基于DCS的粗液槽添加石灰乳自動(dòng)控制方案探討

仝福祥

（兆豐鋁業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 目前石灰乳添加方法

兆豐鋁業(yè)有限責(zé)任公司（全文簡(jiǎn)稱我公司）控制過濾工段中粗液槽添加石灰乳的方法是當(dāng)控制過濾石灰乳槽液位低時(shí)，粗液槽將停止添加石灰乳，然后手動(dòng)打開精液支管閥門，往石灰乳槽中添加一定量的精液，然后再電話通知原料車間往石灰乳槽中送石灰乳，直到滿槽。再開啟石灰乳泵往粗液槽中添加石灰乳，如此反復(fù)。在原料往控制過濾送石灰乳的過程中，如發(fā)現(xiàn)葉濾機(jī)壓力變高，則要及時(shí)開啟石灰乳泵，給粗液槽添加石灰乳。

從以上石灰乳添加的過程來看，一方面石灰乳的添加量難以控制，并且添加過程斷斷續(xù)續(xù)，很容易影響到葉濾機(jī)的產(chǎn)能。另一方面，石灰乳槽液位控制和葉濾機(jī)壓力控制，幾乎全憑崗位人員的手動(dòng)和經(jīng)驗(yàn)控制，過程比較繁瑣。

2 工藝簡(jiǎn)介

原料石灰乳送入控制過濾石灰乳槽，然后通過石灰乳泵添加到粗液槽，公備溢流也送入粗液槽。二者混合液通過變頻調(diào)速泵送到葉濾機(jī)進(jìn)行過濾。

粗液槽中加石灰乳的目的是因?yàn)閺姆蛛x溢流帶來的浮游物是非常細(xì)小的顆粒，它們吸附在濾布上形成致密的濾餅層，使粗液不能順利通過濾布。當(dāng)在粗液中加入石灰乳時(shí)會(huì)生成水化石榴石3CaO·Al2O3·H2O，化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

水化石榴石是一種疏松、多孔的固體物質(zhì)，吸附在濾餅上可增大濾餅的疏松度，在通過葉濾機(jī)時(shí)不僅可以降低過濾阻力，且能夠有效地隔離并“拖住”粗液中的赤泥顆粒，提高精液質(zhì)量［1］。另外也使得濾餅易于從濾布上脫落下來，易于卸餅，因此在生產(chǎn)上往粗液中連續(xù)添加石灰乳可以大大提高葉濾機(jī)的生產(chǎn)能力。在生產(chǎn)中一方面要確保石灰乳的連續(xù)添加，同時(shí)要注意觀察石灰乳和粗液的質(zhì)量，按一定比例往粗液中添加石灰乳。

石灰乳槽頂部有精液輸送管道，添加到石灰乳槽，目的是活化石灰乳。

3 控制方案的探討

3.1 料位控制方案

控制過濾石灰乳槽的液位由原料的清水石灰乳泵控制，因此，可以在集散系統(tǒng)（DCS）系統(tǒng)中設(shè)置石灰乳槽的高報(bào)警值H1。當(dāng)石灰乳槽的液位達(dá)到H1時(shí)，由DCS系統(tǒng)做聯(lián)鎖，強(qiáng)制停止清水石灰乳泵。還可以考慮原料清水石灰乳槽的低液位和控制過濾石灰乳槽的低液位情況。過程知識(shí)系統(tǒng)（PKS）主程序簡(jiǎn)圖如圖1所示。經(jīng)過硬件接線和程序組態(tài)后，可方便實(shí)現(xiàn)控制過濾石灰乳槽液位的自動(dòng)調(diào)節(jié)，以及原料石灰乳泵的自動(dòng)啟停。極大縮短沉降主操在此工序上耗費(fèi)的操作時(shí)間。

圖1 料位控制方案程序簡(jiǎn)圖

3.2 石灰乳添加的自動(dòng)控制方案

控制目標(biāo)是根據(jù)粗液的流量和密度以及石灰乳的密度，通過控制石灰乳的流量，使石灰乳和粗液的配比恒定。假設(shè)從分離溢流來的粗液流量為F1(m3/h),密度為ρ1(kg/m3);控制過濾石灰乳泵出口石灰乳流量為F2(m3/h)，密度為ρ2(kg/m3)。根據(jù)工藝要求，石灰乳和粗液的配比為4‰，假設(shè)整個(gè)過程的溫度、壓力恒定，經(jīng)過推算可得以下公式：

式中，K=0.9～1.1，可根據(jù)石灰乳有效鈣CaOf含量確定其大小。主程序簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 石灰乳添加的自動(dòng)控制方案程序簡(jiǎn)圖

該方案中，石灰乳泵由要改造為變頻控制，需增加1臺(tái)變頻器。通過改造，石灰乳添加量將根據(jù)其有效鈣含量和粗液在線流量、粗液在線密度、石灰乳在線密度，按一定比例，通過計(jì)算，得出石灰乳的理論流量，進(jìn)而通過程序中的PID模塊來控制石灰乳泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)石灰乳實(shí)際流量。該方案優(yōu)點(diǎn)是可以使石灰乳的添加實(shí)現(xiàn)定量控制。同時(shí)將石灰乳泵改為變頻調(diào)速后，還可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

4 設(shè)備情況

控制方案中所需主要設(shè)備包括DCS輸入輸出模塊、變頻器、密度計(jì)等。沉降DCS控制系統(tǒng)輸入輸出模塊在設(shè)計(jì)時(shí)就留有余量，所以不需再另外增加輸入輸出模塊；密度計(jì)可以用原料清水石灰乳泵出口密度計(jì)，需增加1臺(tái)變頻器。

4.1 氧化鋁DCS系統(tǒng)概要

氧化鋁分公司工藝流程監(jiān)視、控制系統(tǒng)選用了Honeywell 公司的Experion PKS過程知識(shí)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱EPKS 系統(tǒng))，它是一體化的混合控制系統(tǒng)，是世界上第四代DCS控制系統(tǒng)的代表，其核心是基于開放且功能強(qiáng)大的Microsoft公司的Windows 2000服務(wù)器/客戶系統(tǒng)。它由高性能的控制器，先進(jìn)的工程組態(tài)工具，開放的控制網(wǎng)絡(luò)等，構(gòu)成了先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)［2］。這套系統(tǒng)在我公司生產(chǎn)的自動(dòng)化控制方面起到很重要的作用。

4.2 PKS系統(tǒng)硬件配置

PKS系統(tǒng)的核心部件是混合控制器 (簡(jiǎn)稱C200)，包括電源、機(jī)架、控制處理器模件(CPM)、控制網(wǎng)絡(luò)通訊模件(CNI)、輸入輸出處理器接口模件（IOLIM）、冗余模件(RM)、電池?cái)U(kuò)展模件(BEM)等組成。所有模件都支持帶電插拔，且適應(yīng)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境［3］。C200適用于廣泛的工業(yè)應(yīng)用，包括連續(xù)過程、批量過程、開關(guān)量運(yùn)算以及機(jī)械設(shè)備控制等各類型的控制。對(duì)于要求將調(diào)節(jié)控制、快速邏輯控制、順序控制以及批量控制諸應(yīng)用一體化的集成應(yīng)用，C200是最理想的控制器。

4.3 PKS系統(tǒng)Control Net網(wǎng)絡(luò)

Control Net是一種實(shí)時(shí)的，確定性的過程控制網(wǎng)絡(luò)，可以通過單個(gè)或冗余的同軸電纜或者光纖作為傳輸介質(zhì)［3］。Control Net網(wǎng)通訊采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式，該模式采用多信道廣播式，定點(diǎn)傳送，屬于預(yù)定性信息，每個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的地址，占一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)同步,信息吞吐量大,速度快,網(wǎng)絡(luò)效率高。相對(duì)而言，Control Net比西門子的Profibus 網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定，易于維護(hù)，有助于實(shí)現(xiàn)無縫連接。

4.4 PKS系統(tǒng)控制器組態(tài)工具Control Builder

Control Builder是一個(gè)組態(tài)控制策略和監(jiān)視控制過程的軟件包。PKS硬件包括控制器、網(wǎng)絡(luò)接口模件、I/O處理器、冗余模件等在控制策略組態(tài)（CB）中都有對(duì)應(yīng)的軟模塊；還有各種功能的邏輯模塊；功能豐富的專用模塊，比如設(shè)備控制模塊、流量累積模塊、與第三方通訊的專用模塊等。Control Builder主界面包括三部分功能：用于控制組態(tài)所需的系統(tǒng)功能模塊庫(kù)Library、用于控制組態(tài)界面的Project和用于在線監(jiān)視硬件工作狀態(tài)及驗(yàn)證組態(tài)等情況的Monitoring。在Project界面下可方便地創(chuàng)建控制器塊CPM、冗余模塊、各種I/O模塊及創(chuàng)建若干個(gè)控制模塊控制點(diǎn)（CM）等，通過對(duì)模塊參數(shù)的簡(jiǎn)單設(shè)置可快速地完成組態(tài)工作。每一個(gè)CM都是一個(gè)控制方案，實(shí)現(xiàn)某些功能的功能塊可以根據(jù)需要拖放在CM里，通過把包含在CM內(nèi)的功能塊利用“軟接線”相互連接，很方便地使控制策略實(shí)現(xiàn)。組態(tài)工作完成后，要將組態(tài)的CM分別進(jìn)行下裝Load、激活A(yù)ctivate，下裝和激活的工作很靈活，可邊組態(tài)邊進(jìn)行［4］。新增設(shè)備，可在線組態(tài)，而不用停車。

4.5 PID模塊

PID模塊（見圖3）位于Regulatory Control Blocks子目下。

圖3 PID模塊

該模塊是最基本的調(diào)節(jié)控制功能塊，它是作為比例—積分—微分控制器來工作的。PID模塊具有2個(gè)模擬輸入：過程變量PV以及設(shè)定值SP，通過計(jì)算這兩者的偏差，利用PID調(diào)節(jié)，使控制輸出OP向使偏差變?yōu)榱愕姆较蜃兓?。PID功能塊可用于單控制回路，也可以將多個(gè)PID模塊組合起來構(gòu)成串級(jí)控制回路［5］。

4.6 EPKS系統(tǒng)在我公司的運(yùn)用

我公司使用的DCS系統(tǒng)為Honeywell公司的PKS201 版本，網(wǎng)絡(luò)配置為Control Net網(wǎng)絡(luò),服務(wù)器的機(jī)器型號(hào)為DELL Power Edge 1800。操作站和2臺(tái)服務(wù)器通過局域網(wǎng)進(jìn)行通訊。一對(duì)C200控制器和2臺(tái)服務(wù)器通過2根同軸電纜總線型連接，其終端安裝有75Ω 終端電阻［3］。為保證系統(tǒng)更穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行和方便系統(tǒng)檢修維護(hù)，我公司對(duì)服務(wù)器、C200控制器、ControlNet網(wǎng)以及FTA卡件和I/O卡件的供電系統(tǒng)也進(jìn)行了冗余配置。

PKS系統(tǒng)自2007年12月份投運(yùn)后，先后經(jīng)歷了頻繁開停車、DI信號(hào)干擾強(qiáng)、接地不好、系統(tǒng)斷電、工作環(huán)境粉塵大等因素的影響，系統(tǒng)在兩年多的運(yùn)行中工作一直穩(wěn)定，經(jīng)受住了考驗(yàn)，完全能夠滿足對(duì)氧化鋁生產(chǎn)監(jiān)視和控制的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過探討對(duì)比，可知控制過濾石灰乳槽料位控制方案相比較容易實(shí)現(xiàn)；石灰乳添加的自動(dòng)控制方案，可實(shí)現(xiàn)定量添加和自動(dòng)控制，如果能夠?qū)崿F(xiàn)，可以改變以前粗放式的人工經(jīng)驗(yàn)添加為較為精準(zhǔn)的自動(dòng)化添加，不僅降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，而且可以減少石灰單耗，降低氧化鋁成本。以上方案在實(shí)際應(yīng)用中還要綜合考慮葉濾機(jī)壓力、葉濾機(jī)工作周期長(zhǎng)等因素，因此，更加完善、更加符合工藝要求的控制方案還需自控專業(yè)和工藝專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)一步深入研究探討。

［1］畢詩(shī)文.拜耳法生產(chǎn)氧化鋁［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2007.

［2］黃厚強(qiáng),田文娜.Experion PKS過程知識(shí)系統(tǒng)的運(yùn)用［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2006（5）：25.

［3］李曉輝.Honeywell EPKSC200系統(tǒng)在PVC裝置中的應(yīng)用［J］.青?？萍?，2009（8）：25.

［4］朱乜,徐中亨.淺談Experion PKS控制方案組態(tài)［J］.石油化工自動(dòng)化，2007（8）：20.

［5］孫學(xué)華，鮑坤.Honeywell Experion PKS系統(tǒng)在某精細(xì)化工中的應(yīng)用［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2011（7）：10.