于晓鹏
特诺恩技术（天津）有限公司 天津
摘要：熔铝双室炉（英文名称：Twin-Chamber Melting Furnace, 简称TCF）以天然气为燃料，主要用于回收熔化废铝，产出铝液，具有独特的废气热交换系统不但预热助燃空气节约了天然气能源，二期大幅降低了有毒烟气，满足环保指标。独特的加料井结构，能快速连续熔化直径1mm以下的铝碎屑，大幅降低了烧损，提高了铝的回收率。自进入中国市场以来，受到广泛应用。为了保证炉子持续可靠运行，其控制系统至关重要，控制系统大量采用了安全模块，现场烧嘴控制采用安全继电器。Profibus-DP作为现场通信总线，上位机通信使用以太网。检测仪表采用ABB、IFM等成熟品牌。本文就控制系统达到原件选型、通信系统和炉子主要控制功能进行简要阐述。
关键词：双室炉 TCF 安全PLC
1.应用背景
随着国家节能、环保政策的不断推进，冶金企业作为耗能和排放大户，在新建项目时尤为看中设备的节能效果和排放标准。特诺恩LOI的熔铝双室炉经过了几十年的技术积累，节能效果和废气排放标准远领先于同行业设备，因此在国内国际市场上大受好评。所以作为该炉子的控制系统必须保证安全、可靠、稳定，及时采用国际最新技术和最新设备。
2.供电系统
2.1系统用电动力设备主要有助燃风机、废气风机、循环风机和电磁泵。其中电磁泵耗电量最大。
2.2两路进线电源，一用一备，TN-S系统，零线和地线不接通。备用进线电源负荷较小，只维持炉子的基本温度，不能正常生产，正常生产时用主电源。主电源到备用电源自动切换，不经过PLC控制，只是将运行状态反馈给PLC处理。当主电源恢复正常供电时，备用电源切回主电源需要手动切换。
2.3控制电源前端使用380V/220V变压器，零线和地线不接通。仪表、PLC、上位机用电经过UPS。每个远程I/O站配备独立的AC220V转DC24V模块，24V用于给模块和仪表供电。
3.系统主要工艺组成
3.1铝液循环加热系统：两个炉室分别是废料加料室和加热室；一个加料井用于加注铝碎屑。高温铝溶液在三个炉区在电磁泵的推动下往复循环，快速熔化铝液。其中加热室的两个大功率烧嘴是给炉子提供热能的主要来源，炉膛温度最高达到1300℃，不但给铝液快速加热，有毒有害气体也在此充分燃烧。是加热系统的关键。
3.2气体循环系统：外界冷空气前经过换热器预热到750℃，变成助燃空气，然后再到烧嘴燃烧。废气排出之前先经过换热器降温，把热量传递给助燃空气，然后再经过布袋除尘再排放到大气。其中的核心设备换热器，具有专利技术的快速高效换热介质，是整个炉子节能降耗的关键核心设备。
3.3液压系统：两个炉门的升降均通过液压控制，加厚钢板再加上耐火材料，单个炉门重量将近2吨，废料室的炉门每天开启次数最高达300次，因此液压系统必须稳定可靠。液压站位于地下当炉门没有操作10分钟后，液压站自动停止，当按下炉门的按钮时，液压站电机马上启动进入工作状态。
3.4天然气系统：该炉型天然气用量较大，总天然气进入管直径DN150，单独配置一个阀站，具有计量，紧急切断阀，手动切断阀、放散、气密性测试等诸多功能。
三个主烧嘴和一个加料井烧嘴。每个烧嘴均配备了调节阀、压差流量计、气密测试系统等。停炉后，烧嘴每次启动之前都要经过气密测试合格后才能启炉。
3.5电磁泵是重要的动力设备，铝液在三个炉区循环的动力全部来自于管道电磁泵。电磁泵是一套独立的控制系统，器工作原理是在电池线圈管道内产生持续不断的感应磁场，推动铝液在管道内流动。主要包含变配电系统、功率调节系统、水冷系统。
4.控制系统架构
4.1核心控制器采用西门子一台CPU 414F-3 PN/DP安全型PLC，单站结构。Profinet口用于连接上位机操作员站和工程师站。DP口现场总线通信。
编程开发软件是Step7 v5.6由于需要在安全型PLC内编写安全程序，因此还需安装SIMATIC_DSAFETY_V5_4_SP5_Upd2和SIMATIC_S7FPROJX_V5_5_SP13两个插件安装包，安装这两个插件之后，才能在STEP7里面编辑安全程序。
上位机使用 WINCC 7.4开发和运行HMI。WINCC画面可以实现对炉子的所有控制、参数设置、历史记录、运行状态显示等等。
4.2虽然整个炉体不大，占地面积约10mX15m，高度5米，但是测控点位较多，还是使用了6个远程I/O站，大部分的信号就近接到现场I/O站内。减少了电缆的使用量，设备布置更加灵活。烧嘴、变频器、多功能电能表均配Profibus - DP 通信卡，直接与PLC通信。
4.3电磁泵、除尘系统、碎屑上料系统均有独立的PLC控制器，与主PLC之间采用Prifinet 通信，中间经过PN/PN耦合器隔离，不同的通信网络之间互不干扰，保证了通信和控制系统的稳定。PN/PN耦合器使用非常简单方便，先下载安装GSD组件，在HW Config内组态，赋予以太网IP地址和端口IO地址，再打开程序编辑器，可以直接使用PN/PN耦合器的IO地址，与使用远程IO站的方式相同。
4.4此炉型的远程IO站使用西门子最新ET200SP模块。ET200SP模块设计更加紧凑，单个模块最多支持16通道，相比ET200S，模块通道增加了一倍。ET200SP系统支持永久接线，运行中插拔模块，模块空缺运行，诊断功能等；采用直插式端子，节省了布线的空间，我们可以单手接线而不需要使用工具。
5.安全控制系统
5.1由于该炉型使用大量天然气，而且炉子不是防爆设计，如果烧嘴失控，存在爆炸的风险。铝液温度达到650℃，如果排铝阀门误动作，沸腾的铝液极大危害周围的设备和人身安全，因此，关键信号必须使用安全控制策略。
5.2按照传统的安全控制策略，安全信号使用硬线连锁至安全继电器，安全继电器控制烧嘴启动和天然气阀门。这种方式在传统PLC控制系统里普遍采用，但是缺点也很明显，大量的信号连锁和硬接线不但使接线复杂，使用很多线缆，而且一旦出现故障，很难定位故障位置，对正常生产影响很大。对于此炉型，最多则串联不同控制柜和现场控制箱的20多个继电器辅助触点到安全继电器，得到一个安全信号。因此TCF最新的项目均使用了安全控制系统。
5.3随着技术不断进步，西门子也推出了一系列安全PLC和安全IO模块。最新的TCF项目使用ET200SP安全模块，同时还大量使用了ET200SP导轨式安全继电器输出模块。安全模块的开关量数字输出还需要经过一个导轨式安全继电器才能到最终控制设备。
其中K27是西门子导轨式安全继电器F-RA DC。
5.4安全模块的优点：安全模块的开关量输入模块的每个输入通道都是独立电源，即每个输入点在模块上出来两根线，一根是24V电源，另一根是检测线。当这个通道的电源接地、短路均不影响其它通道的正常运行，有故障的通道的相应指示灯会闪烁报警，同时PLC也可以收到报警信息并显示在WINCC画面上。
5.5安全模块的输出通道也是同样的道理，故障只会限制在单个的通道上，不影响其它模块和通道的运行。
5.6安全模块的编程：前文提到了SIMATIC_DSAFETY_V5_4_SP5_Upd2和SIMATIC_S7FPROJX_V5_5_SP13两个插件。安全模块上采集的现场信号必须使用安全程序块处理，处理结果输出到安全模块输出通道。形成一个独立的控制系统。安全模块过来的信号应该由安全程序块处理，否则没有意义，也不符合安全标准。安全模块过来的信号可以被其他程序块引用。
5.7安全模块的其它特征：正常情况下，普通程序块可以在线下载到运行的PLC中，并不会导致CPU停止运行，但是安全程序每次下载都会导致CPU停机，因此在设备正常生产运行时，一定要注意。为了避免工程师误操作，安全程序由专门的下载器下载，而且每次下载均需要验证密码。安全模块出故障，会表现为“钝化”（Passivate），输入输出均保持不变不再受CUP控制，此时需要手动复位才能再次正常使用。
6.结束语
6.1双室炉工艺先进，先进的控制系统设计、优秀的程序设计和稳定的仪表才能满足工艺控制的需求，最大发挥该炉型的效力。
6.2双室炉运行时需要大量天然气，生产高温铝液，对控制系统的安全稳定性要求很高。仪表自动化系统尽量选用国际知名品牌成熟产品。与安全相关的点位必须从检测、传输、逻辑运算、控制输出到执行元件，必须全流程遵守安全规范。
6.3在自动化行业，新技术新设备层出不穷，更新较快。作为自动化工程技术人员，应不断学习，与时俱进，尝试新的设备与技术，满足工艺的需求。
参考文献：
[1]. 西门子 S7 400硬件手册