董宏觀

摘 要：在鋁用陰極及陽極炭素焙燒中DCS系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞： DCS；開放穩(wěn)定的通訊；魯棒性；可變控制參數(shù)；智能化I/O

1 引言

在鋁用陽極的生產(chǎn)中，焙燒成品的質(zhì)量在很大程度上取決于焙燒過程中升溫曲線的控制。鋁用炭素焙燒爐的控制上有：

（1）控制參數(shù)的變化范圍比較大，受到爐室狀態(tài)、負壓、燃料、炭素制品的配方及生產(chǎn)輔料等外在的制約因素較多；

（2）控制穩(wěn)定性要求較高燃燒控制協(xié)調(diào)不易掌握，任何不當(dāng)?shù)脑O(shè)備故障或是結(jié)果的變化易導(dǎo)致因控制不好而直接導(dǎo)致一批次產(chǎn)品質(zhì)量變化或是嚴重的事故，經(jīng)濟損失直接且巨大。

所以在爐室溫度的控制上要求系統(tǒng)有較強的魯棒性、可靠性、實時性及精確性的要求，從而作到精確控制陽極焙燒生產(chǎn)中的升溫曲線、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品成品率、降低能耗、降低操作人員勞動強度、減少排除煙氣對環(huán)境的污染。

2 設(shè)備概況

洛陽新安電力集團炭素有限公司及石墨制品有限公司均使用了由中國鋁業(yè)貴陽鋁鎂設(shè)計研究院設(shè)計制造的炭素焙燒爐燃燒控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)有現(xiàn)場燃燒控制、負壓控制、溫度壓力檢測、通訊系統(tǒng)及中央監(jiān)控系統(tǒng)組成，使用的控制器是美國的Honeywell公司的HC900型DCS，現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備是Honeywell公司的559 T4和HC 105兩種操作屏。

控制系統(tǒng)采用開放式結(jié)構(gòu)及智能通用模塊化的分散式控制系統(tǒng)，由高速實時數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、人機接口站和分散處理單元三大部分組成，可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、PID過程控制、順序控制、報警、監(jiān)視、操作，同時可對數(shù)據(jù)進行記錄、統(tǒng)計、顯示打印等處理。高速實時數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)在整個DCS控制系統(tǒng)中起著重要的作用，它由六臺交換機分別連接著52臺爐室、現(xiàn)場人機接口站和分散處理單元，并與上位機相互連接著，完成各種控制信息在網(wǎng)絡(luò)上的傳送功能。

整個DCS控制系統(tǒng)由1臺工程師站、1臺操作員站和12個控制柜組成（每套系統(tǒng)4個）。1個控制柜由為1個獨立CPU、數(shù)個信號I/O模塊、電源柜和網(wǎng)絡(luò)通信。分散獨立的CPU 結(jié)構(gòu)能過保證系統(tǒng)將中央控制的風(fēng)險降至最低，同時通過通信處理模塊連接各種I/O模板，確保整個監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時性。兩臺上位機通過以太網(wǎng)冗余，當(dāng)一臺上位機出現(xiàn)故障后不影響另一臺上位機對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、控制。

網(wǎng)絡(luò)通信中使用的是Modbus TCP/IP協(xié)議，作為一個穩(wěn)定且公開的通訊方式方便維護人員在正常生產(chǎn)中的維護，確保實時數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)暢通。

3 順序控制及聯(lián)鎖保護

焙燒爐爐面的保護較為簡單主要是啟動時的順序控制及生產(chǎn)中的溫度高低限、負壓、燃氣壓力及升溫速率聯(lián)鎖保護部分組成。溫度的高低限是定義了燃料的燃點及爐室能承受的熱負荷為準；負壓是要保證燃料及后期的揮發(fā)份在爐內(nèi)能夠有足夠的氧氣來燃燒。

4 PID過程控制

作為以儀表的監(jiān)測控制為主的DCS系統(tǒng)，在焙燒過程這樣的非線性或時變的工藝條件下控制優(yōu)勢就充分的體現(xiàn)出來。

作為焙燒車間，由于控制參數(shù)的變化范圍比較大，而且作為一種大型的工業(yè)爐必須保證它的升溫速率在一個可承受的范圍以內(nèi)，以保證爐體的熱負荷不致過高而影響爐室使用周期，而且在大型工業(yè)爐的溫度控制存在一個較大的滯后效應(yīng)，所以在這樣的多可變參數(shù)條件下控制的魯棒性就變得尤其重要，通過其強大的PID控制功能夠在一個相對寬泛的參數(shù)變化下獲得良好的控制品質(zhì)，這主要是通過大比例帶（P）的設(shè)置、收斂的階躍響應(yīng)、較小的穩(wěn)態(tài)誤差及準確實時的控制輸出。（目前的任何控制方式在過度時變、耦合、參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程中要獲得完美的控制品質(zhì)都有極大的困難）。

在半開放、生產(chǎn)溫度高于1150度的工業(yè)爐，實際的生產(chǎn)過程中溫度控制誤差在2度以內(nèi)。

5 小結(jié)

此套燃燒控制系統(tǒng)具有如下的優(yōu)勢：

（1）分層控制技術(shù)的應(yīng)用，系統(tǒng)高效、安全。

（2）系統(tǒng)采用智能型I/O模塊，可接入多種模擬信號，通用性高。I/O 層及現(xiàn)場層支持熱插拔，系統(tǒng)檢修及更換缺損部件時無需停機，極大地提高了系統(tǒng)連續(xù)運轉(zhuǎn)的能力。

（3）人機界面友好，操作簡單而直觀。

（4）開放的通訊協(xié)議及設(shè)備的使用，降低維護費用。

（5）控制器的多種診斷與自診斷功能，使系統(tǒng)的故障診斷及定位十分簡單快捷。

（6） 多級安全管理措施，詳細的歷史紀錄數(shù)據(jù)記錄功能，使系統(tǒng)的管理工作更加有效。

通過我公司4年的使用情況來看，本系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性、控制的準確性及維護的簡易性得到了充分的證明。此外，該系統(tǒng)提高了焙燒車間的自動化程度、可實現(xiàn)在線控制、降低勞動強度、優(yōu)化生產(chǎn)工藝、極大提高了勞動生產(chǎn)率。endprint