貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司 黃其楊

羅克韋爾自動(dòng)化PlantPAX系統(tǒng)在氧化鋁生產(chǎn)中的應(yīng)用

貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司 黃其楊

本文介紹了羅克韋爾自動(dòng)化PlantPAX自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,以及其在氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中的系統(tǒng)應(yīng)用情況,詳細(xì)描述該項(xiàng)目過(guò)程控制系統(tǒng)的組成、配置及通信方法,為今后類似項(xiàng)目過(guò)程控制系統(tǒng)的選型與配置提供借鑒。

PlantPAX；氧化鋁生產(chǎn)；集散控制系統(tǒng)(DCS)

氧化鋁的冶煉過(guò)程相對(duì)較為復(fù)雜，具有很強(qiáng)的專業(yè)性和連貫性，涉及到原料、溶出、沉降、分解、焙燒和蒸發(fā)六個(gè)主要環(huán)節(jié)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的過(guò)程控制要求嚴(yán)格[1]。如何通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)手段加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制、進(jìn)行科學(xué)的管理、實(shí)現(xiàn)降低成本的目的，是目前企業(yè)亟需解決的問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動(dòng)化控制水平的不斷發(fā)展，集散控制系統(tǒng)(DCS)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，利用DCS控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，將DCS控制系統(tǒng)應(yīng)用到氧化鋁的生產(chǎn)過(guò)程中，提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，給氧化鋁生產(chǎn)流程中存在的問(wèn)題提出了很好的技術(shù)解決方案。PlantPAX系統(tǒng)是羅克韋爾自動(dòng)化在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域推出的新一代DCS控制系統(tǒng)，本文就其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能方面及其在氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中的具體應(yīng)用予以分析探討。

1 PlantPAX體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

羅克韋爾自動(dòng)化使用集成架構(gòu)技術(shù)，PlantPAx過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)羅克韋爾自動(dòng)化“集成架構(gòu)”(IA) 產(chǎn)品的一個(gè)定義組合，這些產(chǎn)品按規(guī)定方式進(jìn)行組態(tài)以實(shí)現(xiàn)其作為過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)的最佳性能[2]。PlantPAx根據(jù)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)的規(guī)?；蚣軜?gòu)類別來(lái)對(duì)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行性能描述構(gòu)架，架構(gòu)類別可提供靈活的伸縮性和擴(kuò)展性，同樣的系統(tǒng)組件可以按照應(yīng)用大小進(jìn)行變化。獨(dú)立系統(tǒng)架構(gòu)用于單元控制，集中系統(tǒng)架構(gòu)用于區(qū)域控制，分布控制架構(gòu)用于全廠級(jí)或者企業(yè)的運(yùn)行。

集中、分布架構(gòu)系統(tǒng)是由采用EtherNet/IP、ControlNet及DeviceNet技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)連接各工程師站(EWS)、操作員站(OWS)、現(xiàn)場(chǎng)控制站、過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)服務(wù)器(PASS)組成的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。系統(tǒng)采用全分散的模塊化結(jié)構(gòu)，由以太網(wǎng)、控制網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)三個(gè)層次組成，監(jiān)控層采用以太網(wǎng)(EntherNet)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換；中間層為控制層(ControlNet)負(fù)責(zé)系統(tǒng)通訊；底層是設(shè)備(DeviceNet)層連接就地設(shè)備。

監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)由10/100Mbps冗余快速以太網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。用于系統(tǒng)服務(wù)器、工程師站及操作員站的連接，完成工程師站的數(shù)據(jù)下裝，系統(tǒng)服務(wù)器與操作員站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊?？刹捎媚壳白畛墒煲彩亲畎踩煽康碾p環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，二個(gè)環(huán)網(wǎng)同時(shí)在工作，互為備用，任何一個(gè)環(huán)網(wǎng)故障都不影響另一個(gè)環(huán)網(wǎng)正常工作，從網(wǎng)絡(luò)上保證了系統(tǒng)的安全可靠。

控制層網(wǎng)絡(luò)由冗余ControlNet構(gòu)成。ControlNet 網(wǎng)絡(luò)支持控制器下行鏈路以及與遠(yuǎn)程 I/O 和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接口的連接。ControlNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了I/O網(wǎng)絡(luò)與對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的功能，提供高速性能，能夠?qū)﹃P(guān)鍵控制數(shù)據(jù)提供確定的、可重復(fù)的傳輸。通訊速率可達(dá)5Mbps，節(jié)點(diǎn)數(shù)99個(gè)。

設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)由DeviceNet構(gòu)成。DeviceNet網(wǎng)絡(luò)是一種開(kāi)放的設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)，可用于簡(jiǎn)單工業(yè)設(shè)備(如傳感器和執(zhí)行器等)與上層設(shè)備(如控制器和計(jì)算機(jī)等)之間的連接[2]。DeviceNet網(wǎng)絡(luò)是并形網(wǎng)絡(luò)，所有設(shè)備并接在DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上，可以采用多種靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所有連接處采用插接件，避免因人為因素造成短路。通訊速率可達(dá)500Kbps，節(jié)點(diǎn)數(shù)64個(gè)。

過(guò)程控制自動(dòng)化系統(tǒng)服務(wù)器(PASS)是必需的系統(tǒng)元素，裝載著運(yùn)行系統(tǒng)所需的重要軟件組件，重要軟件組件包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、HMI服務(wù)器和報(bào)警服務(wù)器，可進(jìn)行冗余配置[3]。工程師站(EWS)支持系統(tǒng)組態(tài)、應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)和維護(hù)功能，是監(jiān)視和維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的中心。操作員站(OWS)提供過(guò)程的圖形化視圖和界面，支持操作員交互，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制?，F(xiàn)場(chǎng)控制站由主控單元、智能I/O單元、電源單元、現(xiàn)場(chǎng)總線和機(jī)柜等部分組成，采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，擴(kuò)展性強(qiáng)，主控單元采用ControlLogix控制器，可進(jìn)行冗余配置。

2 氧化鋁生產(chǎn)流程

氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程主要包括原料、溶出、沉降、分解、焙燒和蒸發(fā)六個(gè)主要環(huán)節(jié)。

原料車間是氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中第一個(gè)環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是將鋁土礦破碎到符合要求的粒度(如處理一水硬鋁石礦需加適量的石灰)，與含有游離NaOH的循環(huán)母液按一定比例配合，送入濕磨內(nèi)進(jìn)行細(xì)磨，配制出化學(xué)成分、物理性能都符合溶出要求的原礦漿。

高壓溶出是拜耳法氧化鋁生產(chǎn)關(guān)鍵的工序之一，原礦漿經(jīng)預(yù)脫硅槽脫硅后，進(jìn)入壓煮器組或管道化溶出設(shè)備，在一定溫度和壓力下溶出。鋁土礦內(nèi)所含氧化鋁與氧化鈉反應(yīng)生成鋁酸鈉進(jìn)入溶液，而氧化鐵和氧化鈦以及大部分的二氧化硅等雜質(zhì)形成固相殘?jiān)闯嗄郲1]。溶出所得礦漿稱為溶出礦漿，經(jīng)自蒸發(fā)器減壓降溫后再進(jìn)行稀釋。

沉降分離系統(tǒng)是將稀釋后的溶出礦漿在絮凝劑作用下在沉降槽中實(shí)現(xiàn)鋁酸鈉溶液與赤泥的分離，鋁酸鈉溶液送葉濾機(jī)進(jìn)行過(guò)濾，濾出精液經(jīng)降溫后與精種混合進(jìn)分解槽實(shí)現(xiàn)精種分解。

分解是氧化鋁生產(chǎn)的另一關(guān)鍵工序，其工藝過(guò)程為將過(guò)濾后的鋁酸鈉溶液降溫，以增大其過(guò)飽和濃度，再送到晶種槽中與氫氧化鋁晶種攪拌混合，經(jīng)晶種泵打入首級(jí)分解槽中，再經(jīng)多級(jí)分解槽連續(xù)降溫和充分?jǐn)嚢?，?shí)現(xiàn)氫氧化鋁的析出[1]。分解漿液再由立式泵打入旋流器旋流分級(jí)，底流送成品過(guò)濾；溢流返回后級(jí)分解槽。

焙燒是將氫氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸X的工序。焙燒的任務(wù)就是在高溫下將氫氧化鋁的附著水以及結(jié)晶水除去，并使其晶形發(fā)生部分轉(zhuǎn)變，以獲得適合電解所要求的氧化鋁。

蒸發(fā)的主要目的是排除流程中回收的母液中的多余水分，確保氧化鋁生產(chǎn)流程中水量與堿量的平衡。蒸發(fā)站由一組六效降膜蒸發(fā)器和一臺(tái)強(qiáng)制循環(huán)結(jié)晶蒸發(fā)器及三級(jí)閃蒸組成，蒸發(fā)采用逆流流程。

3 控制系統(tǒng)規(guī)模及解決方案

3.1 系統(tǒng)規(guī)模

根據(jù)年產(chǎn)80萬(wàn)噸氧化鋁項(xiàng)目施工設(shè)計(jì)圖紙，統(tǒng)計(jì)全氧化鋁廠I/O點(diǎn)數(shù)（未含變頻器、馬保點(diǎn)數(shù)）如表1所示。其中溶出、蒸發(fā)、沉降、分解生產(chǎn)線均為兩組，焙燒為兩臺(tái)氣態(tài)懸浮焙燒爐。由于RTD、TC信號(hào)均經(jīng)過(guò)溫度變送器輸出4～20mA信號(hào)，表中未單獨(dú)列出RTD、TC信號(hào)。

表1 氧化鋁廠控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

3.2 控制系統(tǒng)解決方案

針對(duì)氧化鋁生產(chǎn)流程特點(diǎn)及系統(tǒng)規(guī)模，過(guò)程控制采用羅克韋爾化PlantPAX系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中控制、調(diào)度模式，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。氧化鋁廠設(shè)一個(gè)中央控制室及六個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制室?，F(xiàn)場(chǎng)控制室（原料、溶出、沉降、分解、焙燒、蒸發(fā)）作為中央控制室DCS系統(tǒng)的一部分，放置DCS機(jī)柜、交換機(jī)及供電等輔助設(shè)施，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)儀表及電氣設(shè)備的信號(hào)數(shù)據(jù)采集，然后送往中央控制室。中央控制室放置DCS服務(wù)器、操作員站、交換機(jī)及供電等輔助設(shè)施，負(fù)責(zé)全氧化鋁廠生產(chǎn)過(guò)程的集中監(jiān)控及生產(chǎn)調(diào)度。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即監(jiān)控網(wǎng)、控制網(wǎng)及設(shè)備網(wǎng)。監(jiān)控網(wǎng)采用雙環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，二個(gè)環(huán)網(wǎng)同時(shí)在工作，互為備用?？刂凭W(wǎng)采用冗余ControlNet直接接入系統(tǒng)。設(shè)備網(wǎng)采用DeviceNet接入。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集采用ControlNet、DeviceNet及硬接線原則。變頻器與DCS之間采用冗余的ControlNet通訊鏈路，通訊速率恒定5Mbps，每個(gè)變頻器都是并接在冗余的ControlNet通訊鏈路上；智能馬保采用DeviceNet通訊鏈路接入系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)可以有多條DeviceNet通訊鏈路，每個(gè)DeviceNet通訊鏈路均可獨(dú)立工作；現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備（如變送器、氣動(dòng)閥、熱電阻、電磁流量計(jì)等）采用硬接線方式接入系統(tǒng)。

中央控制室配置1對(duì)冗余服務(wù)器（雙網(wǎng)卡）、1臺(tái)工程師站、12臺(tái)操作員站（雙屏）、1對(duì)交換機(jī)、2臺(tái)打印機(jī)及供電設(shè)施等。原料控制室配置1對(duì)冗余機(jī)架組(包括冗余控制器、冗余控制網(wǎng)模塊、冗余監(jiān)控網(wǎng)模塊、冗余電源模塊)、1對(duì)交換機(jī)及供電設(shè)施等。溶出控制室配置2對(duì)冗余機(jī)架組、1對(duì)交換機(jī)及供電設(shè)施等。沉降控制室配置2對(duì)冗余機(jī)架組、1對(duì)交換機(jī)及供電設(shè)施等。分解控制室配置3對(duì)冗余機(jī)架組、1對(duì)交換機(jī)及供電設(shè)施等。焙燒控制室配置2對(duì)冗余機(jī)架組、1對(duì)交換機(jī)及供電設(shè)施等。蒸發(fā)控制室配置2對(duì)冗余機(jī)架組、1對(duì)交換機(jī)及供電設(shè)施等。

4 結(jié)束語(yǔ)

年產(chǎn)80萬(wàn)噸氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)屬于中小型規(guī)模，羅克韋爾PlantPAX系統(tǒng)硬件成熟、運(yùn)行可靠，軟件功能強(qiáng)大，具有多種通訊及編程接口，完全滿足該項(xiàng)目對(duì)DCS系統(tǒng)的要求。本文從氧化鋁工藝和PlantPAX系統(tǒng)的組成、配置及通信方面進(jìn)行闡述，并給出了詳細(xì)解決方案，該方案已將氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)控制系統(tǒng)連接起來(lái)，建立了氧化鋁廠的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，并可在此基礎(chǔ)上，研究開(kāi)發(fā)建立氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)(MES)，把過(guò)程控制與生產(chǎn)管理結(jié)合起來(lái)，使氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，最終達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行和優(yōu)化管理的目的。

[1] 顧松青．我國(guó)的鋁土礦資源和高效低耗的氧化鋁生產(chǎn)技術(shù)[J]．中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)．2004,14 (1):91-97．

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Application of Rockwell Automation PlantPAX System in Alumina Production Process

The paper address the structure and function about RockWellPlantPAX automation system and the application in alumina production process,introduce the composing, configurationsand intercommunication of control system in detail.The application example will be used as experience in model selection and configuration of contol system in similar projects．

PlantPAX; Alumina production process; DCS

黃其楊（1975-），男，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事有色金屬工業(yè)自動(dòng)化及儀器儀表研究。