控制系统结构替代集中控制成为主流。在控制算法上，回路控制普遍采用PID 算法，智能控制、先进控制技术在各冶金窑炉的工艺控制方面有了初步应用，取得了一定成果[2]。 在检测方面，与回路控制、安全生产、能源计量等相关的流量、压力、温度、重量等信号的检测仪表的配备比较齐全。 在过程建模和优化方面，计算机配置率有较大幅度提高。 但是，过程计算机更多地起到了数据汇总、过程监视和打印综合报表的作用。由于冶金过程的复杂性，数学模型的适应性很差，过程优化方面的功能大打折扣。即使高价从国外引进的过程控制系统能充分发挥作用的也不多。

近年来，贵冶技术人员把工艺过程、数学模型、专家经验和智能技术结合起来，在铜冶炼、有色金属冶炼的过程模型和过程优化控制方面取得了一定的成果[3]，但如何保证其长期稳定运行并推广普及还需进一步做工作。

2 贵冶过程控制系统的发展阶段

自1979 年投产至今，贵溪冶炼厂已建厂40 年，其过程自动化控制水平随着贵冶产品产量及质量的提高，也发生了质的变化。该厂自动化建设共经历了3 个发展阶段：

1)投产伊始。1979 年，该厂自动化仪表控制系统采用日本北辰公司(现日本横河公司)生产的EK 系列Ⅱ型电动单元组合式仪表。该套仪表性能优良，在当时国内处于先进水平。 闪速炉模型控制系统采用HOC900 上位机，通过SPC 控制方式，与仪控系统组成了1 套先进、完整的在线式计算机控制系统。 在当时世界范围内的同行业中，仅有日本东予冶炼厂和贵冶成功应用了这项控制技术。

2)20 世纪90 年代中期。 基于计算机、通讯网络和图形显示技术的发展，在70 年代中期开发的DCS系统日臻成熟。 这一阶段，贵冶的EK 系列仪表已投入运行了近十年，正处于故障高发期，维护量和维修成本大幅上升。 此时贵冶二期工程正处于初步设计阶段。 贵冶充分利用1994 年闪速炉冷修时间，将主工艺线上的仪控系统更换成DCS 系统，为在贵冶二期工程中全面推广应用DCS 系统创造条件和积累经验。随着工厂的扩建改造，相应的仪表也进行了技术更新改造，逐步完成了从分体仪表向DCS 系统的升级换代，奠定了贵冶PCS 系统(基础层过程控制系统)的发展基础。

3)进入21 世纪以来。 随着自动化技术的发展，以总线技术为核心的FCS 系统 （现场总线控制系统），因其具有全数字化、智能化以及开放性、互操作性与功能自治性等优越性能，进入成熟推广阶段。贵冶在300 kt 新建项目中引进Deltav FF 和CS3000R3现场总线控制系统，采用FF 总线协议；同时，与太极公司合作，采用全新的面向对象的模块化设计方法，重新设计与构建闪速炉优化控制系统， 使贵冶自动化基础建设又一次跟进世界发展的水平。

目前， 贵冶全厂十几个主要生产车间共采用了30 多套DCS、FCS 系统和20 多套PLC 控制系统，检测调节回路3 000 多个，检测点数15 000 多点， I/O点数近500 00 点，全厂绝大部分机电设备、仪表设备受控于这些系统， 并在流程关联密切的车间或工序之间实现了基础级的网络互连通信。 贵冶过程控制自动化水平处于同行业的较高水平。

3 贵冶过程控制系统的现状及应用

目前，过程控制系统的应用水平高低，主要取决于以下两个方面：1)硬件装备水平。 硬件装备是基础，它的高低决定了过程自动化应用水平的高低。没有好的基础， 再好的控制策略、 优化方案也实现不了。 现在贵冶各生产车间形成了以DCS、FCS、PLC为主，互相结合的控制系统应用现状[4]。 2)过程控制系统与生产的结合应用程度， 即过程控制系统在生产过程中发挥效能的大小。 智能化是工业自动化控制的未来发展趋势之一。 要想实现工厂过程控制的高度智能化，光有好的硬件装备还远远不够，它需要不断地优化工艺操作过程，完善操作方案，充分利用控制系统强大、复杂的控制功能来最大程度地减少人为干预，实现工艺操作与生产的自动化。

近年来，贵冶对原有一些非自动化的生产流程进行了自动化改造， 同时对落后的过程控制系统进行了升级换代， 使全厂的自动化程度有了较大的提升。 但是目前贵冶离工厂过程控制的智能化还有一段距离，主要体现在以下方面：1)很多操作习惯、模式受制于固有、陈旧的思维观念，没有得到及时地改进、优化，阻碍了工厂自动化程度的提高。 2)工艺生产衔接紧密的相关工序的控制操作自动化程度较高，但各工序衔接处的自动化程度不够高。 3)面对一些复杂工艺操作，过多依赖于人的经验判断及操作，没有总结出可以实现自动化操作的具体方案。 针对上述问题，贵冶不断突破陈旧的思维模式，寻求新的发展，同时不断完善、优化工序衔接部分的自动控制，总结规律，细化操作步骤，尽可能实现操作的规范化和自动化。 其具体改进措施如下：

1)改造前，贵冶阳极炉的重油烧嘴上的各类阀门操作都是在现场操作箱上进行操作的，操作人员需要在操作箱上对阀门进行逐一开闭操作，费时费力而且还容易出错。 后来，将这些阀门引入DCS 系统控制，并将操作人员的操作步骤进行程序固化，实现了“一键式”操作。 操作人员只需要在DCS 系统上点击“一键点火、熄火”按钮，重油烧嘴上的各类阀门就会依次动作，完成操作。 此项工作优化了工艺操作、降低操作人员劳动强度。 2)贵冶有很多大型电气设备需要操作人员现场启动。 这种操作方法在以前有助于在现场及时发现意外状况并进行处理。 但现在大型电机设备都配备了很多检测元件， 可对电机的运行状况进行监测，一旦出现异常状况，能够实现自保护停机， 这些保护措施比人的经验更加可靠与稳定。目前，贵冶已有一些大型的电机设备实现了在控制室进行启动操作，如转炉送风机、倾动炉送风机等。 实践证明，其操作的安全性、可靠性能够得到保障。 贵冶闪排风机的调速控制一直以来都是操作人员根据炉膛压力进行调整，并没有真正的自动控制，反观硫酸的3K 风机早已与转炉送风阀实现了联动控制。 因此逐步将这些大型设备纳入自动控制将对贵冶自动化控制水平的发展产生重要影响。

3)铜冶炼前后工序的关联度没有那么紧密，因此以往对过渡环节的控制没有太过关注，但这正是目前贵冶智能化提升的突破点。 近几年贵冶在实现复杂操作步骤程序化方面实施了2 个应用：(1)转炉送停风操作过程较为复杂，一直以来都是操作人员在人工操作。 2013 年，针对转炉送停风过程烟气外泄情况，开展了“转炉送停风自动操作，消除炉口烟气逸漏现象”的攻关项目，最终实现了转炉送停风的自动化操作，缩短了送停风时间，优化了添加冷料的作业操作[5]，消除了人为的影响因素，达到了最大程度上减少转炉炉口烟气外逸的目的。 (2)闪速炉停炉需要操作设备20 多台套。 操作实施起来时间紧，任务重。 在操作过程中，操作人员需要一边操作，一边时刻监视画面，同时还要与其他相关单位进行联络，很容易出现监视不到位的情况， 且一旦受到细微干扰就有可能出现较大失误。 2014 年，针对这一状况，

贵冶实施了“闪速炉一键停炉操作”，通过控制程序将停炉操作的步骤固化，实现了“一键停炉”[6]。 闪速炉“一键停炉”操作可以降低操作人员的劳动强度，缩短操作时间，规范操作步骤，实现操作的精细化、规范化和准确性， 降低因操作不当而对闪速炉炉况及炉体寿命产生的不良影响。

4 结语

铜冶炼的工序、设备繁多，每个工序、设备的操作各不相同，难易程度也各有区别。充分利用强大的过程控制系统硬件装备， 有助于提高过程控制系统与工艺、设备的结合应用程度，使其在生产过程中发挥最大的效能，不断提高铜冶炼过程的智能化程度。未来贵冶还将大力开展对铜冶炼复杂操作程序化的研究及应用，将专家经验固化、操作步骤程序化，从而规范操作标准，降低故障率，提升控制精度、提高生产效率，将技术人员从繁重的日常工作操作中解放出来，使得他们有更多的精力关注如何稳定生产工况，如何优化工艺指标，为工厂创造更大的价值。