罗克韦尔自动化PlantPAX系统在氧化铝生产中的应用

贵阳铝镁设计研究院有限公司 黄其杨

罗克韦尔自动化PlantPAX系统在氧化铝生产中的应用

贵阳铝镁设计研究院有限公司 黄其杨

本文介绍了罗克韦尔自动化PlantPAX自动化系统的结构和功能,以及其在氧化铝生产过程中的系统应用情况,详细描述该项目过程控制系统的组成、配置及通信方法,为今后类似项目过程控制系统的选型与配置提供借鉴。

PlantPAX；氧化铝生产；集散控制系统(DCS)

氧化铝的冶炼过程相对较为复杂，具有很强的专业性和连贯性，涉及到原料、溶出、沉降、分解、焙烧和蒸发六个主要环节，对产品质量的过程控制要求严格[1]。如何通过先进的技术手段加强对生产过程的控制、进行科学的管理、实现降低成本的目的，是目前企业亟需解决的问题。随着计算机技术、通讯技术、网络技术和自动化控制水平的不断发展，集散控制系统(DCS)被广泛应用于工业生产中，利用DCS控制系统的优势，将DCS控制系统应用到氧化铝的生产过程中，提高生产效率与产品质量，给氧化铝生产流程中存在的问题提出了很好的技术解决方案。PlantPAX系统是罗克韦尔自动化在过程自动化领域推出的新一代DCS控制系统，本文就其系统结构和功能方面及其在氧化铝生产过程中的具体应用予以分析探讨。

1 PlantPAX体系结构简介

罗克韦尔自动化使用集成架构技术，PlantPAx过程自动化系统是标准罗克韦尔自动化“集成架构”(IA) 产品的一个定义组合，这些产品按规定方式进行组态以实现其作为过程自动化系统的最佳性能[2]。PlantPAx根据过程自动化系统的规模或架构类别来对过程自动化系统进行性能描述构架，架构类别可提供灵活的伸缩性和扩展性，同样的系统组件可以按照应用大小进行变化。独立系统架构用于单元控制，集中系统架构用于区域控制，分布控制架构用于全厂级或者企业的运行。

集中、分布架构系统是由采用EtherNet/IP、ControlNet及DeviceNet技术的控制网络连接各工程师站(EWS)、操作员站(OWS)、现场控制站、过程自动化系统服务器(PASS)组成的综合自动化系统。系统采用全分散的模块化结构，由以太网、控制网和设备网三个层次组成，监控层采用以太网(EntherNet)实现系统数据交换；中间层为控制层(ControlNet)负责系统通讯；底层是设备(DeviceNet)层连接就地设备。

监控层网络由10/100Mbps冗余快速以太网络构成。用于系统服务器、工程师站及操作员站的连接，完成工程师站的数据下装，系统服务器与操作员站的实时数据通讯。可采用目前最成熟也是最安全可靠的双环形网络结构，二个环网同时在工作，互为备用，任何一个环网故障都不影响另一个环网正常工作，从网络上保证了系统的安全可靠。

控制层网络由冗余ControlNet构成。ControlNet 网络支持控制器下行链路以及与远程 I/O 和现场设备接口的连接。ControlNet网络结合了I/O网络与对等网络的功能，提供高速性能，能够对关键控制数据提供确定的、可重复的传输。通讯速率可达5Mbps，节点数99个。

设备层网络由DeviceNet构成。DeviceNet网络是一种开放的设备级网络，可用于简单工业设备(如传感器和执行器等)与上层设备(如控制器和计算机等)之间的连接[2]。DeviceNet网络是并形网络，所有设备并接在DeviceNet网络上，可以采用多种灵活的网络结构。所有连接处采用插接件，避免因人为因素造成短路。通讯速率可达500Kbps，节点数64个。

过程控制自动化系统服务器(PASS)是必需的系统元素，装载着运行系统所需的重要软件组件，重要软件组件包括数据服务器、HMI服务器和报警服务器，可进行冗余配置[3]。工程师站(EWS)支持系统组态、应用程序开发和维护功能，是监视和维护系统运行的中心。操作员站(OWS)提供过程的图形化视图和界面，支持操作员交互，对整个系统进行监视和控制。现场控制站由主控单元、智能I/O单元、电源单元、现场总线和机柜等部分组成，采用分布式结构设计，扩展性强，主控单元采用ControlLogix控制器，可进行冗余配置。

2 氧化铝生产流程

氧化铝生产过程主要包括原料、溶出、沉降、分解、焙烧和蒸发六个主要环节。

原料车间是氧化铝生产过程中第一个环节，其主要任务是将铝土矿破碎到符合要求的粒度(如处理一水硬铝石矿需加适量的石灰)，与含有游离NaOH的循环母液按一定比例配合，送入湿磨内进行细磨，配制出化学成分、物理性能都符合溶出要求的原矿浆。

高压溶出是拜耳法氧化铝生产关键的工序之一，原矿浆经预脱硅槽脱硅后，进入压煮器组或管道化溶出设备，在一定温度和压力下溶出。铝土矿内所含氧化铝与氧化钠反应生成铝酸钠进入溶液，而氧化铁和氧化钛以及大部分的二氧化硅等杂质形成固相残渣即赤泥[1]。溶出所得矿浆称为溶出矿浆，经自蒸发器减压降温后再进行稀释。

沉降分离系统是将稀释后的溶出矿浆在絮凝剂作用下在沉降槽中实现铝酸钠溶液与赤泥的分离，铝酸钠溶液送叶滤机进行过滤，滤出精液经降温后与精种混合进分解槽实现精种分解。

分解是氧化铝生产的另一关键工序，其工艺过程为将过滤后的铝酸钠溶液降温，以增大其过饱和浓度，再送到晶种槽中与氢氧化铝晶种搅拌混合，经晶种泵打入首级分解槽中，再经多级分解槽连续降温和充分搅拌，实现氢氧化铝的析出[1]。分解浆液再由立式泵打入旋流器旋流分级，底流送成品过滤；溢流返回后级分解槽。

焙烧是将氢氧化铝转变为氧化铝的工序。焙烧的任务就是在高温下将氢氧化铝的附着水以及结晶水除去，并使其晶形发生部分转变，以获得适合电解所要求的氧化铝。

蒸发的主要目的是排除流程中回收的母液中的多余水分，确保氧化铝生产流程中水量与碱量的平衡。蒸发站由一组六效降膜蒸发器和一台强制循环结晶蒸发器及三级闪蒸组成，蒸发采用逆流流程。

3 控制系统规模及解决方案

3.1 系统规模

根据年产80万吨氧化铝项目施工设计图纸，统计全氧化铝厂I/O点数（未含变频器、马保点数）如表1所示。其中溶出、蒸发、沉降、分解生产线均为两组，焙烧为两台气态悬浮焙烧炉。由于RTD、TC信号均经过温度变送器输出4～20mA信号，表中未单独列出RTD、TC信号。

表1 氧化铝厂控制系统I/O点统计表

3.2 控制系统解决方案

针对氧化铝生产流程特点及系统规模，过程控制采用罗克韦尔化PlantPAX系统实现集中控制、调度模式，网络结构拓扑图如图1所示。氧化铝厂设一个中央控制室及六个现场控制室。现场控制室（原料、溶出、沉降、分解、焙烧、蒸发）作为中央控制室DCS系统的一部分，放置DCS机柜、交换机及供电等辅助设施，负责现场仪表及电气设备的信号数据采集，然后送往中央控制室。中央控制室放置DCS服务器、操作员站、交换机及供电等辅助设施，负责全氧化铝厂生产过程的集中监控及生产调度。

网络设计采用三层网络结构，即监控网、控制网及设备网。监控网采用双环形网络结构，二个环网同时在工作，互为备用。控制网采用冗余ControlNet直接接入系统。设备网采用DeviceNet接入。

现场数据采集采用ControlNet、DeviceNet及硬接线原则。变频器与DCS之间采用冗余的ControlNet通讯链路，通讯速率恒定5Mbps，每个变频器都是并接在冗余的ControlNet通讯链路上；智能马保采用DeviceNet通讯链路接入系统，每个系统可以有多条DeviceNet通讯链路，每个DeviceNet通讯链路均可独立工作；现场仪表设备（如变送器、气动阀、热电阻、电磁流量计等）采用硬接线方式接入系统。

中央控制室配置1对冗余服务器（双网卡）、1台工程师站、12台操作员站（双屏）、1对交换机、2台打印机及供电设施等。原料控制室配置1对冗余机架组(包括冗余控制器、冗余控制网模块、冗余监控网模块、冗余电源模块)、1对交换机及供电设施等。溶出控制室配置2对冗余机架组、1对交换机及供电设施等。沉降控制室配置2对冗余机架组、1对交换机及供电设施等。分解控制室配置3对冗余机架组、1对交换机及供电设施等。焙烧控制室配置2对冗余机架组、1对交换机及供电设施等。蒸发控制室配置2对冗余机架组、1对交换机及供电设施等。

4 结束语

年产80万吨氧化铝生产过程控制系统属于中小型规模，罗克韦尔PlantPAX系统硬件成熟、运行可靠，软件功能强大，具有多种通讯及编程接口，完全满足该项目对DCS系统的要求。本文从氧化铝工艺和PlantPAX系统的组成、配置及通信方面进行阐述，并给出了详细解决方案，该方案已将氧化铝生产过程中的各个控制系统连接起来，建立了氧化铝厂的生产过程数据通信网络，并可在此基础上，研究开发建立氧化铝生产过程执行系统(MES)，把过程控制与生产管理结合起来，使氧化铝生产过程实现优化控制，最终达到优化运行和优化管理的目的。

[1] 顾松青．我国的铝土矿资源和高效低耗的氧化铝生产技术[J]．中国有色金属学报．2004,14 (1):91-97．

[2] 罗克韦尔自动化. PlantPAx过程自动化系统参考手册[Z]. 2012.

[3] 罗克韦尔自动化. PlantPAx_过程自动化系统选型指南[Z]. 2012.

[4] 华镕. PlantPAx关键流程控制、安全系统和基础架构[J]．自动化博览. 2011(11) .

[5] 庄玺睿, 张航. 浅谈氧化铝生产过程DCS控制系统. 轻金属. 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

黄其杨（1975-），男，工学硕士，高级工程师，现从事有色金属工业自动化及仪器仪表研究。