1 引言 管道化溶出生產(chǎn)工藝的主體控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)控制三個子系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個溶出過程生產(chǎn)工藝參數(shù)的監(jiān)視、安全連鎖保護和生產(chǎn)管理;預(yù)脫硅、溶出、自蒸發(fā)、稀釋、酸洗等工段電氣設(shè)備的控制;自蒸發(fā)器及冷凝水器液位調(diào)節(jié)。隔膜泵控制子系統(tǒng)完成隔膜泵的同步控制、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)及連鎖保護。熔鹽爐控制子系統(tǒng)實現(xiàn)對鹽泵、熔鹽爐的連鎖保護及熔鹽爐燃燒溫度控制。熔鹽管路電加熱子系統(tǒng)實現(xiàn)熔鹽管路表面溫度監(jiān)測和電加熱溫度控制。 管道化溶出是在高溫高壓下溶出礦漿中的鋁成分的生產(chǎn)工藝過程，具有能大大縮短鋁礦石溶出時間，產(chǎn)量高，溶出指標高，節(jié)能降耗等優(yōu)點，新建管道化已成為我公司氧化鋁提產(chǎn)的急需，為保證新建管道化系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，根據(jù)管道化溶出的生產(chǎn)工藝要求及現(xiàn)有自控系統(tǒng)在實際生產(chǎn)使用中現(xiàn)狀，對管道化自控系統(tǒng)進行了創(chuàng)新設(shè)計，自動控制系統(tǒng)分為:管道化主體系統(tǒng)、隔膜泵系統(tǒng)、熔鹽爐系統(tǒng)、熔鹽電加熱系統(tǒng)等四大部分，系統(tǒng)以主體dcs為核心，下掛隔膜泵、熔鹽爐、電加熱三個相對獨立的plc子系統(tǒng)，通過控制網(wǎng)絡(luò)相連，采用先進的計算機控制、儀表檢測、電氣技術(shù)，綜合了集散系統(tǒng)、現(xiàn)場總線、可編程控制器及智能儀表，建成了管道化綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 2 控制系統(tǒng)功能 2.1 主體控制系統(tǒng) 主體控制系統(tǒng)為管道化自控核心，它可以通過網(wǎng)絡(luò)控制其他3個子系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個溶出過程生產(chǎn)工藝參數(shù)的監(jiān)視及安全連鎖保護;預(yù)脫硅、溶出、自蒸發(fā)、稀釋、酸洗等工段電氣設(shè)備的控制;自蒸發(fā)器及冷凝水器液位調(diào)節(jié)。 自蒸發(fā)器及冷凝水器液位調(diào)節(jié)是主體控制系統(tǒng)的核心。自蒸發(fā)系統(tǒng)擁有多級自蒸發(fā)器用于完成反應(yīng)后的礦漿的減溫減壓，延長礦漿反應(yīng)時間，提高溶出率，其減溫減壓過程中所產(chǎn)生的蒸氣用于對原礦漿進行預(yù)熱，自蒸發(fā)系統(tǒng)液位的控制直接關(guān)系到溶出指標的好壞和系統(tǒng)的節(jié)能降耗。但由于自蒸發(fā)器之間依次連通，液位相互影響，因此，實現(xiàn)液位自動控制難度比較大，采用傳統(tǒng)的控制方法難以達到滿意的效果。而人工調(diào)節(jié)不僅勞動強度大，也不容易實現(xiàn)系統(tǒng)平衡。我們根據(jù)系統(tǒng)特點，利用過程控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，采用模糊控制和pid控制，實現(xiàn)自蒸發(fā)器液位的自動控制，如圖2所示。 每一級自蒸發(fā)器對應(yīng)一個單回路調(diào)節(jié)器，負責(zé)本級自蒸發(fā)液位控制，plc作為監(jiān)督管理控制部分，負責(zé)非正常情況下各級自蒸發(fā)器液位的控制以及正常情況下各調(diào)節(jié)器控制參數(shù)的動態(tài)調(diào)整。 控制設(shè)置手動、自動兩種方式，當(dāng)工藝、自動控制出現(xiàn)異常時，采用手動方式，通過計算機上單回路調(diào)節(jié)器面板直接控制閥門開關(guān)，調(diào)節(jié)液位。自動控制時，計算機自動判斷當(dāng)前自蒸發(fā)器液位狀況，當(dāng)系統(tǒng)剛開始運行或液位波動較大時，系統(tǒng)控制方式自動切換為模糊控制，根據(jù)各個自蒸發(fā)器當(dāng)前液位和變化趨勢，按照根據(jù)工藝要求和操作經(jīng)驗形成的模糊控制規(guī)則進行模糊推理，由計算機直接控制回路輸出，對各自蒸發(fā)器閥門進行較大幅度的調(diào)整，當(dāng)自蒸發(fā)器液位基本建立起來后，控制方式切換至pid控制，控制權(quán)交單回路調(diào)節(jié)器，在基本穩(wěn)定的情況下，由調(diào)節(jié)器對自蒸發(fā)器液位進行調(diào)節(jié)，在此過程中，計算機隨時監(jiān)視各調(diào)節(jié)器的運行情況，根據(jù)內(nèi)置的專家知識庫，對調(diào)節(jié)器控制參數(shù)進行調(diào)整，及時調(diào)整系統(tǒng)的反應(yīng)速度，控制精度，穩(wěn)定整個自蒸發(fā)系統(tǒng)的液位平衡。使控制效果維持在最佳狀態(tài)。 冷凝水系統(tǒng)與自蒸發(fā)系統(tǒng)控制原理類似。 2.2 隔膜泵控制子系統(tǒng) 隔膜泵控制子系統(tǒng)完成隔膜泵的同步控制、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)及連鎖保護。 隔膜泵為管道化生產(chǎn)流程中的關(guān)鍵設(shè)備，通過其實現(xiàn)系統(tǒng)的升壓。隔膜泵國產(chǎn)化后采用四臺泵聯(lián)動，變頻調(diào)速實現(xiàn)300m3/h的進料量，為保證運行過程中出料管內(nèi)壓力平衡，必須保證四臺泵同步。泵運行的相位差信號采用旋轉(zhuǎn)編碼器配合高速脈沖采集模塊實現(xiàn)，同步控制采用基準泵同步方式，以基準泵運轉(zhuǎn)角度為標準，調(diào)節(jié)其余泵，以實現(xiàn)同步。 由于隔膜泵配套有大量附屬安全保護設(shè)備，為實現(xiàn)隔膜泵的安全運行，連鎖保護設(shè)計為:啟動連鎖和停車連鎖兩部分。啟動連鎖設(shè)計目的:避免隔膜泵短時間內(nèi)多次重復(fù)啟動，保證啟動時，各種運行條件全部滿足。連鎖步驟為:連鎖啟動，延時保護，隔膜泵附屬配套電氣設(shè)備啟動，隔膜泵啟動運行條件滿足，輸出允許開泵信號，根據(jù)工藝要求，手動或自動啟動隔膜泵。停車連鎖設(shè)計目的:隔膜泵運行過程中，一旦泵本身或生產(chǎn)工藝出現(xiàn)異常，出現(xiàn)連鎖報警信號，根據(jù)信號的類型，及時進行報警或自動保護停泵。連鎖步驟為:隔膜泵運行，出現(xiàn)連鎖報警信號，自動判斷報警信號產(chǎn)生的原因（儀表故障、電氣干擾、工藝或設(shè)備引起），如屬工藝或設(shè)備原因，預(yù)警，超過停泵限值，延時或立即停泵。 2.3 熔鹽爐控制子系統(tǒng) 通過熔鹽爐可控制重油燃燒，加熱熔鹽，熔鹽通過熱交換，加熱礦漿至溶出溫度。根據(jù)熔鹽爐的工藝特性，控制主要包括以下兩方面: （1） 連鎖保護部分 連鎖保護包括鹽泵連鎖保護和熔鹽爐爐本體連鎖保護。連鎖信號全部進plc，由plc內(nèi)部編程實現(xiàn)連鎖、輸出保護動作、進行信號報警。 a） 鹽泵連鎖 鹽泵連鎖包括啟動連鎖和運行連鎖，啟動過程中，如連鎖條件之一不滿足，則鹽泵不能啟動;運行過程中，如有一連鎖條件不滿足，則鹽泵連鎖跳停。連鎖信號包括:1#加熱器鹽管溫度、2#加熱器鹽管溫度、1#加熱器鹽管溫度、2#加熱器鹽管溫度、鹽罐溫度、鹽泵冷卻水流量、鹽罐熔鹽位置、鹽泵電流、控制室緊急停車按鈕。鹽泵連鎖如圖3所示。 b） 熔鹽爐連鎖 熔鹽爐連鎖為與連鎖，只有當(dāng)熔鹽爐連鎖滿足后，方可對熔鹽爐進行操作。熔鹽爐連鎖信號包括:鹽泵運行狀態(tài)、鼓風(fēng)機運行狀態(tài)、風(fēng)流量、排煙機風(fēng)門位置、熔鹽爐出口鹽溫、熔鹽爐盤管溫度、煙氣溫度、儀表用空氣壓力、燃油溫度、燃油壓力、霧化蒸汽壓力。 （2） 燃燒控制 熔鹽爐燃燒控制分為兩部分: 由于熔鹽爐加熱介質(zhì)選用熔鹽，熔鹽爐工作時，熔鹽在熔鹽爐的盤管中循環(huán)流動被加熱。熔鹽熔點較高，而熔鹽爐盤管細且距離長，如不對熔鹽爐盤管空管進行預(yù)熱，直接進行熔鹽加熱，則很容易造成熔鹽在盤管中凝固堵塞，造成嚴重后果。為保證熔鹽爐的正常工作，首先對熔鹽爐內(nèi)盤管進行預(yù)熱，條件滿足后轉(zhuǎn)入正常燃燒控制。 熔鹽爐燃燒控制采用成熟的雙交叉限幅燃燒控制:熔鹽爐燃燒的過程中，必須保證燃料的完全燃燒，否則缺氧不完全燃燒，將不僅影響爐子的高效率運行，造成能源的浪費，產(chǎn)生大量煙灰污染環(huán)境，而且會對爐子本體造成損壞;空氣過剩將煙氣帶走的熱損失增加，有害氣體增多，污染環(huán)境，腐蝕設(shè)備，因此燃燒控制應(yīng)將空氣過剩率控制在最佳區(qū)域。 根據(jù)低空氣過剩率控制要求，理論上采用溫度與空/燃比值串級調(diào)節(jié)的方案，可使燃燒處于最佳狀態(tài)，但一旦燃油流量有較大波動，由于空氣流量是從變量，其響應(yīng)不能及時跟上，造成缺氧燃燒或過氧燃燒，因此，動態(tài)過程中串級比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能保持所需的空燃比，對于熔鹽爐負荷經(jīng)常變動這種生產(chǎn)工程，必須采用雙交叉限幅控制系統(tǒng)，這類控制系統(tǒng)實質(zhì)上是一個以溫度為主參數(shù)、燃油流量和空氣流量并列為副參數(shù)的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并帶有交叉限幅邏輯功能的比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使系統(tǒng)不僅能根據(jù)實測的燃料流量對空氣流量進行上下限幅，而且能根據(jù)實際的空氣流量反過來對重油流量進行限制，通過空、燃流量的相互制約，確保在動態(tài)過程中維持合適的空燃比，從而使鹽溫達到給定的要求，而燃燒工況始終保持在低過?？諝庀禂?shù)的經(jīng)濟合理狀態(tài)。 當(dāng)調(diào)整熔鹽爐負荷時，燃料量與風(fēng)量相互交叉限制，可確保燃燒控制始終保持在充分燃燒的基礎(chǔ)上:燃油控制器根據(jù)鹽溫實際值和給定值偏差調(diào)節(jié)油閥，控制重油流量，實現(xiàn)鹽溫控制;空氣控制器調(diào)節(jié)空氣閥，控制空氣流量;燃油控制器和空氣控制器互相配合，保持合適風(fēng)油比（需要提溫時，首先開大風(fēng)門，提高風(fēng)流量，然后再開大油閥，提高油流量;減溫時，首先減小油閥開度，減小油流量，然后，減小空氣閥開度，減小空氣流量;這樣可避免不完全燃燒。），通過對燃燒的控制實現(xiàn)熔鹽爐內(nèi)盤管中熔鹽加熱控制?？刂圃砣鐖D4所示。 2.4 熔鹽管路電伴熱子系統(tǒng) 其作用是為熔鹽本身及流經(jīng)的管路在投產(chǎn)前進行伴熱，控制熔鹽及管路溫度保持在180℃以上250℃以下，使熔鹽無論在鹽罐保存還是在管路中循環(huán)均保持液狀，以避免管路溫度過低凝固，堵塞管路，引起局部高壓，損壞設(shè)備。 電伴熱系統(tǒng)包括:鹽罐、鹽管、鹽閥等設(shè)備的伴熱，由于本系統(tǒng)中大部分為模擬量信號:電流和熱電阻溫度信號兩種，電流信號用于監(jiān)視各回路三相電是否正常，斷、短路報警，但不參與控制;溫度信號參與控制，測溫元件均為pt100熱電阻。針對本系統(tǒng)特點:模擬量多、實時性要求不是很高。在保證控制、監(jiān)視的基礎(chǔ)上，可采用32點開關(guān)量輸出模板進行切換，公共輸出接至模擬量采集模板，配合軟件編程可實現(xiàn)8路信號通過切換公用一個模擬量模板的通道?？晒?jié)省大量模擬量模板，從而大大降低了系統(tǒng)成本。 以溫度信號為例:接線如圖5所示，三線制pt100測溫元件的三根線分別接至開關(guān)量輸出模板三組中相同次序的通道上，三組共可接8個pt100信號，將三組的公共端分別接至pt100采集模板的第一通道的三個端子上，配合程序即可實現(xiàn)8路溫度信號公用一個模擬量通道。 電伴熱絲送電后產(chǎn)生熱量預(yù)熱管道。本系統(tǒng)控制要求比較簡單，要求控制各回路溫度保持在工藝要求的溫度值，允許有一定的波動范圍。依據(jù)工藝要求，控制方法采用簡單的上下限控制，當(dāng)回路溫度低于下限值，加熱回路接通開始加熱，當(dāng)回路溫度高于上限值時停止加熱。采用此種方法可比采用常規(guī)pid控制大大減少繼電器、空氣開關(guān)的動作頻率，延長設(shè)備壽命。但如果控制實時性要求比較高，則此種方式不適用?？紤]到每個回路均有多只測溫元件，現(xiàn)場管道維修過程中經(jīng)常需要拆卸，導(dǎo)致個別元件因安裝位置等原因測溫不準，因此，在每個控制回路中設(shè)置有保護高限，當(dāng)回路測溫元件測溫差別較大時，可防止回路持續(xù)加熱，造成電伴熱絲過熱損壞。調(diào)整設(shè)定溫度的上下限范圍可調(diào)整控制精度。 3 生產(chǎn)過程操作、管理 管道化溶出生產(chǎn)過程操作、管理系統(tǒng)選用成熟先進的工控軟件開發(fā)，具有運行穩(wěn)定可靠，開發(fā)設(shè)計容易，功能強大等特點。系統(tǒng)完成的功能: （1） 主控室設(shè)備控制全部通過計算機操作站進行。操作方式分為:計算機軟手動、計算機自動兩種方式。 （2） 表部分:取消傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的二次儀表、聲光報警器、記錄儀、儀表盤，由計算機實現(xiàn)生產(chǎn)工藝流程圖動態(tài)顯示，數(shù)據(jù)的實時顯示、累計、報警、歷史曲線顯示、數(shù)據(jù)保存。 （3） 電氣部分:取消電氣盤，所有電氣設(shè)備的操作、運行狀態(tài)及電流電壓指示、故障報警全部由計算機完成。電氣連鎖通過plc編程實現(xiàn)，所有設(shè)備現(xiàn)場設(shè)置就地操作箱，具有設(shè)備就地開停操作、就地與計算機切換、設(shè)備調(diào)試及檢修、重要設(shè)備的電流、電壓指示等功能。需要調(diào)速的電氣設(shè)備均采用技術(shù)、性能先進的變頻調(diào)速，以方便實現(xiàn)計算機控制和實現(xiàn)節(jié)能，減少大型電氣設(shè)備啟動時對電網(wǎng)的沖擊以及機械設(shè)備啟動時的機械應(yīng)力。