1 引言 管道化溶出生產(chǎn)工藝的主體控制系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制三個(gè)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)溶出過(guò)程生產(chǎn)工藝參數(shù)的監(jiān)視、安全連鎖保護(hù)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(hù)。熔鹽爐控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)鹽泵、熔鹽爐的連鎖保護(hù)及熔鹽爐燃燒溫度控制。熔鹽管路電加熱子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熔鹽管路表面溫度監(jiān)測(cè)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(guò)程，具有能大大縮短鋁礦石溶出時(shí)間，產(chǎn)量高，溶出指標(biāo)高，節(jié)能降耗等優(yōu)點(diǎn)，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(yùn)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(shí)際生產(chǎn)使用中現(xiàn)狀，對(duì)管道化自控系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，自動(dòng)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(gè)相對(duì)獨(dú)立的plc子系統(tǒng)，通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)相連，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制、儀表檢測(cè)、電氣技術(shù)，綜合了集散系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)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(guò)網(wǎng)絡(luò)控制其他3個(gè)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)溶出過(guò)程生產(chǎn)工藝參數(shù)的監(jiān)視及安全連鎖保護(hù);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(jí)自蒸發(fā)器用于完成反應(yīng)后的礦漿的減溫減壓，延長(zhǎng)礦漿反應(yīng)時(shí)間，提高溶出率，其減溫減壓過(guò)程中所產(chǎn)生的蒸氣用于對(duì)原礦漿進(jìn)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(biāo)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(shí)現(xiàn)液位自動(dòng)控制難度比較大，采用傳統(tǒng)的控制方法難以達(dá)到滿意的效果。而人工調(diào)節(jié)不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，也不容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平衡。我們根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，利用過(guò)程控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，采用模糊控制和pid控制，實(shí)現(xiàn)自蒸發(fā)器液位的自動(dòng)控制，如圖2所示。 每一級(jí)自蒸發(fā)器對(duì)應(yīng)一個(gè)單回路調(diào)節(jié)器，負(fù)責(zé)本級(jí)自蒸發(fā)液位控制，plc作為監(jiān)督管理控制部分，負(fù)責(zé)非正常情況下各級(jí)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(dòng)態(tài)調(diào)整。 控制設(shè)置手動(dòng)、自動(dòng)兩種方式，當(dāng)工藝、自動(dòng)控制出現(xiàn)異常時(shí)，采用手動(dòng)方式，通過(guò)計(jì)算機(jī)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(dòng)控制時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)判斷當(dāng)前自蒸發(fā)器液位狀況，當(dāng)系統(tǒng)剛開始運(yùn)行或液位波動(dòng)較大時(shí)，系統(tǒng)控制方式自動(dòng)切換為模糊控制，根據(jù)各個(gè)自蒸發(fā)器當(dāng)前液位和變化趨勢(shì)，按照根據(jù)工藝要求和操作經(jīng)驗(yàn)形成的模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，由計(jì)算機(jī)直接控制回路輸出，對(duì)各自蒸發(fā)器閥門進(jìn)行較大幅度的調(diào)整，當(dāng)自蒸發(fā)器液位基本建立起來(lái)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(duì)自蒸發(fā)器液位進(jìn)行調(diào)節(jié)，在此過(guò)程中，計(jì)算機(jī)隨時(shí)監(jiān)視各調(diào)節(jié)器的運(yùn)行情況，根據(jù)內(nèi)置的專家知識(shí)庫(kù)，對(duì)調(diào)節(jié)器控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的反應(yīng)速度，控制精度，穩(wěn)定整個(gè)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(hù)。 隔膜泵為管道化生產(chǎn)流程中的關(guān)鍵設(shè)備，通過(guò)其實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升壓。隔膜泵國(guó)產(chǎn)化后采用四臺(tái)泵聯(lián)動(dòng)，變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)300m3/h的進(jìn)料量，為保證運(yùn)行過(guò)程中出料管內(nèi)壓力平衡，必須保證四臺(tái)泵同步。泵運(yùn)行的相位差信號(hào)采用旋轉(zhuǎn)編碼器配合高速脈沖采集模塊實(shí)現(xiàn)，同步控制采用基準(zhǔn)泵同步方式，以基準(zhǔn)泵運(yùn)轉(zhuǎn)角度為標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)其余泵，以實(shí)現(xiàn)同步。 由于隔膜泵配套有大量附屬安全保護(hù)設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)隔膜泵的安全運(yùn)行，連鎖保護(hù)設(shè)計(jì)為:啟動(dòng)連鎖和停車連鎖兩部分。啟動(dòng)連鎖設(shè)計(jì)目的:避免隔膜泵短時(shí)間內(nèi)多次重復(fù)啟動(dòng)，保證啟動(dòng)時(shí)，各種運(yùn)行條件全部滿足。連鎖步驟為:連鎖啟動(dòng)，延時(shí)保護(hù)，隔膜泵附屬配套電氣設(shè)備啟動(dòng)，隔膜泵啟動(dòng)運(yùn)行條件滿足，輸出允許開泵信號(hào)，根據(jù)工藝要求，手動(dòng)或自動(dòng)啟動(dòng)隔膜泵。停車連鎖設(shè)計(jì)目的:隔膜泵運(yùn)行過(guò)程中，一旦泵本身或生產(chǎn)工藝出現(xiàn)異常，出現(xiàn)連鎖報(bào)警信號(hào)，根據(jù)信號(hào)的類型，及時(shí)進(jìn)行報(bào)警或自動(dòng)保護(hù)停泵。連鎖步驟為:隔膜泵運(yùn)行，出現(xiàn)連鎖報(bào)警信號(hào)，自動(dòng)判斷報(bào)警信號(hào)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(guò)停泵限值，延時(shí)或立即停泵。 2.3 熔鹽爐控制子系統(tǒng) 通過(guò)熔鹽爐可控制重油燃燒，加熱熔鹽，熔鹽通過(guò)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(hù)部分 連鎖保護(hù)包括鹽泵連鎖保護(hù)和熔鹽爐爐本體連鎖保護(hù)。連鎖信號(hào)全部進(jìn)plc，由plc內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)連鎖、輸出保護(hù)動(dòng)作、進(jìn)行信號(hào)報(bào)警。 a） 鹽泵連鎖 鹽泵連鎖包括啟動(dòng)連鎖和運(yùn)行連鎖，啟動(dòng)過(guò)程中，如連鎖條件之一不滿足，則鹽泵不能啟動(dòng);運(yùn)行過(guò)程中，如有一連鎖條件不滿足，則鹽泵連鎖跳停。連鎖信號(hào)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(duì)熔鹽爐進(jìn)行操作。熔鹽爐連鎖信號(hào)包括:鹽泵運(yùn)行狀態(tài)、鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、風(fēng)流量、排煙機(jī)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(shí)，熔鹽在熔鹽爐的盤管中循環(huán)流動(dòng)被加熱。熔鹽熔點(diǎn)較高，而熔鹽爐盤管細(xì)且距離長(zhǎng)，如不對(duì)熔鹽爐盤管空管進(jìn)行預(yù)熱，直接進(jìn)行熔鹽加熱，則很容易造成熔鹽在盤管中凝固堵塞，造成嚴(yán)重后果。為保證熔鹽爐的正常工作，首先對(duì)熔鹽爐內(nèi)盤管進(jìn)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(guò)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(yùn)行，造成能源的浪費(fèi)，產(chǎn)生大量煙灰污染環(huán)境，而且會(huì)對(duì)爐子本體造成損壞;空氣過(guò)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(guò)剩率控制在最佳區(qū)域。 根據(jù)低空氣過(guò)剩率控制要求，理論上采用溫度與空/燃比值串級(jí)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(dòng)，由于空氣流量是從變量，其響應(yīng)不能及時(shí)跟上，造成缺氧燃燒或過(guò)氧燃燒，因此，動(dòng)態(tài)過(guò)程中串級(jí)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能保持所需的空燃比，對(duì)于熔鹽爐負(fù)荷經(jīng)常變動(dòng)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(shí)質(zhì)上是一個(gè)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(jí)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(shí)測(cè)的燃料流量對(duì)空氣流量進(jìn)行上下限幅，而且能根據(jù)實(shí)際的空氣流量反過(guò)來(lái)對(duì)重油流量進(jìn)行限制，通過(guò)空、燃流量的相互制約，確保在動(dòng)態(tài)過(guò)程中維持合適的空燃比，從而使鹽溫達(dá)到給定的要求，而燃燒工況始終保持在低過(guò)剩空氣系數(shù)的經(jīng)濟(jì)合理狀態(tài)。 當(dāng)調(diào)整熔鹽爐負(fù)荷時(shí)，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(shí)際值和給定值偏差調(diào)節(jié)油閥，控制重油流量，實(shí)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(shí)，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(shí)，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(guò)對(duì)燃燒的控制實(shí)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(jìn)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(wú)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(guò)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(hào):電流和熱電阻溫度信號(hào)兩種，電流信號(hào)用于監(jiān)視各回路三相電是否正常，斷、短路報(bào)警，但不參與控制;溫度信號(hào)參與控制，測(cè)溫元件均為pt100熱電阻。針對(duì)本系統(tǒng)特點(diǎn):模擬量多、實(shí)時(shí)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(diǎn)開關(guān)量輸出模板進(jìn)行切換，公共輸出接至模擬量采集模板，配合軟件編程可實(shí)現(xiàn)8路信號(hào)通過(guò)切換公用一個(gè)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(hào)為例:接線如圖5所示，三線制pt100測(cè)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(gè)pt100信號(hào)，將三組的公共端分別接至pt100采集模板的第一通道的三個(gè)端子上，配合程序即可實(shí)現(xiàn)8路溫度信號(hào)公用一個(gè)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(jiǎn)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(dòng)范圍。依據(jù)工藝要求，控制方法采用簡(jiǎn)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(shí)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(dòng)作頻率，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。但如果控制實(shí)時(shí)性要求比較高，則此種方式不適用?？紤]到每個(gè)回路均有多只測(cè)溫元件，現(xiàn)場(chǎng)管道維修過(guò)程中經(jīng)常需要拆卸，導(dǎo)致個(gè)別元件因安裝位置等原因測(cè)溫不準(zhǔn)，因此，在每個(gè)控制回路中設(shè)置有保護(hù)高限，當(dāng)回路測(cè)溫元件測(cè)溫差別較大時(shí)，可防止回路持續(xù)加熱，造成電伴熱絲過(guò)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(guò)程操作、管理 管道化溶出生產(chǎn)過(guò)程操作、管理系統(tǒng)選用成熟先進(jìn)的工控軟件開發(fā)，具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠，開發(fā)設(shè)計(jì)容易，功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。系統(tǒng)完成的功能: （1） 主控室設(shè)備控制全部通過(guò)計(jì)算機(jī)操作站進(jìn)行。操作方式分為:計(jì)算機(jī)軟手動(dòng)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(bào)警器、記錄儀、儀表盤，由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝流程圖動(dòng)態(tài)顯示，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、累計(jì)、報(bào)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(yùn)行狀態(tài)及電流電壓指示、故障報(bào)警全部由計(jì)算機(jī)完成。電氣連鎖通過(guò)plc編程實(shí)現(xiàn)，所有設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置就地操作箱，具有設(shè)備就地開停操作、就地與計(jì)算機(jī)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(jìn)的變頻調(diào)速，以方便實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制和實(shí)現(xiàn)節(jié)能，減少大型電氣設(shè)備啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊以及機(jī)械設(shè)備啟動(dòng)時(shí)的機(jī)械應(yīng)力。