硕士学位论文-中铝广西分公司电解铝厂供料系统升级研究与设计.pdf

广西大学 硕士学位论文 中铝广西分公司电解铝厂供料系统升级研究与设计 姓名：吴淑欢 申请学位级别：硕士 专业：控制工程 指导教师：梁京章;骆武宁 20061101 中铝广西分公司电解铝厂 供料系统升级研究与设计 摘要 本论文分析了中铝广西分公司电解铝厂供料系统存在的不足和隐患， 提出了升级改造设计方案：采用美国g e 公司升级后的9 0 - 3 0 系列p l c 系统 对浓相、超浓相输送系统进行改造，以保证改造后供料系统硬件的可靠性； 采用光纤以太网实现供料系统所有节点的网络连接；完善供料系统的后台 监控系统，并实现与管理信息系统( a ls 系统) 接口。实现整个浓相、超浓 相输送系统的动态实时监控及报警、历史记录查询等功能。实践证明了此 网络监控系统具有稳定可靠，操作界面简单、友好的优点。 软件 关键词：浓相、超浓相输送；p l c ；网络监控系统；c l b p l i c i t yh m i t h er e s e a r c ha n dt h ed e s i g no f t h em a t e i u a l s y s t e mi na l u m i n u mc o r p o r a t i o no fc h i n a l i m i t e d ，g u a n g x ib r a n c h ，p r i m a r ya l u m i n u m s m e l t e r a b s t r a c t t h ep r e s e n tp a p e rh a sa n a l y z e da l u m i n u mc o r p o r a t i o no fc h i n a l i m i t e d , g u a n g x ib r a n c h ，p r i m a r ya l u m i n u ms m e l t e rf o rt h em a t e r i a ls y s t e m e x i s t e n c e i n s u f f i c i e n c y a n dt h eh i d d e nd a n g e r , p r o p o s e dt h e p r o m o t i o n t r a n s f o r m a t i o nd e s i g np r o p o s a l ：u s e sa m e r i c a ng ec o r p o r a t i o nt op r o m o t et h e a f t e r9 0 3 0s e r i e sp l c s y s t e mt ot h ed e n s ep h a s ep n e u m a t i cc o n v e y i n gc o n t r o l s y s t e m s ，a f t e rg u a r a n t e e st h et r a n s f o r m a t i o n t h es y s t e mh a r d w a r em l i a b i l i 哆； u s e so p t i c a lf i b e re t h e r n e tr e a l i z a t i o ns y s t e ma l lp i t c hp o i n t st h en e t w o r k c o n n e c t i o n ，a n dc o n s u m m a t i o nb a c k s t a g es u p e r v i s o r ys y s t e ma n dr e a l i z a t i o n a n d m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ( m i ss y s t e m ) c o n n e c t i o n r e a l i z e d e n t i r e t h ei ) l q l s ep h a s ep n e u m a t i cc o n v e y i n gc o n t r o ls y s t e m st e n d e n c y r e a l - t i m e m o n i t o r i n ga n dr e p o r t st o t h ea l a r m , f u n c t i o na n ds oo nh i s t o r i c r e c o r di n q u i r y t h ep r a c t i c eh a d p r o v e nt h i sn e t w o r k m o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m h a ss t a b l yi sr e l i a b l e ，o p e r a t i o nc o n t a c ts u r f a c es i m p l e ，f r i e n d l ym e r i t k e yw o r d s ：d e n s ep h a s ep n e u m a t i cc o n v e y i n g ；p l c ；n e t w o r ki n c o n t r o ls y s t e m s ；c i m p l i c i t yh m is o r w a r e 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得 的成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名 单位发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人 已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对 本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致 谢。 论文作者签名；虽l 红欢? 年，月，譬日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 撇：挑2 新躲嘴年月日 1 广西大掌工程硕士掌位论文中铝广西分公司电解铝厂供料系统升蛆研璺 与设计 致谢 本研究及学位论文是在梁京章教授和骆武宁副教授的亲切关怀和悉心指导下完成 的。从课题的选择到论文的晟终完成，他们都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在 此谨向梁京章教授和骆武宁副教授致以诚挚的谢意和崇高的敬意! 我还要感谢南宁市众成科技有限责任公司和中铝广西分公司电解铝厂给我提供做 此课题的很多资料以及良好的工作环境，也正是他们的亲切关怀才使得我有机会亲临工 业现场了解、熟悉工艺过程。正是由于他们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难 和疑惑直至本论文的顺利完成。 同时开发设计小组几个同事通过共同讨论、共同研究、共同探讨，为寻求个完善 的方案和达到解决问题的目标而共同努力。再次也感谢他们在开发过程中的互相合作、 互相鼓励及对我的帮助。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有 多少可敬的师长、师父、同学、朋友给了我极大的帮助和关心，在此我致以衷心的感谢! 最后，向审阅和评议本论文的专家老师们致以深深的谢意! 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任 何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作作出贡献的其他个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。 移，l ， 签名： 叁! 丝墨主 日期：j l jf f ，f 8 广西大掌工程司仕掌位诗文 中铝，1 “ 于喀旧电解铝厂供料秉筑升氟研奠坷设计 1 1 课题的提出 第一章绪论 中铝广西分公司电解铝厂供料系统主要由浓相、超浓相输送系统构成电解铝生产 中采用的浓相、超浓相输送技术是一种适于粉粒状物料输送的技术。其特点是：实现长 距离输送，全密闭无飞扬，机械运动部件低磨损、寿命长；输送量大、料流浓度高、低 能耗等。 目前，中铝广西分公司电解铝厂供料系统的控制由上位监控计算机和可编程序控制 器p l c ，辅以相应检测元件，执行机构共同完成。 上位监控主机采用三台工业控制计算机，分别实现供料子系统1 、东部输送子系统、 西部输送子系统的数据采集和远程监控操作。 上位机监控软件由贵阳铝镁设计院于1 9 9 6 年在d o s 环境下用t u r b o - c 语言开发完 成，简单、租糙，尤其是不能直接在流程画面上对设备进行操作，给操作人员带来极大 不便，且整个系统未能实现组网运行。东、西部仅有输送子系统2 、输送子系统3 接入 监控，输送子系统4 及新鲜氧化铝输送未能接入监控，不能通过上位机监控操作。对3 车间g p 3 2 0 输送系统，自9 9 年投运后也一直未能接入监控系统，仅能实现本地操作 在现场运行的p l c 均采用美国g e 公司g ef a n u es e r i e s9 0 - 2 0 ，老式9 0 - 3 0 系列， 通过通讯接口模块i c 6 9 3 c m m 3 0 2 及现场的g e n i u s 通讯总线，连接到上位机的p c i m 接口 卡上实现上下位机通讯。 经过近十年的运行，整个供料系统的缺陷也显露出来：控制设备主要部件日益老化， 故障频频；上位监控系统未能实现全部子系统监控，设备运行存在隐患；重要的工艺参 数未能在系统中得到监控，系统设计上存在不足；系统控制功能不够完善等等 就目前生产情况看，整个供料系统运行中存在着相当大的设备隐患，这与电解生产 安全、稳定，可靠的要求是不相符的。必须通过对核心设备的升级改造。提升整个系缵 的性能，才能实现整个供料系统的可靠和稳定，满足电解生产需要。 广西大掌工程硕士掌位论文中铝广西分喀咽电解铝厂供稗暴媲升组研曼坷设计 1 2 国内外研究现状 随着自动控制技术、计算机技术和网络技术的发展，工业控制系统领域发生了巨大 的技术变更。出现了分布式控制系统( d c s ：d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，或称为集 散控制系统) 汹一，现场总线控制系统( f c s ：f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 瞄矧和网络 化控制系统( n c s ：ne t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ) 吼，使控制系统的结构和性能有了 飞跃性的变化“”。 n c s 充分利用计算机网络的特点使分布在不同地域的控制节点和控制系统有机地 连接成一体，达到宽广地域的远程监视与控制谤捌。网络化控制己受到了国际控制界的 极大关注。在2 0 0 2 年巴塞罗纳召开的第1 5 届国际自动控制大会上，网络化控制己被视为 将来最主要的控制研究方向之一用网络化控制系统实现局域乃至全球范围内的监视与 控制，这是工业控制系统的发展趋势由于在传统的i ) c s 和f c s 产品方面，中国长期 落后于国外，导致在国内投运的d c s 和f c s 几乎是清一色的国外产品，而且价格昂贵。网 络化控制系统的出现，使我国与国外几乎可以同时站在同一水平上，进行网络化控制系 统的研究、开发与应用 i s o 交换式以太网技术的发展，提高3 “ e t h e r n e t 的实时能力，使得工业以太网成为一种 确定性网络，而e t h e r n e t i p 、h s e 、p r o f i n e t 、i l o n 等新型现场总线标准的推出，更 是为较好的解决多现场总线的集成问题提供了技术基础“”。 中国铝业河南分公司电解厂开发的铝电解槽在氧化铝超浓相输送及烟气净化实时 在线监控系统采用p l c 作为现场控制站，分别与零散分布的超浓相输送系统氧化铝在线 动态计量装置、烟气净化系统智能布袋除尘控制器、氟化盐准连续配料系统、引风机轴 温监控仪、重锤料位计等设备相连，根据不同的通信协议实现与不同设备的连网通讯， 同时也完成一些模拟量、开关量的采集和电磁阀等执行机构的控制，并实现对相关设备 的远程操作和控制。多台p l c 之间组成m e l s e c n e t i o 高速实时网络，主站p l c 通过以太网 板与e t h e r n e t 网络互联，选择t c p 协议作为网络传输协议，采用基于w e b 的信息集成技术， 构成了颇具企业特色的现场控制、在线检测、远程监控和管理网相结合的体系，值班人 员在主控制室就能通过上位机一目了然地看到生产主要工艺流程参数和系统运行状况， 该信息可通过局域网实现共享“”。 中国铝业青海分公司第二电解厂浓相输送系统采用浓相输送工艺，以压缩空气为动 力，将氧化铝、氟化盐和破碎电解质块输送到电解槽料箱。该系统控制部分采用西门子 2 ，西大掌工程司i 士掌位论文中侣广西分喀口电搠 锯厂冒蝌习：翻：升衄研舅坷锚h 十 s 5 - 1 5 0 s 可编程控制器，完全实现自动化。自动控制部分由s 5 - 1 5 0 s 系列可编程控制器、 监视器、键盘、中央控制柜、远程站、软件部分及相应的电器控制元件组成。整个过程 实现完全自动化控制，正常情况下无需人工干涉“”。 1 3 本课题研究的意义 铝电解的生产控制系统，主要由氧化铝输送及电解槽的控制两大部分组成。而氧化 铝的输送自动控制系统一般包括由卸料站到车间日用储槽到各电解槽上料箱之间两部 分，其中前者为氧化铝远距离输送控制，并且在输送过程中，还要求将氧化铝自动分配 到各槽料箱中去。实现这两部分输送的自动化对于提高铝厂劳动生产率十分必要，并且 意义重大。我国目前的各铝厂氧化铝输送基本上采用皮带输送，稀相输送和天车加料相 结合的方法，这种方法效率低、能耗高、原料损失大、环境污染严重、设备损耗也大， 还经常破坏电解槽的工艺制度。鉴于以上原因，各铝厂均正在或准备在对铝电解生产工 艺进行计算机自动控制，否则，无法满足浓相、超浓相输送的工艺要求。 电解铝生产中采用的浓相、超浓相输送技术是一种适于粉粒状物料输送的技术。其 特点是：实现长距离输送，全密闭无飞扬，机械运动部件低磨损、寿命长：输送量大、 料流浓度高、低能耗等。 氧化铝超浓相输送及烟气净化实施在线监控系统的开发与应用，是目前铝电解工业 发展的主要方向之一，是综合提升自动化控制水平、实现烟气净化和超浓相输送高效低 耗运转的关键措施，对我国铝电解工业大幅提升自控水平，赶上世界先进行列具有重要 的意义n ” 本课题结合了世界当今领先水平的氧化铝浓相、超浓相输送工艺与先进计算机控制 技术，是对我国有色冶金行业氧化铝储运进一步开发和研究。本课题是把浓相、超浓相 输送控制系统的研究与开发同工业自动化计算机网络系统开发充分结合起来，最终实现 氧化铝浓相、超浓相输送系统的实时在线监控。本课题是应用自动化仪表、智能控制技 术、p l c 高速实时网络、工业以太网以及管控一体化网络等先进技术与装备，开发基于 y e b 技术的铝电解氧化铝浓相、超浓相输送监控系统。 本课题是在中铝广西分公司电解铝厂原有的供料控制系统框架上进行控制系统设 备的更新换代，以达到技术更先进、运行更安全可靠、备品备件更易采购，能满足十年 不被淘汰的要求，并实现对供料过程的监视、控制，保证电解铝生产正常 3 广西大掌工疆硕士掌位论支 中铝广西分公司电解铝厂供料系统升瑚l 研寞与诅肿 1 4 本文的组织结构 本文的内容章节安排如下： 第一章课题的提出，当前国内外的现状及本课题研究的意义。 第二章介绍改造前供料系统的构成及存在的主要问题，提出升级改造总体方案。 第三章介绍使用g e 公司的9 0 3 0 系列p l c 改造供料系统监控网络的设计。 第四章介绍采用g e 公司的c i m p l i c i t yh m i 监控组态软件实现供料系统监控软件 的设计。 第五章对所研究工作和本论文的总结，以及对深一步的研究提出一些设想和建议。 4 广。日大掌j 淮司i 士掌位论文中铝j 西分喀訇电瑚：铅厂供# 秉兢妇l 研宴p 可设计 第二章电解铝厂供料系统升级改造前系统概述 2 1电解铝厂改造前供料系统 目前，中铝广西分公司电解铝厂供料系统是采用美国g e 公司g ef a n u es e r i e s 9 0 2 0 ，老式9 0 - 3 0 系列p l c ，通过通讯接口模块i c 6 9 3 c m m 3 0 2 及现场的g e n i u s 通讯总 线，连接到上位机的p c i m 接口卡上实现上下位机通讯( 如图2 1 ) ，并实现对供料过程的 监视、控制，保证电解铝生产正常。 图2 1 供料系统的网络结构图 f i g u r e2 1 f o rm a t e d a ls y s t e mn e t w o r ks t r u c t u r ed r a w i n g 从图2 1 中可以看出，改造前供料系统网络分为四个独立的区域： 一、子系统l 子系统1 负责从6 5 0 0 1 新鲜氧化铝仓将物料输送到东、西部2 0 0 0 1 “ 贮仓的1 1 0 0 1 “ 新 鲜氧化铝仓。其p l c 控制屏设置在l o + m c c 配电室内，通过一条屏蔽电缆连至主控室。 5 广西大掌工程硕士掌位论文中铝广西分喀訇电解铝广1 共料系兢升蛔研璺b 与设计 在主控室通过一台计算机实现子系统1 的监控操作。 二、东部监控子系统 东部子系统包括： 1 、东部子系统2 - - 1 ，负责将新鲜氧化铝、载氟氧化铝、氟化铝混合料从2 0 0 0 t 仓 输送到东部1 6 个4 0 t 仓，其p l c 控制系统安装在东部2 0 0 0 t 仓内。距离主控室 约2 5 0 米，系统通过一条连接到东部子系统3 的屏蔽通讯电缆与东部监控主机进 行通讯连接； 2 、东部子系统2 2 ，负责将新鲜氧化铝从东部新鲜氧化铝压力罐分别向一车间4 # 、 二车间5 # ，两个新鲜氧化铝1 0 t 仓供料，其控制系统与东部子系统2 一l 控制屏 并排布置，但系统未能实现与东部监控主机连接； 3 、东部子系统3 ，负责将1 6 个4 0 1 “ 仓的混合料输送到2 5 8 台槽上的四个槽料箱内， 它又由1 6 个子系统组成，每一个子系统负责完成1 6 台槽上供料。其控制系统由 两个控制屏组成，布置在东部2 1 + m c c 配电室内，通过与控制室直接相连的一条 屏蔽通讯电缆与东部监控主机连接，实现系统监控操作，同时东部子系统3 又与 东部子系统2 1 连接，与东部监控主机一起构成东部监控通讯网络； 4 、东部子系统4 1 ，负责将破碎电解质从东部l # 破碎电解质压力容器输送到东部 2 # 电解质1 0 t 仓内，系统由一个独立的p l c 控制屏构成，布置在东部l # 电解质压 力容器室，系统未与监控系统连接； 5 ， 东部子系统4 2 ，负责将破碎电解质从东部2 # 破碎电解质压力容器输送到东部 7 # 电解质1 0 t 仓内，系统由一个独立的p l c 控制屏构成，布置在东部2 # 电解质压 力容器室，系统未与监控系统连接； 6 、东部子系统4 1 l ，4 1 2 ，4 2 1 ，4 2 2 ，负责东部破碎电解质和新鲜氧化铝 1 0 t 仓向天车加料的控制，系统由四个独立的小型p l c 控制箱构成，分别布置在 东部厂区各个天车加料口，系统未能与监控系统连接。 三、西部监控子系统 西部子系统包括： 1 、西部子系统2 - - 1 ，负责将新鲜氧化铝、载氟氧化铝、氟化铝混合料从2 0 0 0 t 仓输 送到西部1 6 个4 0 t 仓，其p l c 控制系统安装在西部2 0 0 0 t 仓内。距离主控室约 2 5 0 米，系统通过一条连接到西部子系统3 的屏蔽通讯电缆与西部监控主机进行 通讯连接： 6 j 西大掌工程硕士擘啦论文中铝广圈分嘧啊电解铝厂1 赡料秉兢升衄研囊坷。陡计 2 、西部子系统2 - - 2 ，负责将新鲜氧化铝从西部新鲜氧化铝压力罐分别向一车间l # 、 二车间8 # ，两个新鲜氧化铝1 0 t 仓供料，其控制系统与西部子系统2 一l 控制屏 并排布置，但系统未能实现与西部监控主机连接； 3 、西部子系统3 ，负责将1 6 个4 0 t 仓的混合料输送到2 5 8 台槽上的四个槽料箱内， 它又由1 6 个子系统组成，每一个子系统负责完成1 6 台槽上供料。其控制系统由 两个控制屏组成，布置在西部2 2 + m c c 配电室内，通过与控制室直接相连的一条 屏蔽通讯电缆与西部监控主机连接，实现系统监控操作，同时西部子系统3 又与 西部子系统2 一l 连接，与西部监控主机一起构成西部监控通讯网络； 4 、西部子系统4 1 ，负责将破碎电解质从西部l # 破碎电解质压力容器输送至日西部 6 # 电解质1 0 t 仓内，系统由一个独立的p l c 控制屏构成，布置在西部1 # 电解质压 力容器室，系统未与监控系统连接； 5 、西部子系统4 2 ，负责将破碎电解质从西部2 # 破碎电解质压力容器输送到西部 3 # 电解质i o t 仓内，系统由一个独立的p l c 控制屏构成，布置在西部2 # 电解质压 力容器室，系统未能与监控系统连接； 6 、西部子系统4 1 1 ，4 一1 2 ，4 2 1 ，4 2 2 ，负责西部破碎电解质和新鲜氧化铝 1 0 t 仓向天车加料的控制，系统由四个独立的小型p l c 控制箱构成，分别布置在 西部厂区各个天车加料口，系统未能与监控系统连接。 四、g p 3 2 0 供料系统 g p 3 2 0 供料系统，负责实现电解3 车间系统供料，由独立的p l c 控制系统完成控制， 控制屏安装在两个i o t 压力容器仓旁，采用独立控制，未能与监控系统连接。 2 2 供料系统存在的主要问题 整个供料系统的控制由上位监控计算机和可编程序控制器p l c ，辅以相应检测元 件、执行机构共同完成。 上位监控主机采用三台工业控制计算机，分别实现供料子系统1 、东部输送子系统、 西部输送子系统的数据采集和远程监控操作。 上位机监控软件由贵阳铝镁设计院于1 9 9 6 年在d o s 环境下用t u r b o - c 语言开发完 成，简单、粗糙，尤其是不能直接在流程画面上对设备进行操作，给操作人员带来极 大不便，且整个系统未能实现组网运行改造前东、西部仅有输送子系统2 、输送子系 7 广西大掌工程硕士掌位论文中铝r - 西分公司电解铝厂供抖系筑升蛾研冀坶设甘 统3 接入监控，输送子系统4 及新鲜氧化铝输送未能接入监控，不能通过上位机监控 操作。对3 车间g p 3 2 0 输送系统，自9 9 年投运后也一直未能接入监控系统，仅能实现 本地操作。 在现场运行的p l c 均采用美国g e 公司g ef a a u es e r i e s9 0 - 2 0 ，老式9 0 - 3 0 系列， 通过通讯接口模块i c 6 9 3 c m m 3 0 2 及现场的g e n i u s 通讯总线，连接到上位机的p c i i h 接 口卡上实现上下位机通讯。 经过近十年的运行，整个供料系统存在的主要问题有： ( 1 ) 控制设备主要部件日益老化，故障频频 ， 由于g e 公司9 0 - 2 0 系列p l c 是上个世纪9 0 年代初期产品，其产品将面临淘汰、停产的 境界。又从电气设备使用寿命讲，将近十年的使用寿命也已超过其设计寿命。近两年来， 由于存储器和其它部件原因，p l c 故障不断，运行数据经常丢失，导致输送系统不能正常 工作，氧化铝无法输送，究其原因，主要是设备元器件老化造成的，这给电解铝厂保证 电解槽的安全、稳定运行带来了极大压力。 ( 2 ) 上位监控系统未能实现全部子系统监控，设备运行存在隐患 输送子系统4 ( 4 套p l c ) 、输送子系统2 的新鲜氧化铝输送及g p 3 2 0 供料系统未能与上 位监控主机相连，不能实现远程监控操作。因此，当这些系统p l c 或其它执行元件发生 故障时，不能及时在监控系统上得到反映，运行人员不能及时发现设备问题。这样既存 在安全运行隐患，又易造成子系统2 新鲜氧化铝输送和g p 3 2 0 系统供料紧张，从而影响电 解车间的安全生产。 ( 3 ) 重要的工艺参数未能在系统中得到监控，系统设计上存在不足 净化系统的排烟风机轴承温度、压缩空气压力、高压风压力、烟道负压等重要工艺 参数仅用显示仪表显示，未能接入监控系统，由值班入员每小时记录一次，无法形成连 续的历史记录，不便于进行工艺、设备故障分析，这对旨在提高净化系统的烟气捕集率 和净化效率的目标来说，是相当不利的。 ( 4 ) 系统控制功能尚需完善 供料子系统3 主要负责将1 6 个4 0 t 仓的混合料输送到2 5 8 台槽上的四个槽料箱内， 其又由1 6 个子系统组成，每个子系统负责1 6 台槽料箱供料。原设计每个子系统由两台 4 5 跚供风风机组成，控制系统仅完成离心风机的启停操作，对加料的风压、风量没有实 现控制。在出现供料冒料、堵料或电解槽料箱料位不平衡时往往束手无策。同时由于风 机设计功率为4 5 k w 与实际需要功率( 7 5 k w ) 相比，差距太大，造成许多不必要的能源 8 ，曹大掌工程硕士掌位论支中锯，1 可分喀訇电解铝厂供辑系兢升捆l 研冀坶设计 浪费。在目前能源紧张的情况下，改变设备运行方式，采用更为先进的控制方式，既可 以节约能源，又可大幅度提高控制系统的稳定性，实属当务之急。 就目前生产情况看，整个供料系统运行中存在着相当大的设备隐患，这与电解生产 安全、稳定、可靠的要求是不相符的。必须通过对核心设备的改造，提升整个系统的性 能，才能实现整个供料系统的可靠和稳定，满足电解生产需要。 2 3 升级改造总体方案 2 3 1 研究目标 如何在不停产的基础上，将原有系统功能和原有现场i o 设备的控制，完整地切换 到升级改造后的新系统上，并且设计一个更为先进、合理、可靠的网络系统，以达到技 术更先进、运行更安全可靠、备品备件更易采购，能满足十年不被淘汰的要求，是此次 供料系统升级改造的首要目标。 2 3 2 研究内容 ( 1 ) 浓相、超浓相输送控制系统的研究与整体设计； ( 2 ) 工业自动化计算机网络在浓相、超浓相输送控制系统的应用与设计； ( 3 ) 浓相、超浓相输送后台监控系统的设计。 2 3 3 研究方法 原系统采用美国通用公司g e 9 0 - 2 0 系列、老式9 0 - 3 0 系列p l c 构成系统，并通过 g e n i u s 总线联网通讯，经过近十年的运行证明其运行是稳定的、可靠的。因此在供 料系统的升级改造中，我们仍采用g e 公司升级后的p l c 对供料系统进行改造，以保证 改造后系统硬件的可靠性。同时升级原有系统网络结构，采用光纤以太网实现系统所 有节点的网络连接，并完善后台监控系统，采用目前较为流行的监控组态设计软件 c i m p l i c i t yh m i 设计后台监控系统，并实现与管理信息系统( m i s 系统) 接口 9 广西大掌工程硕士学位论文中铝厂西分公司电解铝厂供料系统升簟l 习 要宵设计 第三章电解铝厂供料系统监控网络设计 3 1供料系统升级改造技术要求 1 、满足系统升级改造的工程项目方案设计和工程施工的所有内容。 2 、满足投标方工作范围要求所必须的硬件、软件和各项服务。 3 、更换计算机和操作系统，将原来的老式计算机换成目前常用的主流机型：同时 将操作系统换成w i n d o w s2 0 0 0 ，以提高计算机系统的性能。 4 、更换组态软件，根据用户需求，重新设计上位机操作画面。 5 、对电解铝厂浓相输送自动化系统进行系统组态，完成应用控制软件的编制和操 作画面组态以及调试工作，实现整个系统的光纤网络通讯。 6 、改造上位机与p l c 的通讯网络，确保通讯的可靠性。 7 、更新所有模块。 8 、对下列原单一系统进行升级后并入整个网络： 1 ) 子系统4 的电解质输送4 套p l c 和天车下料控制8 套p l c 。天车下料控制8 套p l c 。 2 ) 子系统2 的新鲜氧化铝输送控制2 套p l c 。 3 ) g p 3 2 0 供料系统1 套p l c 9 、每套p l c 控制器独立运行控制，并配有标准通讯接口，以方便全厂控制系统及 管理信息系统联网通讯。 ， l o 、采用的控制系统为数字处理、数字化传输，具有全局数据库、网络化管理的世 界先进的控制系统。 l l 、控制室共配置三台上位机，其中一台为工程师站，其余两台为操作员站，分别 管理东部系统和西部系统，一台网络打印机。控制室工控机采用液晶显示器，三台上位 机运行监控组态软件，显示生产过程监控界面。操作员可以通过上位机进行监控界面的 切换显示，手自动切换，参数设置，趋势图显示，报警显示查询。工程监控画面为“所 见即所得”方式，控制点清晰明朗，操作方式简洁明了，方便操作员操作，所有画面全 面汉化。 1 2 、系统所采用的工控软件为各系统公司新型先进系统软件，或者是世界知名的专 1 0 ，西大学工覆司e 士掌位论文t 中铝，。西分喀啊电羽；铝厂供料系筑升蝴l 研舅 与蕾e 计 门从事控制软件开发的公司开发的控制软件，功能强大，有大量成功使用范例，根据实 际控制量的大小，预留软件控制容量。 1 3 、所有p l c 控制器均采用模块化结构即有源底板总线、模块化电源、c p u 、i 0 、 通讯模块等。i 0 扩展接口模块必须支持4 个或以上的机架扩展。 1 4 、网络通讯介质采用光纤，所有p l c 控制器通讯均送往主控制室上位机集中监控。 3 2 升级改造后供料系统监控网络构成 从。升级改造技术要求”中不难看出，如何在不停产的基础上，将原有系统功能和 原有现场i o 设备的控制，完整地切换到升级改造后的新系统上，并且设计一个更为先 进、合理、可靠的网络系统，是此次供料系统升级改造的首要目标。 原系统采用美国通用公司g e9 0 - 3 0 系列p l c 构成系统，并通过g e n i u s 总线联网通 讯，经过近十年的运行，证明其运行是稳定的，可靠的。因此在供料系统的改造中，我 们设计仍采用g e 公司升级后的p l c 对供料系统进行升级改造，以保证改造后系统硬件 的可靠性。同时升级原有系统网络结构，采用光纤以太网实现系统所有节点的网络连接， 并完善后台监控系统，采用目前较为流行的监控组态设计软件c i m p l i c i t yh m i 设计后 台监控系统，并实现与管理信息系统( m i s 系统) 接口。 供料系统地理结线图如图3 1 所示： 广西大掌工程硕士掌位论文中铝广西分嗡啊电解铝j - 供抖秉媲升鼙l 研舅坷设计 图3 1供料系统地理结线图 f i g u r e3 1 f o rm a t e r i a ls y s t e mg e o g r a p h yc o r d i n gd i a g r a m 广西大掌主程硕士掌位论文中铝厂西分窜訇电_ 荦铝厂供料系统升衄研舅，哼设计 我们根据各个监控信息点地理位置分布，设计改造后监控系统的网络构成如图3 2 所示： 图3 2监控系统网络结构图 f i g u r e3 2s u p e r v i s o r ys y s t e m sn e t w o r k s t r u c t u r ed r a w i n g 1 3 j - - 西大掌工程硕士掌位论文中铝广西分喀咽电解铝厂供料系垃升捆研舅b 与设计 3 3 升级改造后供料系统监控网络的特点 3 3 1 系统采用工业环型冗余光纤网络，传输速率快，可靠性高 我们采用目前世界较为先进、可靠的工业环型冗余光纤以太网络构成供料系统监控 主干网络，以确保供料系统主干网络传输速度及在强干扰环境下系统的可靠性。 早期的以太网e t h e r n e t 采用c s m a c d 碰撞检测方式( 如图3 3 ) ，它是通过广播的 方式来发送数据，同时传输速率只有i o m ，当网络负荷较大时，网络的性能就会急剧下 降。因此，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求。 零期数客鹣t 鬻垂燕血务繁赢矮于弼一狰徽域，数 粼龟驺广爱的身式锻笈主鏊捌掰霄肇蠢 图3 3早期以太网结构图 f i g u r e3 3e a a yt i m e se t h e m e t ss t r u c t u r ed r a w i n g 现在，交换式以太网e t h e r n e t 已广泛应用，它能提供足够的带宽和减少冲突同 时全双工网络和具优先权的传送机制使确定性得以保证( 如图3 4 ) 。 交换斌潋度罔t 辫轰嘲窟楱舔 魅謦习蔹铅生 糍饿存镣程内粥缀存巾毒遁进赡 蕊，数锨包鹈赋键羧逡劐醴豹躺珏 谢蛾酗。避样簸溅兔t 冲究 图3 4交换式以太网结构图 f i g u r e3 4e x c h a n g et y p ee t h e m e ts t r u c t u r ed r a w i n g 1 4 数鬻掰将倪剿缝m ”援 广西大掌工覆硬士掌位论文中铝广t 吩喀啕电解铝厂供# 0 窿升蝴l 研舅坷设计 为了保证工业监控网络的可靠性，必须建立一个冗余的工业网络。当一段光纤或网 络联系断线后，网络系统会智能连接，从另一段连接建立联系，从而保证网络通讯畅通。 环状拓扑结构提供了一个最简单、可靠的网络连接结构，物理结构上是一种环的形式， 逻辑上却是以一种总线的方式工作，且各工作站都是独立的，链路上当1 】d p ( w a t c hd o g p a c k e t s 数据检测包) 检测到网络中的某条介质链路出现故障时，网络会重新拓朴网络 结构，在逻辑上形成另一个总线通讯方式，能保证主干的畅通，适合工业网络通信中实 时采集功能，做到各分支和控制中心信息的一致性。 选择适合于工业环境应用并具有冗余环网连接的的以太网交换机，是构成网络的关 键。设计中采用美国卓越公司t s cc a r a t 5 0 0 0 系列工业级以太网交换机构成监控网络交 换机。 美国卓越公司t s cc a r a t 5 0 0 0 系列工业级以太网交换机是专门为工业类客户设计的 支持环形拓扑结构，符合i e e e e8 0 2 3 8 0 2 3 u ，确保企业工业网络系统的先进性。t s c c a r a t 5 0 0 0 系列产品构建的环网拓扑小于3 0 0 m s 的故障恢复时间保证了企业信息系统的 正常运行。基于w e b 的网管系统使网管人员管理网络更为方便，对8 0 2 i p 的良好支持 确保企业不同数据流的准确性和实时性。c a r a t 5 0 0 0 系列机型完全采用全封闭金属散热 结构。适用于高温，灰尘，强电磁等恶劣环境，特殊型号机型，更能胜任水下运行，该 机型环网设置以高度智能化，无须到现场配置，智能确认开关的使用既使得网络工程师 的现场操作简单，又确保通讯系统安全可靠。在保证传输的确定性的同时，环网主干上 可支持5 5 个节点( 实例) ；使用单模模式的光纤传输，最远可达4 5 1 0 4 。其特点为： a 、产品线层次化：极端温度条件下能保持连续可靠工作 t s cc a r a t 系列工业交换机工作温度范围达到一2 0 + 7 0 。 b 、电磁干扰、抗冲击能力强 t s cc a r a t 系列工业交换机外壳采用高强度合金材料制造，并配以独特的全封闭褶 皱散热结构，使其在防尘性、散热性，抗电磁干扰及抗冲击能力方面超过了其它铝制外 壳或塑料外壳的同类产品。 c 、支持冗余电源及电流过载保护 t s c 系列交换机支持冗余双直流电源输入，可在主供电系统失败的情况下自动切换。 并支持电流过载保护，当电源超过设定范围( 1 8 - 3 6v d c ) 时，设备自动断电保护。能 很好的保证网络通讯系统的可靠性和设备的安全性。 d 、支持端口速率自动协商和手动设定两种方式 1 5 广西大掌工程硕士掌位论文中铝厂西分嗡啊电解铝厂供料晨娩升圾研舅省设计 t s c 工业以太网交换机r j 4 5 口在支持a u t on e g o t i a t i n g ( 自动协议) 的同时，允 许用户根据需要手工设定通信速率和通信方式，这可以满足那些不支持a u t o n e g o t i a t i n g 的工业以太网产品连网的需要。 e 、标准工业卡规安装，方便工业现场操作兼容性好 t s c 系列工业交换机采用的是开放性很好的以太网技术，基于i e e e8 0 2 3 8 0 2 3p 系列标准，经严格测试，被证明与其他厂商工业以太网络设备能够很好的兼容。 根据供料系统地理上东部、西部系统具有对称分布性，我们在东部2 0 0 0 t 仓下、西 部2 0 0 0 t 仓下分别设立东部、西部中心交换机，并与监控中心交换机通过光纤构成环行 冗余网络。东部、西部中心交换机分别实现东部、西部各个子系统联网，并通过监控中 心交换机与后台监控系统实现信息交换，具体网络结构如图3 5 ： 图3 5中心交换机网络结构图 f i g u r e3 ，5 c e n t r a ls w i t c h b o a r dn e t w o r ks t r u c t u r ed r a w i n g 主干线使用t s cc a r a t 5 0 0 8 f c 2 型交换机，利用其两个多模光纤f ) 【端口形成环网结 构；在东部、西部分别扩展c a r a t l 0 0 8 t x 型交换机，采用级连技术，形成星形拓扑结构 分别连接东部、西部以太网络。监控中心通过以太网络将后台监控计算机联网，并预留 与管理信息网络接口。整个网络系统性能优越，传输速率高，具有极强的可靠性，及良 好的可扩展性。 3 3 2 监控信息点与交换机中心采用光纤连接，抗干扰能力强 各个监控信息点与交换机中心采用光纤连接，既提高了网络电缆连接的可靠性，又 能在电气性能上做到各个子系统完全隔离，对系统防雷击、防电磁干扰很有益处。 东部、西部每个片区各有9 个信息点需要联网，分别为：子系统2 1 ，子系统2 2 ， 1 6 ，呵大掌】攉司e 士掌位论文中铝，。西分堪咽电解铝厂供料系统升矗l 研舅：与设计 子系统3 ，子系统4 - 1 ，子系统4 - 2 ，子系统4 1 1 ，子系统4 - 1 2 ，子系统4 - 2 1 ，子系统 4 2 2 。各个信息点距交换机中心距离均在1 5 0 米范围内，考虑到系统扩展、调试接口需 要，在每个片区设置1 2 个i o o m b 信息端口，通过两台交换机级连方式实现信息接口扩 展。其中c a r a t 5 0 0 8 f c 2 交换机具有2 个光纤连接口，实现与监控中心光纤环网连接，6 个i o o m bt x 信息端口作为网络连接口，c a r a t l 0 0 8 t x 交换机具有8 个i o o m bt x 信息连 接端口。根据需要可采用超5 类线或通过光纤转换器将各个子系统接入交换机中心。具 体结构如图3 6 ： 图3 6 各个子系统接入交换机中心结构图 f i g u r e3 6 e a c hs u b s y s t e mt u r n so nt h es w i t c h b o a r dc e n t e rs t r a c t u r ed r a w i n g 子系统l 可通过光纤接1 ：3 直接接入监控中心交换机，原有屏蔽双绞线作为备用电缆 连接。 g p 3 2 0 系统距离东部交换机中心距离较近，可通过光纤接口接入东部交换机中心， 作为东部信息点与监控中心进行数据交换。 3 3 3 重新设计各个子系统硬件组成，有效地消除了设备运行中故障隐患 改造后各个子系统的硬件配置得以升级，采用新一带的g e9 0 - 3 0p l c 及v e r s a 系 列p l c 取代原系统老式9 0 - 3 0p l c 及被淘汰的9 0 - 2 0 系列p l c ，并重新设计各个子系统 控制机柜，采用高强度，密封性能更好的控制机柜取代原有系统老式机柜在现场的安 装调试中，通过对原有线路的进线理顺、规划，拆卸、核对，可有效解决原有系统运行 中存在的不足，并通过硬件系统的升级，使得整个供料系统硬件得以升级。 1 7 广西大掌工程硕士掌位论文中诌广西分鼍啕电解铝厂供料秉抗升组研，巴与舒b 计 在选择系统c p u 模块时，除了考虑常规运行速度、内存、特殊功能之外，尤其对其 现场的适用能力需要认真分析。对于东西部各个子系统的控制要求，g e9 0 一3 0 系列中有 两种类型c p u 可供选择： 方案一：选择c p u 3 5 0 + 以太网驱动模块i c 6 9 3 c b 4 3 2 1 ： 方案二：选择带太网接口的c p u 模块c p u 3 6 4 ； 两种c p u 模块性能对比如下： 新的c p u 3 5 0 除了具有c p u 3 3 1 的所有功能外，还增加了浮点运算功能和s o e 功能， 它比c p u 3 3 1 性能有很大提高，它具有比c p u 3 3 1 更大的内存和更快的处理速度，可扩展 到8 个机架。 新的c p u 3 6 0 除了具有c p u 3 5 0 的所有功能外，内存可达2 4 0 k ，可运行更大的程序， 除此以外，它也支持浮点运算功能和s o e 功能。新的3 6 0 型c p u 可对内存进行优化，以 利于节省内存。 c p u 3 6 3 是在c p u 3 6 0 基础上加内置串行通讯卡，该通讯卡具有c m b l 通讯卡的所有功 能。c p u 3 6 3 有两个串行通讯口，可以完全代替c p u 3 5 1 ，且功能更强。 c p u 3 6 4 是在c p u 3 6 0 基础上加内置以太网卡而成，该c p u 除了具有a a u i 口外，还增 加一个l o b a s e t 口。此外，由于该通讯卡是和c p u 集成在一起的，所以c p u 与以太网的 通讯比起c p u 与插在机架上的以太网模块通讯的速度更快，因此该c p u 支持以太网的广 播方式通讯( e g d 方式) 。 1 8 j 西大掌工扫l 习【士掌位