管道化溶出的集散控制系統(tǒng)

李慶東|文

為適應(yīng)本土的鋁土資源情況，通過多年對引進(jìn)管道化溶出生產(chǎn)工藝進(jìn)行消化、吸收和創(chuàng)新，管道化溶出系統(tǒng)進(jìn)料已由原來的三水軟鋁石改為現(xiàn)在的一水硬鋁石并溶出成功。

為大幅度降低氧化鋁生產(chǎn)工藝能耗，提高技術(shù)和裝備水平，自行設(shè)計、引進(jìn)部分關(guān)鍵設(shè)備建成了我國第一套原礦漿處理量為每小時300立方米的工業(yè)化管道化溶出裝置，開創(chuàng)了以管道化設(shè)備溶出一水硬鋁石的技術(shù)和工業(yè)實(shí)踐的新天地。

管道化溶出生產(chǎn)工藝經(jīng)過引進(jìn)、消化、吸收和創(chuàng)新，現(xiàn)已成為公司氧化鋁提產(chǎn)、增產(chǎn)的關(guān)鍵，為保證新建管道化系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，根據(jù)管道化溶出的生產(chǎn)工藝要求及自控系統(tǒng)的應(yīng)用趨勢，對管道化自控系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計，形成了主體系統(tǒng)為核心，下掛隔膜泵子系統(tǒng)、熔鹽爐子系統(tǒng)、熔鹽管路電加熱子系統(tǒng)的大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了新建管道化生產(chǎn)過程的實(shí)時檢測、集中控制和管理現(xiàn)代化。操作人員通過操作站集中監(jiān)控，實(shí)時掌握工藝參數(shù)變化及現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行情況，從而控制生產(chǎn)流程中的各個環(huán)節(jié)。各控制回路投用自動控制后，控制精度大大提高，同時其報警系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確顯示系統(tǒng)的故障部位，大大縮短了故障處理時間。該系統(tǒng)的投用提高了生產(chǎn)效率，優(yōu)化了生產(chǎn)指標(biāo)，提升了產(chǎn)品品質(zhì)。

管道化溶出工藝流程分析

該工藝技術(shù)主要以管式反應(yīng)器為基礎(chǔ)，用自蒸發(fā)后濃縮的熱礦漿與脫硅后的冷礦漿進(jìn)行熱交換，用多級自蒸發(fā)器產(chǎn)生的大量乏氣進(jìn)一步預(yù)熱脫硅后的礦漿，然后再用熔鹽將礦漿間接加熱到溶出溫度，進(jìn)入停留段溶出，其工藝流程如圖1所示。

工藝流程優(yōu)點(diǎn)分析：

1.自蒸發(fā)和乏氣預(yù)熱的級數(shù)多，熱利用率高，節(jié)能降耗 。

2.沒有機(jī)械攪拌，維護(hù)費(fèi)用低；管式反應(yīng)器制造容易，投資小。

3.溶出速度快，溶出技術(shù)指標(biāo)好，產(chǎn)量高。

新管道化自控系統(tǒng)設(shè)計方案

1.方案設(shè)計

為保證新建管道化系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，根據(jù)管道化溶出的生產(chǎn)工藝要求及當(dāng)前DCS集散控制系統(tǒng)的應(yīng)用水平，對管道化自控系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計，采用集中監(jiān)視、分散控制的方式，充分利用DCS集散控制系統(tǒng)的適用于大規(guī)模的連續(xù)過程控制、具有高精度的PID算法處理、實(shí)時監(jiān)控現(xiàn)場信號、在線修改工藝參數(shù)、現(xiàn)場和過程信息的共享等特點(diǎn)，將新管道化自動控制系統(tǒng)設(shè)計為：管道化主控系統(tǒng)、隔膜泵系統(tǒng)、熔鹽爐系統(tǒng)和熔鹽電加熱系統(tǒng)等四大部分。系統(tǒng)以主體DCS為核心，下掛隔膜泵、熔鹽爐、電加熱三套相對獨(dú)立的PLC子系統(tǒng)，通過控制網(wǎng)絡(luò)相連。綜合了集散系統(tǒng)、現(xiàn)場總線、可編程控制器、智能儀表及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建成了管道化綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

上層采用以太網(wǎng)，通過局域網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)，使服務(wù)器與各操作站通過冗余的以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，保證了數(shù)據(jù)通訊的可靠性。

圖1 管道化工藝流程圖

下層是以Control Net工業(yè)網(wǎng)為基礎(chǔ)的通訊網(wǎng)絡(luò)。Control Net工業(yè)網(wǎng)是基于CAN總線系統(tǒng)技術(shù)形成的，是主要用于PLC與服務(wù)器之間的通訊網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行CTDMA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。由于Control Net工業(yè)網(wǎng)是基于并行通訊信息交換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，所以可以實(shí)現(xiàn)一對一以至一對多的用戶訪問。Control Net還為對等通訊提供了實(shí)時控制和報文傳送的服務(wù)；作為控制器和I/O設(shè)備之間的一條高速通訊鏈路，綜合了現(xiàn)有各種網(wǎng)絡(luò)的能力。它還有對在同一鏈路上的I/O、實(shí)時互鎖、對等通訊報文傳送和編程操作均具有相同帶寬的特點(diǎn)；對于離散和連續(xù)過程控制應(yīng)用場合，均具有確定性和可重復(fù)性。

整個系統(tǒng)分散了系統(tǒng)功能，提高系統(tǒng)可靠性，使結(jié)構(gòu)更合理，分布扁平化，簡化了操作強(qiáng)度，形成了一個管控一體化網(wǎng)絡(luò)。

1.主控系統(tǒng)概述

主控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對整個溶出過程生產(chǎn)工藝參數(shù)的監(jiān)視及安全連鎖保護(hù)；預(yù)脫硅、溶出、自蒸發(fā)、稀釋、酸洗等工段電氣設(shè)備的控制；自蒸發(fā)器及冷凝水器液位調(diào)節(jié)，是整個管道化自控系統(tǒng)的核心。

考慮到管道化生產(chǎn)工藝對系統(tǒng)高可靠性的要求，主體控制系統(tǒng)采用Honeywell公司Plant Scape系統(tǒng)，系統(tǒng)中控制器、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器均采用冗余配置，采用三級通訊控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)分監(jiān)督控制以太網(wǎng)、過程服務(wù)器和操作站、實(shí)時控制網(wǎng)、混合型控制器及I/O卡件等幾部分。

（1）監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，過程服務(wù)器和操作站

冗余配置的過程服務(wù)器通過Control Net網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場控制器的數(shù)據(jù)交換，通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與操作站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，完成過程參數(shù)及事件的存儲處理，是系統(tǒng)管理的核心。

監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)，通過TCP/IP協(xié)議和實(shí)時系統(tǒng)軟件，將過程服務(wù)器和操作站聯(lián)成一個操作監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。其硬件配置采用雙交換機(jī)和雙網(wǎng)絡(luò)。

(2)實(shí)時控制網(wǎng)Control Net

Control Net為令牌總線方式的實(shí)時控制網(wǎng)，同樣采用冗余配置，上掛混合型控制器和服務(wù)器，介質(zhì)為RG6同軸電纜。

(3)混合型控制器及I/O

混合型控制器(Hybrid Controller)具有過程控制要求的連續(xù)調(diào)節(jié)，批處理，邏輯順控聯(lián)鎖等綜合控制功能，通過Control Builder工具進(jìn)行在線或離線組態(tài)。控制器采用冗余配置，I/O卡件通過冗余Control Net網(wǎng)與控制器相連。

2.隔膜泵、熔鹽爐子系統(tǒng)概述

由于隔膜泵、熔鹽爐子系統(tǒng)多為電氣設(shè)備啟停與安全聯(lián)鎖，因此控制系統(tǒng)使用了美國AB公司的Control Logix系統(tǒng)。Control Logix結(jié)構(gòu)體系是一個技術(shù)先進(jìn)的控制平臺，它集中了多個控制功能：順序控制、運(yùn)動控制、傳動及過程控制等。同時該系統(tǒng)具有抗震動、耐高溫及抗各種干擾等特性，其模塊還支持帶電插拔，更換模塊無需斷開系統(tǒng)的其他模塊，并保持輸出量，這樣能很大程度上保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（1）系統(tǒng)冗余設(shè)計

綜合考慮系統(tǒng)可靠性和性價比，控制系統(tǒng)采用冗余Control Logix系統(tǒng)，電源及控制網(wǎng)絡(luò)采用硬件冗余，控制器采用雙CPU冗余。兩塊CPU安裝于同一底板上，一塊運(yùn)行于主控方式，另一塊運(yùn)行于熱備份模式，通過其內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)對主控CPU狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)同步，由軟件實(shí)現(xiàn)控制權(quán)的裁決和轉(zhuǎn)移。處于主控模式的CPU具有輸出控制權(quán)，處于熱備份模式的CPU實(shí)時對主控CPU狀態(tài)進(jìn)行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)故障，熱備份CPU取得控制權(quán)轉(zhuǎn)為主控CPU。

由于控制器冗余由軟件控制實(shí)現(xiàn)，對應(yīng)上位機(jī)監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)庫鏈接也要進(jìn)行相應(yīng)的處理，自動跟蹤具有控制權(quán)的CPU以實(shí)現(xiàn)正確的數(shù)據(jù)通訊。

（2）連鎖保護(hù)

連鎖信號全部進(jìn)PLC，由PLC內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)連鎖、輸出保護(hù)動作、進(jìn)行信號報警。連鎖包括啟動連鎖和運(yùn)行連鎖，啟動過程中，如一個連鎖條件不滿足，則設(shè)備不能啟動；運(yùn)行過程中，如有一個連鎖條件丟失，則設(shè)備連鎖跳停。

以熔鹽爐連鎖為例，熔鹽爐連鎖為與連鎖，只有當(dāng)熔鹽爐連鎖滿足后，方可對熔鹽爐進(jìn)行操作。熔鹽爐連鎖信號包括：鹽泵運(yùn)行狀態(tài)、鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、風(fēng)流量、排煙機(jī)風(fēng)門位置、熔鹽爐出口鹽溫、熔鹽爐盤管溫度、煙氣溫度、儀表用空氣壓力、燃油溫度、燃油壓力、霧化蒸汽壓力。

管控一體化的實(shí)現(xiàn)

管理與控制一體化就是要建立一個統(tǒng)一的生產(chǎn)管理平臺，通過信息化網(wǎng)絡(luò)訪問生產(chǎn)信息與管理信息，將企業(yè)的職能管理和生產(chǎn)過程控制融合為一體，包括生產(chǎn)經(jīng)營、計劃優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度、物料平衡、生產(chǎn)成本管理、原料運(yùn)輸、產(chǎn)品分配、工藝過程優(yōu)化與控制在內(nèi)的綜合管理與控制。使公司決策層既能直接掌握生產(chǎn)一線的情況，又能通過統(tǒng)計軟件的統(tǒng)計結(jié)果及時做出相應(yīng)的對策。

在應(yīng)用中，該系統(tǒng)不僅連接兩套Control Logix子系統(tǒng)，并且通過接口技術(shù)與公司調(diào)度網(wǎng)（三菱MELSEC網(wǎng)）連接，使工藝數(shù)據(jù)實(shí)時準(zhǔn)確進(jìn)入調(diào)度管理系統(tǒng)，為科學(xué)地進(jìn)行管理和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的有效控制創(chuàng)造了有利條件。

結(jié)論

該集散控制系統(tǒng)緊密結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況,經(jīng)過現(xiàn)場運(yùn)行證明該系統(tǒng)硬件配置合理，軟件設(shè)計完善，功能齊全，操作靈活、人機(jī)界面良好。不僅在控制上應(yīng)用了智能模糊PID算法，還實(shí)現(xiàn)了全流程電機(jī)設(shè)備的連鎖自動控制，保證了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定，提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，降低了能耗，改善了勞動條件。