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东北大学硕士学位论文摘要 蒸发器集散控制系统的研究 摘要 d c s ( 集散型计算机控制系统) 技术是一门以计算机、网络、通信及信息技 术为基础，与自动控制理论有机结合起来的综合性工程技术。自从问世的那一天 起，就表现出了极强的生命力，在自身得到迅速发展的同时，也在世界工业自动 控制中有了广泛应用。随着计算机、通讯、网络、仪表等技术的发展，d c s 的功 能也越来越强大，同时与工艺也结合的越来越紧密。因此，对d c s 在工业自动控 制中进行研究应用就显得十分必要。 管式降膜蒸发器在氧化铝生产中属于重要设备，原来人工手动操作控制精 度差，能耗比较高，并且各项指标难于控制，而且设立多个操作岗位，需要大量 的人力，这些都不符合现代大工业生产的要求。为了提升产品的技术含量，降低 生产成本，提高产品质量，都需要对原有设备进行改造。而应用d c s 对大型设备 和生产线进行控制，近几年来逐渐成为一种趋势。尤其对象山铝这样的老企业， 对老设备进行改造，提高自动化水平十分有必要，对蒸发器的生产过程进行自动 控制具有重要的理论意义和工程应用价值。 本文通过基于和利时公司的d c s s m a r t p r o 系统在山东铝业股份有限公 司氧化铝厂管式蒸发器技术改造中的成功应用，对管式蒸发器集散控制系统进行 研究。在分析综述国内外d c s 系统发展概况及发展趋势的基础上，介绍了d c s 产品及其性能特点，详细叙述了蒸发器的结构、特点，蒸发工序中物料走向和生 产工艺流程，研究分析了p i d 控制方法和s m a r tp r o 软、硬件系统，设计出蒸发 器集散控制系统硬件，开发出了蒸发器集散控制系统软件，实现对减温减压、蒸 汽压力、出料密度和出料的自动控制功能。对控制系统进行了调试，为使控制系 统稳定工作，提出了系统抗干扰的措施，投运效果满意。该研究成果同样适用于 同类大型设备或生产线的自动控制，具有推广意义。 关键词：蒸发器d c s s m a r tp r o 系统自动控制p i d 串级控制系统 i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ed i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m o f e v a p o r a t o r a b s t r a c t d c s ( d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ) i sak i n do f c o m p r e h e n s i v ei n d u s t r yt e c h n i q u e t h a tb a s e do nc o m p u t e r , n e t ，c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o n t e c h n i q u e ，a n dt h a t c o m b i n e dw i t ha u t oc o n t r o lp r i n c i p l e ，i ts h o w si t s s t r o n g e rv i t a l i t yf r o mi tc o m e st o t h ew o r l d a n di sn o w w i d e l yu s e di nt h ea u t o c o n t r o lf i e l d w i t ht l l ed e v e l o p m e n to f t h e c o m p u t e r , n e t , c o m m u n i c a t i o na n d i n f o r m a t i o n t e c h n i q u e d c s s f u n c t i o ni s s t r o n g e ra n ds t r o n g e r , a n dc o m b i n e dw i t hp r o c e s sc l o s e ra n dc l o s e r s o ，i ti sv e r y i m p o r t a n t t ou s ea n dr e s e a r c hd c si nt h ei n d u s t r ya u t oc o n t r o ls y s t e m p i p ee v a p o r a t o ri sa ni m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h ep r o d u c t i o no fa l u m i n a , b e f o r e d c s ，i ti sm a n u a lc o n t r o ls y s t e mt h a tw eu s e ，j u s tb e c a u s ei t sl o wc o n t r o lp r e c i s i o n ， d i f f i c u l tc o n t r o l l e di n d e xa n dm o r e o p e r a t o r s ，t h eo l dm a n u a lc o n t r o ls y s t e mi su n f i tf o r t h em o d e ml a r g es c a l e p r o d u c t i o n i n o r d e rt o i m p r o v ep r o d u c t i o nq u a l i t y a n d t e c h n i c a lc o n t e n t a sw e l la st od e c r e a s ec o s t , t h e r ea r eal o to f e q u i p m e n t n e e dt ob e r e f o r m e d a n d u s i n gd c s t of u l f i l lt h i sj o bb e c o m eat r e n di nr e c e n ty e a r s e s p e c i a l l y f o ro l dc o r p o r a t i o na ss a l c 0 i ti sf u l lo f n e c e s s a r i t yt or e f o r mt h ee q u i p m e n ta n d i n c r e a s et h el e v e lo fa u t oc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h es u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n o fd c s s m a r tp r o s y s t e m ，m a d eb y h o l l y s y sc o m p a n y , i ne v a p o r a t o r st e c h n i c a li m p r o v e m e n tp r o j e c to fs a l c o ，p i p e e v a p o r a t o rd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m i sd e e p l yr e s e a r c hi nt h ep a p e r b yt h ea n a l y s i so f a b r o a da n dd o m e s t i cd c ss y s t e m s p r e s e n t s t a t ea n d d e v e l o p m e n tt r e n d ，d c s p r o d u c t i o n a n di t sf u n c t i o n a lc h a r a c t e r sa r e i n t r o d u c e d ，a n dt h e c o n s t r u c t i o no f e v a p o r a t o r , t h e m a t e r i a l s m o v e m e n ti n e v a p o r a t i n gp r o c e s s a n d p r o d u c e c r a f t t e c h n o l o g i c a lp r o c e s sa r ed e s c r i b e dh e r e i na d d i t i o n ，t h ep i d c o n t r o la n ds m a r tp r o s o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r er e s e a r c h e d ，t h ec o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f e v a p o r a t o r s d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m i s d e s i g n e d ，s o t h ea u t o m a t i cc o n t r o lo f t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e sd e c r e a s e ，s t e a mp r e s s u r ea n dd e n s i t ya n df l o wo f o u t c o m e m a t e r i a la r er e a l i z e d f o rt h es t a b l er u n n i n go fw h o l es y s t e m ，t h ec o n t r o ls y s t e mi s t e s t e da n ds o m em e a s u r e m e n t sf o rr e s i s to fd i s t u r b a n c ei sp r o p o s e d t h er e s u l ti s s a t i s f a c t o r ya n du s e f u lf o rt h ea u t o m a t i cc o n t r o lo f t h es a m ee q u i p m e n t sa n dp r o d u c t l i n e ，f u r t h e r m o r e ，i ti sv a l u a b l ef o rs p r e a dt oo t h e r a r e a o f p r o d u c t k e y w o r d s ：e v a p o r a t o r d c ss m a r tp r os y s t e ma u t oc o n t r o lp i dc a s c a d e c o n t r o ls y s t e m i i i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 本人龋撅朴氏 0 ，jv 日期：z 矽妒弓8 - 2 牛 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 在现代科学技术领域中，计算机技术和自动化技术被认为是发展最快的两个 分支，计算机控制技术是这两个分支相结合的产物，它是工业自动化的重要支柱。 工业自动化根据生产过程的特点又可分为过程控制自动化和制造工业自动化以及 各种自动化测量系统。过程控制自动化是以流程工业( 如化工、石油、电力、造 纸等) 为对象；制造工业自动化是以离散型制造过程( 如汽车、飞机、机床等) 为其对象。流程工业的控制一般采用集散型计算机控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ，简称d c s ) 。 d c s ( 集散型计算机控制系统) 是一种能够对生产过程集中进行监视和管理， 分散进行控制，以微型计算机为基础，用数据通讯把它们联系在一起的新型自动 控制系统。它融合了控制技术( c o n t r 0 1 ) 、计算机技术( c o m p u t e r ) 、通讯技术 ( c o m m u n i c a t i o n ) 、阴极射线管( c r t ) 图形显示技术，是4 c 技术的结晶。d c s 自从问世的那一天起，就表现出了极强的生命力，在自身得到迅速发展的同时， 也在世界工业自动控制中有了广泛应用。随着计算机、通讯、网络、仪表等技术 的发展，d c s 的功能也越来越强大，同时与工艺也结合的越来越紧密。因此，对 d c s 在工业自动控制中进行研究应用就显得十分必要。 蒸发器是氧化铝生产中的重要设备。目前山东铝业股份有限公司氧化铝生产 过程中使用的为自然循环标准式蒸发器和强制循环蒸发器。山铝股份公司的强制 循环蒸发器流程全部为三效蒸发流程，蒸水汽耗高达0 5 t t h 2 0 以上，运行成本 较高，而且全部为人工手动操作，控制精度较差。针对以上问题，为了在激烈的 市场竞争中占据优势，山铝股份公司决定采用国际上技术领先的管式降膜蒸发器 用于氧化铝生产。 1 2 国内外d c s 的发展现状综述 1 2 1 国外d c s 的发展概况及趋势 在国外，5 0 年代第一台计算机应用于控制，由于当时计算机成本高，功能 太弱，速度太慢而且并不十分可靠，仍不能称之为过程计算机控斜，充其量不过 是一个离线数据分析的工具，并不直接参与过程控制。1 9 7 5 年，h o n e y w e l l 公司 推出t d c 2 0 0 0 集散型控制系统，是世界上第一套d c s ，是工业控制的个里程 碑。它是一个具有许多微处理器的分级控制系统，以分散的控制设备来适应分散 一1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的过程对象，主要解决集中工业控制系统应用中存在的问题，技术着眼点在于控 制系统的结构和系统的可靠性，实现信息集中、控制分散的初衷，提高了控制站 的效率和可靠性。 第二阶段2 0 世纪8 0 年代为d c s 的成熟期，随着微处理器运算能力的增强， 超大规模集成电路集成度的提高和成本的不断降低，给过程控制的发展带来新的 面貌，使得过去难以想象的功能付诸了实施。采用标准化和模块化设计，数据通 信向标准化迁移，现场控制站采用1 6 位或3 2 位微处理器，板级模块化，单元结 构化，使之具有适应性和扩充的灵活性。控制功能更加完善，能实现过程控制、 数据采集、顺序控制和批量控制等功能。使用和用户界面更加友好。控制站采用 了双冗余，提高了可用性，普遍采用局域网络技术，采用n ：n 对等通信。其基 本结构由六部分组成，即局部网络、多功能现场控制站、增强型操作站、主计算 机、网关和系统管理站等。这一阶段，d c s 的功能已经比较完善，控制站控制功 能更强，采用专用集成电路和表面安装技术，使板上元件更少、体积更小、可靠 性更高：操作站采用3 2 位计算机，增强图形显示功能，过程控制组态更方便直观。 第三阶段2 0 世纪9 0 年代至今，这一阶段的c p u 开始具有部分管理功能， 带有一般性管理模块，甚至专家系统，第三代d c s 开始采用现场总线技术，它 是一种开放式实时网络系统，是控制界的热点，也是自动化领域一项划时代的新 技术。d c s 向向综合化、开放化发展，出现了生产过程控制系统与信息管理系统 紧密结合的管控一体化的新一代集散型控制系统。 1 2 2 国内d c s 系统发展状况及趋势 自从改革开放以来，我国许多传统工业需要采用现代科学技术来改造，新的 建设项目也在不断增加，对d c s 的需要越来越迫切，国家先后从国外引进上千套 d c s 来装备石化、冶金、电力等行业，同时坚持自力更生、自主开发与引进技术 相结合的方针，把引进国外先进技术与对其及时消化吸收与创新，作为发展我国 科学技术的重要途径。 8 0 年代中期，许多单位和个体技术人员都想涉及d c s 的开发和生产。由于 资金投入太多，软件的工程量太大，需要软件开发人员、硬件人员和工程人员协 调工作，另外d c s 的开发毕竟太复杂了，它涉及到计算机技术、通讯技术、控制 技术和显示技术。几个技术人员不可能掌握那样多的技术，同时也没有那样多的 资金投入，并且不可能在短时间内就有产出。几个技术人员是没有力量来支撑的。 许多技术人员只能望d c s 兴叹。许多单位如几个大钢铁公司的自动化部也由于资 金不足退出d c s 的开发。如阿城继电器厂从1 9 8 4 年就开始d c s 的开发，并取得 很好的成绩。由于资金不足和管理混乱，也无奈的基本退出d c s 的角逐。s t d 总线的产品是控制系统的中间产品，9 0 年代初期生产厂家很多，每年在国内达到 几亿的销售量( 与现在国产的d c s 销量相当) 。由于最终用户的工作量很大，也 正在退出市场。 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 正在退出市场。 9 0 年代中期，d c s 的部件除功能块以外，在市场上都能买到。如控制器可以 用p c 机主板，d c s 网络也可以用以太网。人机界面可用通用监控软件，如组态 王等。市场形势比8 0 年代有很大改变。又一次浪潮涉及开发d c s ，各种牌号的 d c s 纷纷出笼，大约有上百种系统推向市场。仔细分析，都在较低层次上重复， 功能单一，形不成规模。 由于政府有关部门的界入，开始有新的单位进入d c s 的开发。政府的有关部 门无论从资金还是项目都大力支持，所以得到蓬勃发展。如北京和利时、上海新 华和浙大中控。他们都有几百套的销量，基本形成规模生产。他们虽然一时还达 不到进口的水平，但控制的基本要求还能满足。从系统的结构和i o 板的生产来 看，已经有相当高的水平，和国际上的水平已相差不远。如无锡生产的i o 板就 很美观。人机界面的软件国内已有开发，如组态王，每年有2 0 0 0 套的销售量，经 使用情况也是良好的。 开发d c s 最难的是控制器的开发问题，一是硬件，用的是p c 机卡，操作系 统也是通用型的，如微软的n t 、加拿大开发的q n x 等，价格高，使得利润减低。 二是功能块的开发。这是最难的。功能块的数量几乎是无限的。它的工作量很大， 不仅要有软件人员，还要有工程人员的配合，才能编出好用的功能块。由于我国 以前实行计划经济，对技术人才一是不重视，二是各单位私有。一个单位很难集 中有如此多的优秀的技术人员。我国软件开发人员不仅数量少，而且习惯于自己 独立编程，不能很好的与现场技术人员交流，所以开发的功能块就会出现不如人 意的地方。国产d c s 不仅功能块的数量少，而且据用户反映，如顺序控制器功能 块，其真值表不象国外的那样好用。又如自调整功能块，现场一般都不用，即使 用也不好用。 总之，由于销售量还是比较小，跟踪用户的反应还不够，所以我国还缺少一 套千锤百炼有自主产权的功能码。这套软件是没有卖的。一定要自己开发，在不 同的操作系统下，编的程序就不一样。这与要不要控制器这个硬件没有关系。使 用现场总线系统也需要算法，用p c 作为既控制又显示同样需要算法。由于销量 小，很少有第三方帮助完善系统，比如专家系统，实时数据库，与数字仪表及p l c 的接口等。 因此，在追赶国外d c s 的道路上，国内厂商和研究院所还有很长的路要走。 1 3 d o s 产品介绍 1 3 1i ) c s 的设计思想 目前的d c s 设备虽然型号各异，各厂商有自己的特定经验和传统的市场方 向，它们的设计重点也不同，因而各个系统在结构上、通信网络上以及软件编制 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 如下： ( 1 ) 控制分散、信息集中这种结构使系统的危险分散，提高了可靠性。 ( 2 ) 高度的灵活性和可扩展性在d c s 中，有许多不同功能和类型的插卡或 模块，选择不同数量和类型的插卡或模块可以组成不同规模和不同要求的硬件环 境。系统的应用软件也采用模块化结构。显然，这种软硬件的模块化结构提高了 系统的灵活性和可扩展性。 ( 3 ) 较强的数据通信能力利用高速数据公路连接各个模块或设备，并经通 道接口与局部网络相连，保证各设备间的信息交换以及数据库和系统资源的共享。 ( 4 ) 友好而丰富的人机联系通过人机联系，操作员可以及时获取整个生产 过程的信息，还可以通过功能键直接改变操作量，干预生产过程、改变运行状况 或做事故处理。 ( 5 ) 极高的可靠性连续生产过程对控制系统的可靠性要求极高，各厂家也 采取各种措施来提高系统的可靠性，如硬件自诊断系统、关键设备冗余等。 1 3 2d c s 的结构特点 不同厂商的d c s 产品，从基本组成来说，都是一致的，都包含操作站、控制 站、数据传输和通讯系统等基本部分。 ( 1 ) 操作站是d c s 中与操作人员进行信息交换的设备，以屏幕窗口或文件 表格的形式提供人与系统的界面。第三代d c s 操作站是在个人计算机( p c ) 及 w i n d o w s 操作系统普及和通用监控图形软件已商品化的基础上诞生的，面对用户 要求的d c s 系统应具有开放性、便于系统集成和操作、与w i n d o w s 一致等。目 前大多数d c s 操作站已采用高档p c 机或工控机，g r m d o w sn t ( 或w i n d o w s9 8 ) 操作系统，客户机服务器( c s ) 结构，d d e ( 动态数据交换) 或o p c ( 用于过程控制 对象链接嵌入) 接口技术，以太网接口与管理网络相连。操作站分为两级：基本操 作站和高级操作站。基本操作站具有显示、操作等窗口功能，高级操作站除了这 些功能外，更重要的是还有系统的组态、系统仿真以及管理信息系统等功能，又 称为工程师站。 ( 2 ) 控制站是d c s 的核心。控制站继承了d d c 技术，它是一个完整的计 算机，实际运行中可以在不与操作站及网络相连的情况下，完成过程控制策略， 保证生产装置正常运行。从计算机系统结构来说，控制站属于过程控制专用计算 机。控制站作为一个完整的计算机，它的主要i o 设备为现场的输入、输出处理 设备，以及过程输入，输出( pi o ) ，包括信号变换与信号调理，a d 、d a 转换。 它的机柜内装有一定数量的控制器卡件，模入模出和开入开出卡等过程接口卡以 及电源卡等，还可以为每组控制器提供一个子通信总线，使控制器之间的通信不 占用通信通道。d c s 与生产系统的联系必须通过控制站，因为它经接口卡直接与 各种传感器、变送器和执行器相连，系统中的控制、全部数据采集、处理等任务 均由控制器承担。 一d 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 数据传输和通讯系统是系统中各设备之间进行信息交换的物理媒介， 在d c s 系统诞生时，主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站之 问的数据通信问题；第二代d c s 则解决多个装置的d c s 互联问题；第三代d c s 则解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联的问题，这是总的 设计思想。常用的传输通道的拓扑结构是环形和总线型，目前通信协议以t c p i p 协议为主。 d c s 系统是采用标准化，模块化和系列化设计，本着集中显示操作管理，控 制相对分散的原则建立起来的多级计算机网络系统，其主要特点概括如下： ( 1 ) 采用微机智能技术d c s 系统采用了以微处理器为基础的“智能技术”、 充分开发、利用计算机的先进技术，是计算机应用中最完善、最丰富的领域，也 是d c s 有别于其他系统装置的最大特点，d c s 中的现场控制站、过程i o 单元、 数据通信接口、操作站等均采用微处理器，有存储、运算与处理、逻辑判断等功 能。 ( 2 ) 采用分级递阶结构这是d c s 从工程实际出发，充分考虑系统功能分散、 危险分散、提高可靠性、降低投资成本、便于维修和技术更新等而优化出来的合 理结构。通常按从下而上垂直划分为过程控制级、控制管理级、生产管理和经营 管理级三级结构。 ( 3 ) 软件模块化d c s 有着丰富的功能软件，主要包括控制运算模块、控制 程序软件包、过程监视软件包、显示程序软件包、信息检索软件包、工业画面软 件包等，这些软件采取不同的组态，可生成相应的实用系统，易于用户扩展新的 控制系统。 ( 4 ) 采用局域网络通信技术采用实时性的、安全可靠的工业控制局域网络， 使整个系统信息共享，通信协议向标准化方向前进。d c s 先进的局域网络技术， 是优于模拟仪表控制系统和集中计算机控制系统的最大特点之一。 ( 5 ) 友好的人机接1 2 1d c s 人机接1 2 1 是面向工业控制技术人员、工 艺技术人员和生产操作人员设计的，用户界面就要与之相适应，采用友好的复合 窗口技术，画面日趋丰富，更适应现代化工业生产控制、管理的各种要求。 f 6 ) 采用高可靠技术高可靠技术是d c s 赖以存在和发展的根本支柱，采用 可靠的硬件工艺结构、冗余技术和容错技术，使d c s 的平均无故障时间( m t b f ) 达5 万小时以上，而平均故障修复时间( m t t r ) 一般只有5 分钟左右i l j 。 1 3 。3d c s 主要产品介绍 目前，国内外d c s 系统德应用日益广泛，世界上已有6 0 余家公司开发并生 产各种类型德d c s ，表1 1 列出世界部分d c s 的产品。 目前世界上应用最广泛的d c s 系统首推h o n e y w e l l 公司的t d c 3 0 0 0 集散型 控制系统，市场销售额约占世界d c s 市场的1 6 ，它在t d c 2 0 0 0 的基础上，于 一5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表1 1 世界部分d c s 产品一览表 t a b l e1 1l i s to f s o m ed c s p r o d u c t si nt h ew o d d 国别公司名称系统名称 美国 h o n e y w e l i t d c 2 0 0 0 ，t d c 3 0 0 0 美国f o x b o r o - e c k a r d ts p e c t r u m ，i ，as e r i e s 美国t a v l l l o rm o d ，m o d 3 0 ，m o d 3 0 0 美国 e l s a gb a i l a y n e t w o r k - 9 0 n q f i 9 0 美国f i s h e r - r o s e m o u n tp r o v o x ，s 3 美国 w e s t i n gh o u s e w d p f 日本 y o k c l g a w a c e n t u m 日本y a m a t a k eh o n e y w e l lt d c 3 0 0 0 瑞典a b bc o n t i t r o l 德国s i e m e n st e l e p e r mm 中国和利时m a c s 中国浙大中控 j x 3 0 0 x 中国上海新华x d p s - 4 0 0 1 9 8 3 年推出的，经过2 0 年的发展，几经更新换代，仍有很强的生命力。 t d c 3 0 0 0 系统是由l c n 网络及其模件、u c n 及其模件、d h 网络及其模件 组成。 ( 1 ) l c n 通信网络及其模件l c n 通信网络及其模件由局部控制网络 ( l c n ) 、万能操作站( u s ) 、万能工作站( u w s ) 、计算模件( c m ) 、应用模件 ( a m ) 、网络接口模件( n i m ) 、高速通道接口( h g ) 、网间连接器( n g ) 以及 可编程序控制器接口( p l c g ) 组成。该部分不与现场过程直接连接，主要提供 与过程网络之间的连接，l c n 网络上模件的通信，系统的人机接口，以及先 进控制策略和综合信息处理功能。 ( 2 ) u c n 通信网络及模件u c n 通信网络和过程管理站( p m ) 、逻辑管理站 ( l m ) 是h o n e y w e l l 公司1 9 8 8 年推出的新型过程控制和数据采集系统。u c n 是 开放网络，采用i e e e 8 0 2 4 标准通信协议，即令牌总线存取方式，传输速度高达 5 m b p s 。u c n 网络上克挂接6 3 个模件，网络通常距离为3 0 0 米。 ( 3 ) d h 通信网络及其模件d h 通信网络是t d c 3 0 0 0 基本系统采用的，1 9 8 4 年h o n e y w e l l 公司推出t d c 3 0 0 0 l c n 网络后，d h 通信网络通信高速通道接口 ( h g ) 与l c n 网络相连，它可以与基本控制器( b g ) 、扩展控制器( e c ) 、多 功能控制器( m c ) 、高速多功能控制器( a - m c ) 、过程接口单元( p i u ) 、数据高 速通道接口( d h p ) 等单元相连，主要实现生产过程的控制和数据采集功能【6 j 。 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本课题研究的内容和主要工作 蒸发器集散控制系统的研究是针对山东铝业股份有限公司氧化铝厂管式蒸发 器技术改造自动控制系统进行的。采用北京和利时系统工程有限公司的d c s 系统 s m a r tp r o 系统。实现对管式蒸发器的自动控制。研究的主要工作和内容如下： ( 1 ) 对管式蒸发器的设备结构和生产工艺进行分析，对p i d 调节和串级控制 系统进行了研究，为系统设计做好准备。 ( 2 ) 对北京和利时系统工程有限公司的d c s 系统s m a np r o 系统进行了分 析研究，结合控制的需要，对d c s 的硬件进行设计，配置系统的i o 模块。 ( 3 ) 在对控制理论进行分析的基础上，结合工艺的要求，开发出了蒸发器自动 控制应用软件，使操作人员可以在计算机上监视生产状况，对设备进行控制。 ( 4 ) 系统设计开发、安装施工结束后，对控制系统进行调试，对设计开发、接 线的正确性进行检验，对控制回路的p i d 参数进行整定，针对系统中存在的干扰 现象采取措施，消除干扰的影响。 7 东北大学硕士学位论文 第二章管式蒸发器及相关文献综述 第二章管式蒸发器结构及相关文献综述 2 1 概述 蒸发器是氧化铝生产中的重要设备。碱石灰烧结法生产氧化铝的大致流程 为：先将矿石磨细后，按一定的比例调配成合格的生料浆，生料浆在回转窑内烧 结成熟料，再经过溶出、脱硅、分解、过滤等工序后生成氢氧化铝，同时过滤氢 氧化铝后产生的滤液即碳分原液中含有大量的纯碱( n a 2 c 0 3 ) ，又要重新返回料 浆制备工序，以回收其中的纯碱等有效成分。如果碳分原液中的水份过大，将会 增加配料的难度，影响生产的液量平衡，在烧结过程中更会使能耗大幅增加，并 降低回转窑的产能，制约氧化铝的产量，因此，必须在碳分原液回到配料工序前 将其中的水份尽可能的蒸发掉，这时，就要利用蒸发器来完成这个任务。 目前山东铝业股份有限公司氧化铝生产过程中使用的为自然循环标准式蒸发 器和强制循环蒸发器。自然循环蒸发器的优点是结构简单，操作可靠，传热效果 好，投资较少；其缺点是清洗和检修较麻烦，溶液的循环速度低，一般为o 1 o 5 m s ，适合于处理粘度较小的溶液，一般不适合处理易结垢和有大量结晶析出 的溶液。强制循环蒸发器则由于溶液在加热管内的循环速度高达0 8 2 5 m s ，所 以可以处理粘度较大或易结晶析出与结垢的溶液；但是其循环泵动力损耗大，静 压温差损失大，不能采用多效蒸发。山铝股份公司的强制循环蒸发器流程全部为 三效蒸发流程，蒸水汽耗高达0 5 价h 2 0 以上。针对以上问题，为了在激烈的市 场竞争中占据优势，山铝股份公司决定采用国际上技术领先的管式降膜蒸发器用 于氧化铝生产。 2 2 管式蒸发器结构与特点 管式蒸发器是用于将料浆中水份利用蒸汽加热蒸发掉的一组大型设备的总 称。它包括六效蒸发器及附属设备、四效闪蒸器及附属设备、真空泵、冷凝器等 设备。其中蒸发的过程主要在六效蒸发器中进行，六效蒸发器控制运行的好坏， 直接关系到生产的稳定和效率。 2 2 1 管式蒸发器的结构 管式蒸发器是夹套换热装置，高为1 6 米，从外形看可以分为两部分：上部 的汽室和下部的液室。汽室直径比较细，顶端有多个开口与外部相连，最顶端是 一8 东北大学硕士学位论文第二章管式蒸发器及相关文献综述 蒸汽入口 圈2 1 管式蒸发器外形图 t h eo u t l i n ed r a w i n go fp j p ee v a p o r a t o r 9 力接口 端 东北大学硕士学位论文第二章管式蒸发器及相关文献综述 图2 - 2 管式蒸发器系统示意圈 f 够2 s k e t c hm a po f i 试p ee v a p o r a t o r 盯s 把m 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章管式蒸发器及相关文献综述 次蒸汽进口，经过减温减压的蒸汽从顶端进入：一次蒸汽进口旁边是料浆入口， 料浆从这里经布膜器后进入蒸发器：料浆入口的另一侧为二次蒸汽出口，出f 3 管 道与冷凝器相连，蒸发出来的水蒸气从这里进到冷凝器冷凝成水送至冷凝水槽， 检验合格后再返回山铝热电厂。液室较粗，料浆从汽室顶部自上而下进入液室， 从底部排出进入前一效。蒸发器内部有多条竖直的蒸汽管道( 与汽室、液室隔离) ， 蒸汽在管道内也是自上而下进入，与料浆换热后从扇黼排出进入下一效。由于蒸 发过程中液量不断减少，蒸发器的体积也在不断减小，六效汽室、液室的直径分 别为中2 6 0 0 r 邶= l 中6 0 0 皿，五效减为2 4 0 0 r a m 5 5 0 0 m m ，到一效为中2 4 0 0 m m c d 4 5 0 0 m m 。 2 2 2 管式蒸发器的特点 ， _ 艇 与山铝公司正在使用的自然循环标准式蒸发器和强制循环蒸发器相比，管式 蒸发器有着许多的优点，在大工业生产逐步走向现代化的今天，管式降膜蒸发器 淘汰自然循环标准式蒸发器和强制循环蒸发器将是必然的。 ( 1 ) 蒸发器属于降膜蒸发的原理，它蒸发面和铂| 袖空间大，可以在溶液降膜 加热过程自由蒸发，因此基本上没有静压温差损失，可以在温差很小的情况下运 行，易实现多效操作。 ( 2 ) 热系数大，传热系数在1 3 0 0 w m 2 * c 以上，而自然循环蒸发器传热系数 只有8 0 0 w m 2 左右蘸 ( 3 ) 管式降膜蒸发器结构合理，一般不易结垢，即使有少量结垢，在初期疏 松时很容易被降膜冲刷去除，停车清理检修时间短，工作量小。 ( 4 ) 单组蒸水能力大，设备轻，结构紧凑，相对占地面积小，且容易安装， 土建费用低。_ j 。， 2 3 燕发工序的工艺流程介绍 2 3 l 蒸发工序的物料走向 毋一 稻 蒸发工序的工艺流程并不复杂，要搞清楚流程，就需要首先明确碱液、蒸汽、 冷凝水等主要物料的走向，只要把物料走向搞清楚了，整个蒸发系统的工艺也就 清楚了。 ( 1 ) 料浆走向 碳分原液从原液槽经泵送至六效蒸发器，经过蒸发过程再经 泵送到五效直接预热器进行预热，到温度提升到沸腾时进入五效蒸发器，类似依 次进入四效、三效、二效、一效蒸发器。经一效蒸发器出来的碱液靠自身的压差， 还要依次经一闪到四闪四套闪蒸器蒸发后，经泵送至母液槽再送至料浆配置工序。 每效蒸发器都单独配有循环泵以避免布膜受进出料大小的影响。另外为避免过蒸 发和欠蒸发现象的发生，设计了从一效到一闪、从一效到五效和三闪到五效配旁 1 1 东北大学硕士学位论文第= 章管式蒸发器及相关文献综述 路流程。 图2 3 六效蒸发嚣系统示意圈 飚 s k e t c hm p o f s i xg r o u p se v a p o r a t o r ( 2 ) 蒸汽走向新蒸汽经减温减压装置后变为0 4 1 v t p a 的饱和蒸汽，然后进入 一效蒸发器，一效蒸发器乏汽进二效蒸发器，类似依次进入三效、四效、五效、 1 2 东北大学硕士学位论又第= 章管武蒸发器及相关文献综述 六效蒸发器，六效蒸发器乏汽经大气冷凝器进入真空泵；闪、二闪、三闪产生 的乏汽分别进入三效、四效、五效蒸发器；直接预热器的蒸汽来自本效蒸发器； 冷凝水自蒸发产生的乏汽也进入蒸发器加热碱液。 ( 3 ) 冷凝水的利用为避免各效冷凝水相互污染，系统采用冷凝水分别回收 的措施。具体为一效蒸发器产生的冷凝水经水封槽和两级自蒸发回收热量后经泵 送至冷凝水检测站；二效和三效蒸发器产生的冷凝水分别经水封槽和一级自蒸发 回收热量后经泵送至冷凝水检测站；四效、五效和六效蒸发器产生的冷凝水分别 经水封槽后用泵送至冷凝水检测站。合格的冷凝水经专用的管道送至自各电厂。 ( 4 ) 不凝汽走向为避免系统中产生的不凝汽影响加热器的换热效果，必须 将不凝汽连续排除，系统采用真空泵将其全部排出。 2 3 2 生产工艺流程介绍 从前一节的介绍中我们已经知道，蒸发的工艺流程为逆流流程，料浆和蒸汽 的走向正好是反着的，原液料浆加入蒸发器的最末效，溶液从最末效出来以后通 过泵输送到前一效，依次通过各效，最后进入一效；新蒸汽加入到一效，最后到 六效，与料浆方向相反。 逆流流程有着许多优点：料浆温度随着浓度的升高而升高，保证了较高的传 热强度；料浆中的氧化铝和碱浓度的提高，使氧化硅的溶解度增大，温度的升高 又使其溶解度增大，这样可以减轻含水铝硅酸钠的结垢，提高了传热效率。 工作过程：碳分原液首先由进料泵从原液槽打到六效蒸发器顶部，在布膜器 的作用下，料浆均匀的沿着加热管壁以膜状自上而下垂直流动，流动过程中受到 央套中的蒸汽的加热后蒸发、汽化。部分水变成水蒸气从蒸发器顶进入冷凝器冷 凝为水，浓缩后的料浆经过料泵打到五效蒸发器，再依次进入其他各效，每一次 的浓度都要加大，从一效出料以后还要经过三次闪蒸，最后出料的时候，料浆已 经接近于饱和。 在生产过程中，要求严格控制的几个指标为： ( 1 ) 蒸汽压力和温度蒸汽进入蒸发器之前要求压力、温度保持稳定，以 免造成生产的波动，同时温度不能过高，过高容易使蒸发器不锈钢的夹套和外 壁在碱性、高温的条件下发生碱脆现象。 ( 2 ) 蒸发器出料密度代表蒸发效果的好坏，要求控制在一个很小的范围 内，过小说明料浆中水分过多，蒸发未达到效果，过大则容易使料浆产生结晶 析出，堵塞管道。 ( 3 ) 蒸发器各效内的料位各效内的液位也要求严格控制，过高则使碱液 进入冷凝水管道，污染冷凝水并造成碱液浪费，过低则会出现干罐事故，造成 人员设备伤害。 1 3 东北大学硕士学位论文第三章集散控制系统方案设计 第三章集散控制系统方案设计 3 1p id 控制理论 p i d 控制是比例( p r o p o r t i o n a l ) 、积分( i n t e g r a l ) 、微分( d i f f e r e n t i a l ) 控制 的简称。在生产过程自动控制的发展历程中，p i d 控制是历史最久、生命力最强 的基本控制方式，随着科学技术的发展特别是计算机技术的发展，涌现出许多新 的控制方法，然而直到现在，p i d 控制由于它自身的优点仍然是得到最广泛应用 的基本控制方式。 p i d 控制具有以下优点： ( 1 ) 原理简单，使用方便。 ( 2 ) 适应性强，可广泛应用于化工、冶金、造纸和建材等各生产部门。 ( 3 ) 鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。 p i d 控制是一种负反馈控制，负反馈控制系统中，自动调节器和被控对象构 成一个闭合回路，负反馈作用缓解被控对象流入量和流出量的不平衡，从而正确 达到自动控制的目的。 3 1 1 比例调节 在比例调节中，调节器的输出信号”与偏差信号p 成比例，即 u = k c e ( 3 1 ) 式中称为比例增益，在过程控制中，习惯把增益的倒数来表示调节器输入输 出的关系： “：土e( 3 2 ) 占 式中j 称为比例带。占具有重要的物理意义，如果“直接代表执行器的变化量， 那么占就代表使执行器改变1 0 0 所需要的被调量的变化范围。只有当被调量处 在这个范围以内，执行器的变化才与偏差成比例，超出这个范围，调节器的输入 输出不再保持比例关系，调节器也失去了控制作用。 比例调节的特点是有差调节，如果采用比例调节，在负荷扰动下的调节过程 结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差。比例调节的残 差随着比例带的加大而加大，所以希望尽量减小比例带，然而减小比例带就等于 加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。因此比例带 的设定必须保证系统具有一定的稳定裕度，如果残差过大，可以通过其他途径解 决。 一1 4 东北大学硕士学位论文第三章集散控制系统方案设计 3 1 2 积分调节 在积分调节中，调节器的输出信号的变化速度d u d t 与偏差信号e 成正比，即 d d ，u = 品e 或“= s 。f 。d ，= _ 1 1 1 7 1 1 ，山r 础) ( 3 3 ) 式中j 为比例带，岛为积分速度，乃为积分时间。上式表明，调节器的输出与偏 差信号的积分成正比。 积分调节的特点是无差调节，与比例调节形成鲜明的对比，只有在被调量偏 差为零时，积分调节器的输出才会保持不变，而且输出会停在任何数值上。积分 调节的另一个特点是稳定作用比比例调节差，例如对于非自衡的被控对象采用比 例调节时，只要加大比例带总可以使系统稳定，如果用积分调节，则不可能得到 稳定的系统。 采用积分调节时，控制系统的开环增益与积分速度岛成正比，& 越大，调节 速度越快，但加大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的 振荡过程。 3 1 。3 微分调节 微分调节的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即 “嗵詈= - 丢( t