网络控制系统在管道化创新中的应用

1 引言

管道化溶出生产工艺的主体控制系统通过网络控制三个子系统，实现对整个溶出过程生产工艺参数的监视、安全连锁保护和生产管理;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。隔膜泵控制子系统完成隔膜泵的同步控制、转速调节及连锁保护。熔盐炉控制子系统实现对盐泵、熔盐炉的连锁保护及熔盐炉燃烧温度控制。熔盐管路电加热子系统实现熔盐管路表面温度监测和电加热温度控制。

管道化溶出是在高温高压下溶出矿浆中的铝成分的生产工艺过程，具有能大大缩短铝矿石溶出时间，产量高，溶出指标高，节能降耗等优点，新建管道化已成为我公司氧化铝提产的急需，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现有自控系统在实际生产使用中现状，对管道化自控系统进行了创新设计，自动控制系统分为:管道化主体系统、隔膜泵系统、熔盐炉系统、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、电加热三个相对独立的plc子系统，通过控制网络相连，采用先进的计算机控制、仪表检测、电气技术，综合了集散系统、现场总线、可编程控制器及智能仪表，建成了管道化综合网络控制系统，自控系统结构如图1所示。

2 控制系统功能

2.1 主体控制系统

主体控制系统为管道化自控核心，它可以通过网络控制其他3个子系统，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。

自蒸发器及冷凝水器液位调节是主体控制系统的核心。自蒸发系统拥有多级自蒸发器用于完成反应后的矿浆的减温减压，延长矿浆反应时间，提高溶出率，其减温减压过程中所产生的蒸气用于对原矿浆进行预热，自蒸发系统液位的控制直接关系到溶出指标的好坏和系统的节能降耗。但由于自蒸发器之间依次连通，液位相互影响，因此，实现液位自动控制难度比较大，采用传统的控制方法难以达到满意的效果。而人工调节不仅劳动强度大，也不容易实现系统平衡。我们根据系统特点，利用过程控制系统的优势，采用模糊控制和pid控制，实现自蒸发器液位的自动控制，如图2所示。

每一级自蒸发器对应一个单回路调节器，负责本级自蒸发液位控制，plc作为监督管理控制部分，负责非正常情况下各级自蒸发器液位的控制以及正常情况下各调节器控制参数的动态调整。

控制设置手动、自动两种方式，当工艺、自动控制出现异常时，采用手动方式，通过计算机上单回路调节器面板直接控制阀门开关，调节液位。自动控制时，计算机自动判断当前自蒸发器液位状况，当系统刚开始运行或液位波动较大时，系统控制方式自动切换为模糊控制，根据各个自蒸发器当前液位和变化趋势，按照根据工艺要求和操作经验形成的模糊控制规则进行模糊推理，由计算机直接控制回路输出，对各自蒸发器阀门进行较大幅度的调整，当自蒸发器液位基本建立起来后，控制方式切换至pid控制，控制权交单回路调节器，在基本稳定的情况下，由调节器对自蒸发器液位进行调节，在此过程中，计算机随时监视各调节器的运行情况，根据内置的专家知识库，对调节器控制参数进行调整，及时调整系统的反应速度，控制精度，稳定整个自蒸发系统的液位平衡。使控制效果维持在最佳状态。

冷凝水系统与自蒸发系统控制原理类似。

2.2 隔膜泵控制子系统

隔膜泵控制子系统完成隔膜泵的同步控制、转速调节及连锁保护。

隔膜泵为管道化生产流程中的关键设备，通过其实现系统的升压。隔膜泵国产化后采用四台泵联动，变频调速实现300m3/h的进料量，为保证运行过程中出料管内压力平衡，必须保证四台泵同步。泵运行的相位差信号采用旋转编码器配合高速脉冲采集模块实现，同步控制采用基准泵同步方式，以基准泵运转角度为标准，调节其余泵，以实现同步。

由于隔膜泵配套有大量附属安全保护设备，为实现隔膜泵的安全运行，连锁保护设计为:启动连锁和停车连锁两部分。启动连锁设计目的:避免隔膜泵短时间内多次重复启动，保证启动时，各种运行条件全部满足。连锁步骤为:连锁启动，延时保护，隔膜泵附属配套电气设备启动，隔膜泵启动运行条件满足，输出允许开泵信号，根据工艺要求，手动或自动启动隔膜泵。停车连锁设计目的:隔膜泵运行过程中，一旦泵本身或生产工艺出现异常，出现连锁报警信号，根据信号的类型，及时进行报警或自动保护停泵。连锁步骤为:隔膜泵运行，出现连锁报警信号，自动判断报警信号产生的原因（仪表故障、电气干扰、工艺或设备引起），如属工艺或设备原因，预警，超过停泵限值，延时或立即停泵。

2.3 熔盐炉控制子系统

通过熔盐炉可控制重油燃烧，加热熔盐，熔盐通过热交换，加热矿浆至溶出温度。根据熔盐炉的工艺特性，控制主要包括以下两方面:

（1） 连锁保护部分

连锁保护包括盐泵连锁保护和熔盐炉炉本体连锁保护。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。

a） 盐泵连锁

盐泵连锁包括启动连锁和运行连锁，启动过程中，如连锁条件之一不满足，则盐泵不能启动;运行过程中，如有一连锁条件不满足，则盐泵连锁跳停。连锁信号包括:1#加热器盐管温度、2#加热器盐管温度、1#加热器盐管温度、2#加热器盐管温度、盐罐温度、盐泵冷却水流量、盐罐熔盐位置、盐泵电流、控制室紧急停车按钮。盐泵连锁如图3所示。

b） 熔盐炉连锁

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。

（2） 燃烧控制

熔盐炉燃烧控制分为两部分:

由于熔盐炉加热介质选用熔盐，熔盐炉工作时，熔盐在熔盐炉的盘管中循环流动被加热。熔盐熔点较高，而熔盐炉盘管细且距离长，如不对熔盐炉盘管空管进行预热，直接进行熔盐加热，则很容易造成熔盐在盘管中凝固堵塞，造成严重后果。为保证熔盐炉的正常工作，首先对熔盐炉内盘管进行预热，条件满足后转入正常燃烧控制。

熔盐炉燃烧控制采用成熟的双交叉限幅燃烧控制:熔盐炉燃烧的过程中，必须保证燃料的完全燃烧，否则缺氧不完全燃烧，将不仅影响炉子的高效率运行，造成能源的浪费，产生大量烟灰污染环境，而且会对炉子本体造成损坏;空气过剩将烟气带走的热损失增加，有害气体增多，污染环境，腐蚀设备，因此燃烧控制应将空气过剩率控制在最佳区域。

根据低空气过剩率控制要求，理论上采用温度与空/燃比值串级调节的方案，可使燃烧处于最佳状态，但一旦燃油流量有较大波动，由于空气流量是从变量，其响应不能及时跟上，造成缺氧燃烧或过氧燃烧，因此，动态过程中串级比值调节系统不能保持所需的空燃比，对于熔盐炉负荷经常变动这种生产工程，必须采用双交叉限幅控制系统，这类控制系统实质上是一个以温度为主参数、燃油流量和空气流量并列为副参数的串级调节系统，并带有交叉限幅逻辑功能的比值调节系统，使系统不仅能根据实测的燃料流量对空气流量进行上下限幅，而且能根据实际的空气流量反过来对重油流量进行限制，通过空、燃流量的相互制约，确保在动态过程中维持合适的空燃比，从而使盐温达到给定的要求，而燃烧工况始终保持在低过剩空气系数的经济合理状态。

当调整熔盐炉负荷时，燃料量与风量相互交叉限制，可确保燃烧控制始终保持在充分燃烧的基础上:燃油控制器根据盐温实际值和给定值偏差调节油阀，控制重油流量，实现盐温控制;空气控制器调节空气阀，控制空气流量;燃油控制器和空气控制器互相配合，保持合适风油比（需要提温时，首先开大风门，提高风流量，然后再开大油阀，提高油流量;减温时，首先减小油阀开度，减小油流量，然后，减小空气阀开度，减小空气流量;这样可避免不完全燃烧。），通过对燃烧的控制实现熔盐炉内盘管中熔盐加热控制。控制原理如图4所示。

2.4 熔盐管路电伴热子系统

其作用是为熔盐本身及流经的管路在投产前进行伴热，控制熔盐及管路温度保持在180℃以上250℃以下，使熔盐无论在盐罐保存还是在管路中循环均保持液状，以避免管路温度过低凝固，堵塞管路，引起局部高压，损坏设备。

电伴热系统包括:盐罐、盐管、盐阀等设备的伴热，由于本系统中大部分为模拟量信号:电流和热电阻温度信号两种，电流信号用于监视各回路三相电是否正常，断、短路报警，但不参与控制;温度信号参与控制，测温元件均为pt100热电阻。针对本系统特点:模拟量多、实时性要求不是很高。在保证控制、监视的基础上，可采用32点开关量输出模板进行切换，公共输出接至模拟量采集模板，配合软件编程可实现8路信号通过切换公用一个模拟量模板的通道。可节省大量模拟量模板，从而大大降低了系统成本。

以温度信号为例:接线如图5所示，三线制pt100测温元件的三根线分别接至开关量输出模板三组中相同次序的通道上，三组共可接8个pt100信号，将三组的公共端分别接至pt100采集模板的第一通道的三个端子上，配合程序即可实现8路温度信号公用一个模拟量通道。

电伴热丝送电后产生热量预热管道。本系统控制要求比较简单，要求控制各回路温度保持在工艺要求的温度值，允许有一定的波动范围。依据工艺要求，控制方法采用简单的上下限控制，当回路温度低于下限值，加热回路接通开始加热，当回路温度高于上限值时停止加热。采用此种方法可比采用常规pid控制大大减少继电器、空气开关的动作频率，延长设备寿命。但如果控制实时性要求比较高，则此种方式不适用。考虑到每个回路均有多只测温元件，现场管道维修过程中经常需要拆卸，导致个别元件因安装位置等原因测温不准，因此，在每个控制回路中设置有保护高限，当回路测温元件测温差别较大时，可防止回路持续加热，造成电伴热丝过热损坏。调整设定温度的上下限范围可调整控制精度。

3 生产过程操作、管理

管道化溶出生产过程操作、管理系统选用成熟先进的工控软件开发，具有运行稳定可靠，开发设计容易，功能强大等特点。系统完成的功能:

（1） 主控室设备控制全部通过计算机操作站进行。操作方式分为:计算机软手动、计算机自动两种方式。

（2） 表部分:取消传统控制系统中的二次仪表、声光报警器、记录仪、仪表盘，由计算机实现生产工艺流程图动态显示，数据的实时显示、累计、报警、历史曲线显示、数据保存。

（3） 电气部分:取消电气盘，所有电气设备的操作、运行状态及电流电压指示、故障报警全部由计算机完成。电气连锁通过plc编程实现，所有设备现场设置就地操作箱，具有设备就地开停操作、就地与计算机切换、设备调试及检修、重要设备的电流、电压指示等功能。需要调速的电气设备均采用技术、性能先进的变频调速，以方便实现计算机控制和实现节能，减少大型电气设备启动时对电网的冲击以及机械设备启动时的机械应力。