貴陽鋁鎂設計研究院有限公司 黃其楊

羅克韋爾自動化PlantPAX系統(tǒng)在氧化鋁生產(chǎn)中的應用

貴陽鋁鎂設計研究院有限公司 黃其楊

本文介紹了羅克韋爾自動化PlantPAX自動化系統(tǒng)的結構和功能,以及其在氧化鋁生產(chǎn)過程中的系統(tǒng)應用情況,詳細描述該項目過程控制系統(tǒng)的組成、配置及通信方法,為今后類似項目過程控制系統(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)

氧化鋁的冶煉過程相對較為復雜，具有很強的專業(yè)性和連貫性，涉及到原料、溶出、沉降、分解、焙燒和蒸發(fā)六個主要環(huán)節(jié)，對產(chǎn)品質(zhì)量的過程控制要求嚴格[1]。如何通過先進的技術手段加強對生產(chǎn)過程的控制、進行科學的管理、實現(xiàn)降低成本的目的，是目前企業(yè)亟需解決的問題。隨著計算機技術、通訊技術、網(wǎng)絡技術和自動化控制水平的不斷發(fā)展，集散控制系統(tǒng)(DCS)被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中，利用DCS控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，將DCS控制系統(tǒng)應用到氧化鋁的生產(chǎn)過程中，提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，給氧化鋁生產(chǎn)流程中存在的問題提出了很好的技術解決方案。PlantPAX系統(tǒng)是羅克韋爾自動化在過程自動化領域推出的新一代DCS控制系統(tǒng)，本文就其系統(tǒng)結構和功能方面及其在氧化鋁生產(chǎn)過程中的具體應用予以分析探討。

1 PlantPAX體系結構簡介

羅克韋爾自動化使用集成架構技術，PlantPAx過程自動化系統(tǒng)是標準羅克韋爾自動化“集成架構”(IA) 產(chǎn)品的一個定義組合，這些產(chǎn)品按規(guī)定方式進行組態(tài)以實現(xiàn)其作為過程自動化系統(tǒng)的最佳性能[2]。PlantPAx根據(jù)過程自動化系統(tǒng)的規(guī)?；蚣軜嬵悇e來對過程自動化系統(tǒng)進行性能描述構架，架構類別可提供靈活的伸縮性和擴展性，同樣的系統(tǒng)組件可以按照應用大小進行變化。獨立系統(tǒng)架構用于單元控制，集中系統(tǒng)架構用于區(qū)域控制，分布控制架構用于全廠級或者企業(yè)的運行。

集中、分布架構系統(tǒng)是由采用EtherNet/IP、ControlNet及DeviceNet技術的控制網(wǎng)絡連接各工程師站(EWS)、操作員站(OWS)、現(xiàn)場控制站、過程自動化系統(tǒng)服務器(PASS)組成的綜合自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)采用全分散的模塊化結構，由以太網(wǎng)、控制網(wǎng)和設備網(wǎng)三個層次組成，監(jiān)控層采用以太網(wǎng)(EntherNet)實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換；中間層為控制層(ControlNet)負責系統(tǒng)通訊；底層是設備(DeviceNet)層連接就地設備。

監(jiān)控層網(wǎng)絡由10/100Mbps冗余快速以太網(wǎng)絡構成。用于系統(tǒng)服務器、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)服務器與操作員站的實時數(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)絡結構，二個環(huán)網(wǎng)同時在工作，互為備用，任何一個環(huán)網(wǎng)故障都不影響另一個環(huán)網(wǎng)正常工作，從網(wǎng)絡上保證了系統(tǒng)的安全可靠。

控制層網(wǎng)絡由冗余ControlNet構成。ControlNet 網(wǎng)絡支持控制器下行鏈路以及與遠程 I/O 和現(xiàn)場設備接口的連接。ControlNet網(wǎng)絡結合了I/O網(wǎng)絡與對等網(wǎng)絡的功能，提供高速性能，能夠?qū)﹃P鍵控制數(shù)據(jù)提供確定的、可重復的傳輸。通訊速率可達5Mbps，節(jié)點數(shù)99個。

設備層網(wǎng)絡由DeviceNet構成。DeviceNet網(wǎng)絡是一種開放的設備級網(wǎng)絡，可用于簡單工業(yè)設備(如傳感器和執(zhí)行器等)與上層設備(如控制器和計算機等)之間的連接[2]。DeviceNet網(wǎng)絡是并形網(wǎng)絡，所有設備并接在DeviceNet網(wǎng)絡上，可以采用多種靈活的網(wǎng)絡結構。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500Kbps，節(jié)點數(shù)64個。

過程控制自動化系統(tǒng)服務器(PASS)是必需的系統(tǒng)元素，裝載著運行系統(tǒng)所需的重要軟件組件，重要軟件組件包括數(shù)據(jù)服務器、HMI服務器和報警服務器，可進行冗余配置[3]。工程師站(EWS)支持系統(tǒng)組態(tài)、應用程序開發(fā)和維護功能，是監(jiān)視和維護系統(tǒng)運行的中心。操作員站(OWS)提供過程的圖形化視圖和界面，支持操作員交互，對整個系統(tǒng)進行監(jiān)視和控制?，F(xiàn)場控制站由主控單元、智能I/O單元、電源單元、現(xiàn)場總線和機柜等部分組成，采用分布式結構設計，擴展性強，主控單元采用ControlLogix控制器，可進行冗余配置。

2 氧化鋁生產(chǎn)流程

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

原料車間是氧化鋁生產(chǎn)過程中第一個環(huán)節(jié)，其主要任務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)進行細磨，配制出化學成分、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)關鍵的工序之一，原礦漿經(jīng)預脫硅槽脫硅后，進入壓煮器組或管道化溶出設備，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生成鋁酸鈉進入溶液，而氧化鐵和氧化鈦以及大部分的二氧化硅等雜質(zhì)形成固相殘渣即赤泥[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現(xiàn)鋁酸鈉溶液與赤泥的分離，鋁酸鈉溶液送葉濾機進行過濾，濾出精液經(jīng)降溫后與精種混合進分解槽實現(xiàn)精種分解。

分解是氧化鋁生產(chǎn)的另一關鍵工序，其工藝過程為將過濾后的鋁酸鈉溶液降溫，以增大其過飽和濃度，再送到晶種槽中與氫氧化鋁晶種攪拌混合，經(jīng)晶種泵打入首級分解槽中，再經(jīng)多級分解槽連續(xù)降溫和充分攪拌，實現(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，底流送成品過濾；溢流返回后級分解槽。

焙燒是將氫氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸X的工序。焙燒的任務就是在高溫下將氫氧化鋁的附著水以及結晶水除去，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)器和一臺強制循環(huán)結晶蒸發(fā)器及三級閃蒸組成，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)80萬噸氧化鋁項目施工設計圖紙，統(tǒng)計全氧化鋁廠I/O點數(shù)（未含變頻器、馬保點數(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，焙燒為兩臺氣態(tài)懸浮焙燒爐。由于RTD、TC信號均經(jīng)過溫度變送器輸出4～20mA信號，表中未單獨列出RTD、TC信號。

表1 氧化鋁廠控制系統(tǒng)I/O點統(tǒng)計表

3.2 控制系統(tǒng)解決方案

針對氧化鋁生產(chǎn)流程特點及系統(tǒng)規(guī)模，過程控制采用羅克韋爾化PlantPAX系統(tǒng)實現(xiàn)集中控制、調(diào)度模式，網(wǎng)絡結構拓撲圖如圖1所示。氧化鋁廠設一個中央控制室及六個現(xiàn)場控制室。現(xiàn)場控制室（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機柜、交換機及供電等輔助設施，負責現(xiàn)場儀表及電氣設備的信號數(shù)據(jù)采集，然后送往中央控制室。中央控制室放置DCS服務器、操作員站、交換機及供電等輔助設施，負責全氧化鋁廠生產(chǎn)過程的集中監(jiān)控及生產(chǎn)調(diào)度。

網(wǎng)絡設計采用三層網(wǎng)絡結構，即監(jiān)控網(wǎng)、控制網(wǎng)及設備網(wǎng)。監(jiān)控網(wǎng)采用雙環(huán)形網(wǎng)絡結構，二個環(huán)網(wǎng)同時在工作，互為備用?？刂凭W(wǎng)采用冗余ControlNet直接接入系統(tǒng)。設備網(wǎng)采用DeviceNet接入。

現(xiàn)場數(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)，每個系統(tǒng)可以有多條DeviceNet通訊鏈路，每個DeviceNet通訊鏈路均可獨立工作；現(xiàn)場儀表設備（如變送器、氣動閥、熱電阻、電磁流量計等）采用硬接線方式接入系統(tǒng)。

中央控制室配置1對冗余服務器（雙網(wǎng)卡）、1臺工程師站、12臺操作員站（雙屏）、1對交換機、2臺打印機及供電設施等。原料控制室配置1對冗余機架組(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對交換機及供電設施等。溶出控制室配置2對冗余機架組、1對交換機及供電設施等。沉降控制室配置2對冗余機架組、1對交換機及供電設施等。分解控制室配置3對冗余機架組、1對交換機及供電設施等。焙燒控制室配置2對冗余機架組、1對交換機及供電設施等。蒸發(fā)控制室配置2對冗余機架組、1對交換機及供電設施等。

4 結束語

年產(chǎn)80萬噸氧化鋁生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)屬于中小型規(guī)模，羅克韋爾PlantPAX系統(tǒng)硬件成熟、運行可靠，軟件功能強大，具有多種通訊及編程接口，完全滿足該項目對DCS系統(tǒng)的要求。本文從氧化鋁工藝和PlantPAX系統(tǒng)的組成、配置及通信方面進行闡述，并給出了詳細解決方案，該方案已將氧化鋁生產(chǎn)過程中的各個控制系統(tǒng)連接起來，建立了氧化鋁廠的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，并可在此基礎上，研究開發(fā)建立氧化鋁生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)(MES)，把過程控制與生產(chǎn)管理結合起來，使氧化鋁生產(chǎn)過程實現(xiàn)優(yōu)化控制，最終達到優(yōu)化運行和優(yōu)化管理的目的。

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

[2] 羅克韋爾自動化. PlantPAx過程自動化系統(tǒng)參考手冊[Z]. 2012.

[3] 羅克韋爾自動化. PlantPAx_過程自動化系統(tǒng)選型指南[Z]. 2012.

[4] 華镕. PlantPAx關鍵流程控制、安全系統(tǒng)和基礎架構[J]．自動化博覽. 2011(11) .

[5] 莊璽睿, 張航. 淺談氧化鋁生產(chǎn)過程DCS控制系統(tǒng). 輕金屬. 2012(10).

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，工學碩士，高級工程師，現(xiàn)從事有色金屬工業(yè)自動化及儀器儀表研究。