电气自动化技术在黄金精炼厂中的应用.pdf

4 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m r n ．c n 2 0 1 2 年9 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．0 9 ．0 1 2 电气自动化技术在黄金精炼厂中的应用 邹国斌，高扬，鄂建新，王庆凯 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘要阐述了电能计量、总线通讯、无扰切换等电气自动化技术在山东黄金精炼厂的应用情况。生产实 践表明，该技术的成功应用促进了企业的生产管理和节能降耗，提高了企业的经济效益。 关键词电气自动化；电能计量；总线技术；无扰切换；黄金；应用 中图分类号T P 2 9 ；T F 8 3 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 1 2 0 1 2 0 9 0 0 4 4 0 4 A p p l i c a t i o no fE l e c t r i cA u t o m a t i z a t i o nT e c h n o l o g y i nG o l dR e f i n e r y Z O UG u o b i n ，G A OY a n g ，EJ i a n x i n ，W A N GQ i n g k a i B e l l i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 tC h i n a A b s t r a c t T h ea p p l i c a t i o n so fe l e c t r i ca u t o m a t i z a t i o nt e c h n o l o g y ，i ．e ．e l e c t r i ce n e r g ym e a s u r e m e n t ，f i l e d b u st e c h n o l o g y ，a n db u m p l e s ss w i t c h i n ge t c ，i nG o l dR e f i n e r yo fS h a n d o n gG o l dM i n i n gC o ．，L t dw e r e e l a b o r a t e d ．T h ep l a n tp r a c t i c eS H O W St h a tw i t ht h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no ft h i st e c h n o l o g y ，t h ee n t e r p r i s e ’Sm a n u f a c t u r i n gm a n a g e m e n t i si m p r o v e d ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni sr e d u c e d ，a n dt h ee c o n o m i cb e n e f i ti si m p r o v e dd r a m a t i c a l l y ． K e yw o r d s e l e c t r i ca u t o m a t i z a t i o n ；e l e c t r i ce n e r g ym e a s u r e m e n t ；f i l e d b u st e c h n o l o g y ；b u m p l e s s s w i t c h i n g ；g o l d ；a p p l i c a t i o n 2 0 世纪宋期，随着变频器、软启动器等电机控 制设备的智能化，电气自动化技术也有了飞速发展， 在远程控制、设备管理、节能减耗等方面都有很大的 突破[ 1 - Z ] 。先进的电气自动化技术运用于黄金选冶 行业，将会带来生产管理、节能减耗等方面的革新。 山东黄金矿业股份有限公司12 0 0t ／d 金精矿 综合回收利用项目将建成亚洲第一大黄金精炼厂， 建成后年产铜精矿27 5 8t 、铅精矿25 0 6t ，含硫 3 8 ％的硫精矿73 3 6t 、2 9 ％的硫精矿4 0 ．7 4 万t ，年 产国标18 金2 4 ．7t ，国标18 银2 5 ．0 3t 。其生产流 程包括磨矿浮选、氰化置换和冶炼三大段L 3 J ，工艺流 程长而复杂，车间众多，工艺设备复杂，对电气控制 和节能管理的要求很高。 精炼厂电气系统设计范围包括磨矿、浮选、置换 收稿日期2 0 1 2 0 3 0 9 作者简介邹国斌 1 9 8 4 一 ，男，江西赣州人，硕士，助理工程师 与脱水、氰化、空压机、硫精矿压滤、地热空调、办公 区等8 个动力中心。成套的电气系统包括在8 个 动力中心安装的1 2 0 台低压柜、3 6 0 台现场操作箱， 4 0 0 个电气回路。作为我国乃至亚洲最先进的精炼 厂，其电气自动化系统的先进性、可靠性对整个项目 的成败有重大影响。北京矿冶研究总院负责设计该 项目电气自动化系统 以下简称本系统 ，采用国际 知名品牌的控制设备和低压元器件，并成功应用了 电能计量、总线通讯、无扰切换等先进的电气自动化 技术。 1 系统组成 本系统以动力中心变压器低压出线侧为上界， 包括8 个动力中心的电气柜、现场操作箱及电气设 万方数据 2 0 1 2 年9 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 5 备配线。动力中心低压柜体采用M N S 框架结构， 分为进线柜、电容柜和馈电柜。进线柜使用带智能 电子脱扣单元的空气断路器，在线路出现短路、接地 等故障时对其站内设备提供保护功能。电容柜设有 功率因数检测和控制装置，能够实时监测负载的功 率因数，采用自动或手动改变投入电容数量的方式 补偿系统功率因数，确保电网质量。馈电柜根据电 机回路控制方式分为变频柜、软启柜和抽屉柜3 种。 电机直启回路全部采用智能型马达保护器。变频 器、软启动器、马达保护器均选用具有P r o f i b u s D P 远程通信接口的知名品牌，通过D P 总线实现与现 场总线控制系统 F C S 系统 的连接[ 3 ] 。现场操作 箱实现就地控制功能并具备远程／就地切换权限； F C S 系统实现对电气设备的远程控制，获取设备运 行参数及故障诊断信息，并对电气设备进行智能化 管理。各控制回路的远程就地切换控制权唯一且双 向无扰。各进线柜和大功率回路安装电能参数测量 仪，对进线框及所有大功率回路的电量消耗进行计 量，并通过总线将测量数据传至电能计量系统，实现 能耗统计。 2 电能计量 节能减耗是所有生产企业特别是黄金精炼厂这 类高耗能企业关心的问题。优化电能消耗，需要获 取详细准确的电能测量数据。对于以感性负载为主 且包含中频炉等强烈影响电网谐波的选冶设备的电 气系统来说，为实现精确的电能计量，必须着重关注 谐波对电能计量系统的影响。 根据电气工程基础知识，可将电压、电流信号表 述为式 1 所示 KK f “ ￡ 一∑“； ≠ 一∑U k s i n 2 7 r k f 。￡ l。 。 l i ￡ ∑i 。 ￡ 一∑j s i n 2 7 r k f 。￡一体 1 式中 为基波频率，取5 0H z ，似为第是次谐波电 流和电压的相位差，K 为供电系统所含整数次频率 成分的最高次数，一般情况下取K 一3 1 即可足够精 确地描述电网中的谐波分量。考虑不同谐波相位滞 后情况后第k 次谐波的有功电能如式 2 所示[ 4 ] 。 1P r N - 1 P t ≠r 纵班。 t d t 兰丙1 ∑引枷幽 』ⅢJ0 』Y 五 2 式中乙为测量周期，“。 靠 和i 。 咒 分别为第以 次测量采样时的瞬时有功功率，N 为测量采样点数。 由此可知，为了精确测量系统电能消耗，必须准 确采样测量回路中的高次谐波大小及其电压电流相 位差。 本系统所有大功率回路均安装施耐德的电力监 控系统的电力参数测量仪P M 5 3 5 0 ，动力中心进线 柜则安装功能更强大的P M 8 2 0 。这两种电能表都 能够测量电气回路中的谐波分量以精确计算电能， 并具备M o d b u s 通讯接口。每个动力中心配置一个 M o d b u s 转T C P ／I P 网关，用于将电能计量系统通 过工业以太网连接至控制中心，由安装于电能计量 计算机上的监控软件进行能源管理。本系统的电能 计量部分结构如图1 所示。 本系统采用电能管理软件及相应监控设备结合 的方式组成完整的电力监控网络，可根据当地费率 标准分时计量报表时段和费率种类，按照车间或工 段 如磨矿、浮选、氰化、冶炼等 进行统计分析，报表 以E x c e l 表格形式存储，可自动形成曲线或柱状图， 方便导出或形成报告，通过分析历史负荷曲线、电能 消耗、分时计量等的数据，全面监视和跟踪电能使用 情况，实现以下两项管理功能一是设备及能耗管 理，详细测量车间关键设备和成套设备的能耗数据， 分析设备能耗在不同环境下的变化，及时发现设备 异常，提高设备能效；二是生产及效率管理，通过工 作时段能耗和产量数据分析，考核生产班组能耗比。 3 总线通讯 现场总线是2 0 世纪末形成的用于生产现场、在 智能化测量控制设备之间的实现双向串行多节点数 字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信 的底层控制网络[ 5 ] 。近年来，智能化电气控制设备 均具备了总线通讯功能，为电气自动化系统的集成 提供了极为便利的条件，使得电气自动化系统的远 程控制、设备管理等功能大大加强，满足了建设先进 黄金选冶企业的需求。 为实现对电气设备的远程管理，本系统配备了 先进的现场总线通讯系统[ 3 ] 。所有的电机控制设备 都具备P r o f i b u s D P 通讯接口，马达保护器选用带 D P 通讯的L T M RP r o f i b u s - D P 系列，A T V 7 1 变频 器选配D P 通讯卡，A T S 4 8 系列软件的M o d b u s 接 口通过M o d b u s ／D P 网关转换成D P 通讯接口。各 动力中心的电机控制器通过D P 总线与F C S 系统 在各动力中心的分布I O 站的D PM a s t e r 模块连 接，通过F C S 系统的控制层网络实现全厂的电气设 万方数据 。 吐b ‘ 备联网，从而对电气设备进行爷 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r 泡化管理。 舡控制书I 乜能iI 。靖汁算l 图1电气电能计量系统结构 F i g ．1 S t r u c t u r eo fe l e c t r i ce n e r g ym e a s u r e m e n ts y s t e m 电气系统总线通讯的实现，使得F C S 系统可以 实时和电气控制设备交互，获取电气系统运行的大 量信息，实现电气参数的远程监控。F C S 系统通过 D P 总线与电机控制器进行交互，除了获取基本的 状态、电流、频率等运行参数外，还可以对电机控制 设备的控制参数进行设置和修改，实现对电机控制 器的远程配置[ 6 ] 。 电气系统总线通讯的实现，还可以方便F C S 系 统对电气设备进行高效统一的管理。不同的电机控 制类型都可以提炼出相似的电机控制变量 控制字 和状态参数 状态字 ，控制字包括电机启停、频率给 定、远程复位等信号，状态字包括电机电流、功率、故 障代码等信息。F C S 系统通过控制字和状态字对 不同的电气设备的控制和状态进行统一管理。F C S 系统还可以通过总线读取电机的运行时间等参数， 存人到数据库中作为电气设备运行管理报表的统计 依据。 4无扰切换 电气系统的无扰切换控制方式对精炼厂的工艺 参数调节具有重要意义，也是本系统的特色之一。 无扰切换在变频控制回路调试阶段尤为重要，操作 人员就地启动设备后，根据实际工况参数，如电机工 作电流、泵池液位、输送流量、管道压力等调节变频 控制设备频率，状态稳定后切换到远程控制以便参 与联锁；或远程控制状态下需根据现场实际运行情 况就地调节频率或停车，这些切换过程都需要保持 设备原有运行状态和频率，不能引起停车或频率骤 变。这就需要控制电路具备无扰切换功能。 本系统电气控制分为就地和远程两种操作方 式，切换权限在就地。现场设备旁边设置就地控制 箱，箱上安装起／停按钮、急停按钮、远程／就地转换 开关、运行指示灯。对于变频控制回路的就地操作 箱，安装有手操器，配合实现频率显示和给定的功 能。电气设备控制的无扰切换包含两层含义对于 工频运行的设备，不因控制权转换而停车或启动；对 于正在运行的变频设备，控制权转换时要维持给定 频率不变。 传统的电气无扰切换电路是基于快速继电器实 现的，即保证切换过程中主回路接触器线圈失电后 万方数据 2 0 1 2 年9 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／] y s y l ．b g r i m m ．c n 4 7 触点断开的时间大于切换继电器线圈得电后触点闭 合的时间，就能保证主回路接触器在切换过程中状 态维持不变。这种方式对主接触器和继电器的要求 较高，而且很难保证1 0 0 ％的成功率口] 。 本系统的电气控制回路采用最新的无扰切换设 计思路，从电路及程序上共同确保切换的平稳无扰。 变频器 C H E C K 。1 A m A l C o 胁o F ⅣF C O ] h A O I - 以变频电机控制回路为例。对于启停控制，通过变 频器的运行输出继电器 R 2 来锁定给变频器的启 动信号。对于频率给定，通过手操器的模拟量变送 功能和控制程序相配合，保证切换过程中的频率稳 定，设计图如图2 所示。 一k 撼舌瓣。晶 呷蔓向■麓 H I 2 卜Ⅲ翼罂 - ／帅t d 3 2 图2 变频器频率给定无扰电路设计 F i g ．2D e s i g nf o rb u m p l e s s o ft h es e tp o i n to ft r a n s d u c e r 对于频率反馈，在远程和就地状态，变频器的 A O 通道都实时将当前频率实际值输出到手操器的 反馈端子 端子7 和8 ，手操器的数显仪实时显示 频率反馈值。就地状态时，手操器将当前的设定值 通过手动给定通道 端子1 1 和1 2 传输到变频器的 A I 通道；在远程状态，F C S 系统将叛率设定值写入 变频器中。在就地切换到远程瞬间，F C S 系统将频 率实际值传输给变频器作为频率给定信号；在远程 切换到就地瞬间，由于手操器的自动给定通道和反 馈变送通道相连，手操器的端子4 和5 接收到转换 信号后，瞬间将当前的频率反馈值输出给变频器作 为给定频率，从而实现双方向的平稳无扰切换口] 。 本系统于2 0 1 1 年1 0 月8 日上电测试，经过一 个多月的调试，于2 0 1 1 年1 2 月底顺利完成全流程 电气设备带负荷试车，正式投入生产。近一年的调 试和生产运行过程表明，精炼厂的电气自动化系统 运行稳定、维护简单、管理方式先进，达成了设计时 的先进性、可靠性的定位目标，满足了业主对电气自 动化系统的需求。 5结论 电气自动化技术在12 0 0t ／d 规模的黄金精炼 厂中成功应用，系统运行稳定可靠、维护简单、管理 方式先进。 参考文献 [ 1 ] 赵峰，侯祖俄．我国工业电气自动化的重要性及其发展 [ J ] ．科技创新导报，2 0 1 1 3 1 6 6 ． [ 2 ] 杨宏韬．电气自动化的现状与发展方向探析[ J ] ．科技 传播，2 0 1 1 2 2 1 4 1 6 ． I - 3 ] 仓冰南，郭振宇，徐宁，等．现场总线技术在黄金精炼厂 中的应用[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 2 8 3 0 一3 3 ． [ 4 ] 温和，腾召胜，胡晓光，等．谐波存在时的改进电能计量 方法及应用E J ] ．仪器仪表学报，2 0 1 1 1 1 5 7 1 6 2 ． E 5 3 杨晨光，孙亚军．现场总线的新技术F C S E J ] ．黑龙江水 利科技，2 0 0 6 ，3 4 6 4 3 4 4 ， i - 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