管道化溶出的集散控制系统

李庆东|文

为适应本土的铝土资源情况，通过多年对引进管道化溶出生产工艺进行消化、吸收和创新，管道化溶出系统进料已由原来的三水软铝石改为现在的一水硬铝石并溶出成功。

为大幅度降低氧化铝生产工艺能耗，提高技术和装备水平，自行设计、引进部分关键设备建成了我国第一套原矿浆处理量为每小时300立方米的工业化管道化溶出装置，开创了以管道化设备溶出一水硬铝石的技术和工业实践的新天地。

管道化溶出生产工艺经过引进、消化、吸收和创新，现已成为公司氧化铝提产、增产的关键，为保证新建管道化系统稳定可靠运行，根据管道化溶出的生产工艺要求及自控系统的应用趋势，对管道化自控系统进行了创新设计，形成了主体系统为核心，下挂隔膜泵子系统、熔盐炉子系统、熔盐管路电加热子系统的大型网络控制系统。

该系统实现了新建管道化生产过程的实时检测、集中控制和管理现代化。操作人员通过操作站集中监控，实时掌握工艺参数变化及现场设备运行情况，从而控制生产流程中的各个环节。各控制回路投用自动控制后，控制精度大大提高，同时其报警系统能够准确显示系统的故障部位，大大缩短了故障处理时间。该系统的投用提高了生产效率，优化了生产指标，提升了产品品质。

管道化溶出工艺流程分析

该工艺技术主要以管式反应器为基础，用自蒸发后浓缩的热矿浆与脱硅后的冷矿浆进行热交换，用多级自蒸发器产生的大量乏气进一步预热脱硅后的矿浆，然后再用熔盐将矿浆间接加热到溶出温度，进入停留段溶出，其工艺流程如图1所示。

工艺流程优点分析：

1.自蒸发和乏气预热的级数多，热利用率高，节能降耗 。

2.没有机械搅拌，维护费用低；管式反应器制造容易，投资小。

3.溶出速度快，溶出技术指标好，产量高。

新管道化自控系统设计方案

1.方案设计

为保证新建管道化系统稳定可靠运行，根据管道化溶出的生产工艺要求及当前DCS集散控制系统的应用水平，对管道化自控系统进行了创新设计，采用集中监视、分散控制的方式，充分利用DCS集散控制系统的适用于大规模的连续过程控制、具有高精度的PID算法处理、实时监控现场信号、在线修改工艺参数、现场和过程信息的共享等特点，将新管道化自动控制系统设计为：管道化主控系统、隔膜泵系统、熔盐炉系统和熔盐电加热系统等四大部分。系统以主体DCS为核心，下挂隔膜泵、熔盐炉、电加热三套相对独立的PLC子系统，通过控制网络相连。综合了集散系统、现场总线、可编程控制器、智能仪表及网络技术，建成了管道化综合网络控制系统。

上层采用以太网，通过局域网互联技术，使服务器与各操作站通过冗余的以太网交换机进行数据交换，保证了数据通讯的可靠性。

图1 管道化工艺流程图

下层是以Control Net工业网为基础的通讯网络。Control Net工业网是基于CAN总线系统技术形成的，是主要用于PLC与服务器之间的通讯网络，执行CTDMA网络协议。由于Control Net工业网是基于并行通讯信息交换网络技术，所以可以实现一对一以至一对多的用户访问。Control Net还为对等通讯提供了实时控制和报文传送的服务；作为控制器和I/O设备之间的一条高速通讯链路，综合了现有各种网络的能力。它还有对在同一链路上的I/O、实时互锁、对等通讯报文传送和编程操作均具有相同带宽的特点；对于离散和连续过程控制应用场合，均具有确定性和可重复性。

整个系统分散了系统功能，提高系统可靠性，使结构更合理，分布扁平化，简化了操作强度，形成了一个管控一体化网络。

1.主控系统概述

主控系统实现对整个溶出过程生产工艺参数的监视及安全连锁保护；预脱硅、溶出、自蒸发、稀释、酸洗等工段电气设备的控制；自蒸发器及冷凝水器液位调节，是整个管道化自控系统的核心。

考虑到管道化生产工艺对系统高可靠性的要求，主体控制系统采用Honeywell公司Plant Scape系统，系统中控制器、网络、服务器均采用冗余配置，采用三级通讯控制网络实现数据通讯。系统分监督控制以太网、过程服务器和操作站、实时控制网、混合型控制器及I/O卡件等几部分。

（1）监控网络，过程服务器和操作站

冗余配置的过程服务器通过Control Net网实现与现场控制器的数据交换，通过监控网络与操作站实现数据交换，完成过程参数及事件的存储处理，是系统管理的核心。

监控网络采用以太网，通过TCP/IP协议和实时系统软件，将过程服务器和操作站联成一个操作监控网络。其硬件配置采用双交换机和双网络。

(2)实时控制网Control Net

Control Net为令牌总线方式的实时控制网，同样采用冗余配置，上挂混合型控制器和服务器，介质为RG6同轴电缆。

(3)混合型控制器及I/O

混合型控制器(Hybrid Controller)具有过程控制要求的连续调节，批处理，逻辑顺控联锁等综合控制功能，通过Control Builder工具进行在线或离线组态。控制器采用冗余配置，I/O卡件通过冗余Control Net网与控制器相连。

2.隔膜泵、熔盐炉子系统概述

由于隔膜泵、熔盐炉子系统多为电气设备启停与安全联锁，因此控制系统使用了美国AB公司的Control Logix系统。Control Logix结构体系是一个技术先进的控制平台，它集中了多个控制功能：顺序控制、运动控制、传动及过程控制等。同时该系统具有抗震动、耐高温及抗各种干扰等特性，其模块还支持带电插拔，更换模块无需断开系统的其他模块，并保持输出量，这样能很大程度上保证系统的安全稳定运行。

（1）系统冗余设计

综合考虑系统可靠性和性价比，控制系统采用冗余Control Logix系统，电源及控制网络采用硬件冗余，控制器采用双CPU冗余。两块CPU安装于同一底板上，一块运行于主控方式，另一块运行于热备份模式，通过其内部程序实现对主控CPU状态监测和数据同步，由软件实现控制权的裁决和转移。处于主控模式的CPU具有输出控制权，处于热备份模式的CPU实时对主控CPU状态进行检测，一旦发现故障，热备份CPU取得控制权转为主控CPU。

由于控制器冗余由软件控制实现，对应上位机监控软件的数据库链接也要进行相应的处理，自动跟踪具有控制权的CPU以实现正确的数据通讯。

（2）连锁保护

连锁信号全部进PLC，由PLC内部编程实现连锁、输出保护动作、进行信号报警。连锁包括启动连锁和运行连锁，启动过程中，如一个连锁条件不满足，则设备不能启动；运行过程中，如有一个连锁条件丢失，则设备连锁跳停。

以熔盐炉连锁为例，熔盐炉连锁为与连锁，只有当熔盐炉连锁满足后，方可对熔盐炉进行操作。熔盐炉连锁信号包括：盐泵运行状态、鼓风机运行状态、风流量、排烟机风门位置、熔盐炉出口盐温、熔盐炉盘管温度、烟气温度、仪表用空气压力、燃油温度、燃油压力、雾化蒸汽压力。

管控一体化的实现

管理与控制一体化就是要建立一个统一的生产管理平台，通过信息化网络访问生产信息与管理信息，将企业的职能管理和生产过程控制融合为一体，包括生产经营、计划优化、生产调度、物料平衡、生产成本管理、原料运输、产品分配、工艺过程优化与控制在内的综合管理与控制。使公司决策层既能直接掌握生产一线的情况，又能通过统计软件的统计结果及时做出相应的对策。

在应用中，该系统不仅连接两套Control Logix子系统，并且通过接口技术与公司调度网（三菱MELSEC网）连接，使工艺数据实时准确进入调度管理系统，为科学地进行管理和实现生产过程的有效控制创造了有利条件。

结论

该集散控制系统紧密结合生产实际情况,经过现场运行证明该系统硬件配置合理，软件设计完善，功能齐全，操作灵活、人机界面良好。不仅在控制上应用了智能模糊PID算法，还实现了全流程电机设备的连锁自动控制，保证了生产过程的稳定，提高了产品的产量和质量，降低了能耗，改善了劳动条件。