管道化溶出的集散控制系統

李慶東|文

為適應本土的鋁土資源情況，通過多年對引進管道化溶出生產工藝進行消化、吸收和創新，管道化溶出系統進料已由原來的三水軟鋁石改為現在的一水硬鋁石并溶出成功。

為大幅度降低氧化鋁生產工藝能耗，提高技術和裝備水平，自行設計、引進部分關鍵設備建成了我國第一套原礦漿處理量為每小時300立方米的工業化管道化溶出裝置，開創了以管道化設備溶出一水硬鋁石的技術和工業實踐的新天地。

管道化溶出生產工藝經過引進、消化、吸收和創新，現已成為公司氧化鋁提產、增產的關鍵，為保證新建管道化系統穩定可靠運行，根據管道化溶出的生產工藝要求及自控系統的應用趨勢，對管道化自控系統進行了創新設計，形成了主體系統為核心，下掛隔膜泵子系統、熔鹽爐子系統、熔鹽管路電加熱子系統的大型網絡控制系統。

該系統實現了新建管道化生產過程的實時檢測、集中控制和管理現代化。操作人員通過操作站集中監控，實時掌握工藝參數變化及現場設備運行情況，從而控制生產流程中的各個環節。各控制回路投用自動控制后，控制精度大大提高，同時其報警系統能夠準確顯示系統的故障部位，大大縮短了故障處理時間。該系統的投用提高了生產效率，優化了生產指標，提升了產品品質。

管道化溶出工藝流程分析

該工藝技術主要以管式反應器為基礎，用自蒸發后濃縮的熱礦漿與脫硅后的冷礦漿進行熱交換，用多級自蒸發器產生的大量乏氣進一步預熱脫硅后的礦漿，然后再用熔鹽將礦漿間接加熱到溶出溫度，進入停留段溶出，其工藝流程如圖1所示。

工藝流程優點分析：

1.自蒸發和乏氣預熱的級數多，熱利用率高，節能降耗 。

2.沒有機械攪拌，維護費用低；管式反應器制造容易，投資小。

3.溶出速度快，溶出技術指標好，產量高。

新管道化自控系統設計方案

1.方案設計

為保證新建管道化系統穩定可靠運行，根據管道化溶出的生產工藝要求及當前DCS集散控制系統的應用水平，對管道化自控系統進行了創新設計，采用集中監視、分散控制的方式，充分利用DCS集散控制系統的適用于大規模的連續過程控制、具有高精度的PID算法處理、實時監控現場信號、在線修改工藝參數、現場和過程信息的共享等特點，將新管道化自動控制系統設計為：管道化主控系統、隔膜泵系統、熔鹽爐系統和熔鹽電加熱系統等四大部分。系統以主體DCS為核心，下掛隔膜泵、熔鹽爐、電加熱三套相對獨立的PLC子系統，通過控制網絡相連。綜合了集散系統、現場總線、可編程控制器、智能儀表及網絡技術，建成了管道化綜合網絡控制系統。

上層采用以太網，通過局域網互聯技術，使服務器與各操作站通過冗余的以太網交換機進行數據交換，保證了數據通訊的可靠性。

圖1 管道化工藝流程圖

下層是以Control Net工業網為基礎的通訊網絡。Control Net工業網是基于CAN總線系統技術形成的，是主要用于PLC與服務器之間的通訊網絡，執行CTDMA網絡協議。由于Control Net工業網是基于并行通訊信息交換網絡技術，所以可以實現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時控制和報文傳送的服務；作為控制器和I/O設備之間的一條高速通訊鏈路，綜合了現有各種網絡的能力。它還有對在同一鏈路上的I/O、實時互鎖、對等通訊報文傳送和編程操作均具有相同帶寬的特點；對于離散和連續過程控制應用場合，均具有確定性和可重復性。

整個系統分散了系統功能，提高系統可靠性，使結構更合理，分布扁平化，簡化了操作強度，形成了一個管控一體化網絡。

1.主控系統概述

主控系統實現對整個溶出過程生產工藝參數的監視及安全連鎖保護；預脫硅、溶出、自蒸發、稀釋、酸洗等工段電氣設備的控制；自蒸發器及冷凝水器液位調節，是整個管道化自控系統的核心。

考慮到管道化生產工藝對系統高可靠性的要求，主體控制系統采用Honeywell公司Plant Scape系統，系統中控制器、網絡、服務器均采用冗余配置，采用三級通訊控制網絡實現數據通訊。系統分監督控制以太網、過程服務器和操作站、實時控制網、混合型控制器及I/O卡件等幾部分。

（1）監控網絡，過程服務器和操作站

冗余配置的過程服務器通過Control Net網實現與現場控制器的數據交換，通過監控網絡與操作站實現數據交換，完成過程參數及事件的存儲處理，是系統管理的核心。

監控網絡采用以太網，通過TCP/IP協議和實時系統軟件，將過程服務器和操作站聯成一個操作監控網絡。其硬件配置采用雙交換機和雙網絡。

(2)實時控制網Control Net

Control Net為令牌總線方式的實時控制網，同樣采用冗余配置，上掛混合型控制器和服務器，介質為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調節，批處理，邏輯順控聯鎖等綜合控制功能，通過Control Builder工具進行在線或離線組態。控制器采用冗余配置，I/O卡件通過冗余Control Net網與控制器相連。

2.隔膜泵、熔鹽爐子系統概述

由于隔膜泵、熔鹽爐子系統多為電氣設備啟停與安全聯鎖，因此控制系統使用了美國AB公司的Control Logix系統。Control Logix結構體系是一個技術先進的控制平臺，它集中了多個控制功能：順序控制、運動控制、傳動及過程控制等。同時該系統具有抗震動、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的其他模塊，并保持輸出量，這樣能很大程度上保證系統的安全穩定運行。

（1）系統冗余設計

綜合考慮系統可靠性和性價比，控制系統采用冗余Control Logix系統，電源及控制網絡采用硬件冗余，控制器采用雙CPU冗余。兩塊CPU安裝于同一底板上，一塊運行于主控方式，另一塊運行于熱備份模式，通過其內部程序實現對主控CPU狀態監測和數據同步，由軟件實現控制權的裁決和轉移。處于主控模式的CPU具有輸出控制權，處于熱備份模式的CPU實時對主控CPU狀態進行檢測，一旦發現故障，熱備份CPU取得控制權轉為主控CPU。

由于控制器冗余由軟件控制實現，對應上位機監控軟件的數據庫鏈接也要進行相應的處理，自動跟蹤具有控制權的CPU以實現正確的數據通訊。

（2）連鎖保護

連鎖信號全部進PLC，由PLC內部編程實現連鎖、輸出保護動作、進行信號報警。連鎖包括啟動連鎖和運行連鎖，啟動過程中，如一個連鎖條件不滿足，則設備不能啟動；運行過程中，如有一個連鎖條件丟失，則設備連鎖跳停。

以熔鹽爐連鎖為例，熔鹽爐連鎖為與連鎖，只有當熔鹽爐連鎖滿足后，方可對熔鹽爐進行操作。熔鹽爐連鎖信號包括：鹽泵運行狀態、鼓風機運行狀態、風流量、排煙機風門位置、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。

管控一體化的實現

管理與控制一體化就是要建立一個統一的生產管理平臺，通過信息化網絡訪問生產信息與管理信息，將企業的職能管理和生產過程控制融合為一體，包括生產經營、計劃優化、生產調度、物料平衡、生產成本管理、原料運輸、產品分配、工藝過程優化與控制在內的綜合管理與控制。使公司決策層既能直接掌握生產一線的情況，又能通過統計軟件的統計結果及時做出相應的對策。

在應用中，該系統不僅連接兩套Control Logix子系統，并且通過接口技術與公司調度網（三菱MELSEC網）連接，使工藝數據實時準確進入調度管理系統，為科學地進行管理和實現生產過程的有效控制創造了有利條件。

結論

該集散控制系統緊密結合生產實際情況,經過現場運行證明該系統硬件配置合理，軟件設計完善，功能齊全，操作靈活、人機界面良好。不僅在控制上應用了智能模糊PID算法，還實現了全流程電機設備的連鎖自動控制，保證了生產過程的穩定，提高了產品的產量和質量，降低了能耗，改善了勞動條件。