（机械工程专业论文）电解铝物料储运及烟气净化控制系统设计.pdf

一 独创性声明 i l f l l li i i i f l l l l l l l l l l l l l li i i f , , , , , , i , i i i i i i ii lr l l l l l l l i i 删i i i f y 18 4 0 9 6 4 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，不包含其他人己经发表或撰 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己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：l 。也智犯 日期： 砂1 以b j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： i ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g d e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mf o rt h e e l e c t r o l y s i sa l u m i numm a t e r i a ls t o r e c o n v e y a n c ea n df l u eg a sp u r i f i c a t i o n b y c h iw e ns h e n g s u p e r v i s o rp r o f e s s o r ：s o n gw e i g a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y s e p t e m b e r2 0 0 7 ， - ， 东北大学工程硕士学位论文摘要 电解铝物料储运及烟气净化控制系统设计 摘要 在整个铝电解生产过程中，单体设备最多、过程最复杂、控制区域 最广的是物料储运及烟气净化系统，它是铝电解生产中原料输送系统，同 时该系统兼容铝电解烟气灰尘的回收净化。本文针对铝电解生产过程， 结合现场实际情况，开发设计了物料储运及烟气净化控制系统，以解决 铝电解产生中随着工艺技术的不断改进和发展，对控制方式和控制策略 的更高需要。 本文以中国铝业贵州分公司四期电解铝工程项目为研究背景，设计 了以s 7 4 0 0 系列p l c 为控制器，西门子w i n c c 工业控制组态软件为 上位监控运行平台，西门子t p 2 7 0 触摸屏为现场操作站，基于工业以态 网和p r o f i b u s 总线技术的集散控制系统。 本文从理论和具体应用两个方面对铝电解物料储运及烟气净化控 制系统的设计与实现进行研究，在分析和比较典型现场总线控制系统的 基础上，把西门子公司的p r o f i b u s d p 和工业以太网相结合，设计了 系统通信网络结构，提出了对铝电解物料储运及烟气净化生产过程监控 的解决方案，文中详细地论述了整个监控系统的网络结构和建立过程； 此外，系统以西门子s 7 4 0 0 系列p l c 为控制器，西门子w i n c c 工业 控制组态软件为上位监控运行平台，在分析了技术要求和用户需求后， 设计开发了铝电解物料储运及烟气净化生产过程计算机监控系统和逻辑 控制程序，文中着重论述了s 7 4 0 0 系列p l c 的选型及模块配置，逻辑 控制程序的开发，基于s i m a t i cw i n c c 的生产过程监控系统的开发、 w i n c c 服务器的冗余设计，开发的监控界面直观、操作方便、极大地 提高了系统监控能力；同时，针对物料储运及烟气净化工艺特点，论述 了p i d 调节和变频调速在大型风机中的应用。 本课题所研究和开发的系统，在生产中，已经投入了使用，实践证 明具有操作方便、运行稳定、控制效果良好和易维护的优点。 关键词：物料储运；烟气净化：s 7 4 0 0 ；w i n c c i i 产 东北大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mf o rt h ee l e c t r o l y s i s a l u m i n u mm a t e r i a ls t o r ec o n v e y a n c ea n df l u eg a s 一 d u r l l l c a t l o n a bs t r a c t i nt h ee l e c t r o l y t i cp r o d u c t i o np r o c e s s ，t h el a r g e s ts i n g l ee q u i p m e n t ， p r o c e s st h em o s tc o m p l e x ，c o n t r o li st h em o s tw i d e l yr e g i o n a lm a t e r i a l s s t o r a g e ，a n df l u eg a sp u r i f i c a t i o ns y s t e m i ti si nt h ee l e c t r o l y t i cp r o d u c t i o n o fr a wm a t e r i a l st r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，t h ee l e c t r o l y t i cs y s t e mc o m p a t i b l e w i t ht h er e c o v e r yo ff l u eg a sp u r i f i c a t i o nd u s t t h i s p a p e re l e c t r o l y t i c p r o d u c t i o np r o c e s s ，c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n t a n dd e s i g no ft h ef l u eg a sp u r i f i c a t i o nm a t e r i a lh a n d l i n gc o n t r o ls y s t e mt o p r o d u c ee l e c t r o l y t i c s o l u t i o nw i t ht h e t e c h n o l o g y i nt h ec o n t i n u o u s i m p r o v e m e n ta n dd e v e l o p m e n t ，c o n t r o la n dm o r ec o n t r o ls t r a t e g yh i g h n e e d s i nt h i sp a p e r ，c h i n a sg u i z h o ub r a n c hf o u ra l u m i n u me l e c t r o l y t i c a l u m i n u mp r o j e c t sf o rt h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，a n di sd e s i g n e dt os 7 4 0 0 s e r i e sp l cc o n t r o l l e rf o rs i e m e n sw i n c ci n d u s t r i a lc o n t r o lc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ef o rt h em o n i t o r i n go p e r a t i o nu p p e rp l a t f o r m ，s i e m e n st p 2 7 0t o u c h s c r e e nf o rt h es i t eo p e r a t o rs t a t i o n ，b a s e do ni n d u s t r yt on e t w o r ka n dt h e s t a t eo fp r o f i b u st e c h n o l o g yd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h es p e c i f i ca p p l i c a t i o no ft h e o r ya n dt w oo fe l e c t r o l y t i c m a t e r i a lh a n d l i n ga n df l u e g a sp u r i f i c a t i o nc o n t r o ls y s t e md e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fr e s e a r c h ，a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft y p i c a lf i e l d b u s c o n t r o ls y s t e mo nt h eb a s i so ft h es i e m e n sc o m p a n yp r o f i b u s d pa n d i n d u s t r i a le t h e r n e tc o m b i n a t i o no ft h ed e s i g no ft h es y s t e mc o m m u n i c a t i o n s n e t w o r ks t r u c t u r e ，m a d eo fa l u m i n u me l e c t r o l y t i cm a t e r i a lh a n d l i n ga n d f l u eg a sp u r i f i c a t i o np r o d u c t i o np r o c e s sm o n i t o r i n gs o l u t i o n s ，a r ed i s c u s s e d i nd e t a i li nt h et e x to ft h ee n t i r em o n i t o r i n gs y s t e mn e t w o r ks t r u c t u r ea n d t h ee s t a b l i s h m e n to fp r o c e s s ；i na d d i t i o n ，t h es y s t e mt os i e m e n ss 7 4 0 0 s e r i e sp l cc o n t r o l l e rf o rs i e m e n sw i n c ci n d u s t r i a lc o n t r o lc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ep l a t f o r mf o rt h eu p p e rc o n t r o lo p e r a t i o n ，t h ea n a l y s i so ft h e i i i 东北大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa n du s e rr e q u i r e m e n t s ，t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t o fe l e c t r o l y t i cm a t e r i a l h a n d l i n g a n df l u e g a sp u r i f i c a t i o nc o m p u t e r m o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h ep r o d u c t i o np r o c e s sa n dl o g i cc o n t r o lp r o c e d u r e s ， t h et e x tf o c u s e so ns 7 4 0 0s e r i e sp l cs e l e c t i o na n dc o n f i g u r a t i o no f m o d u l e s ，l o g i cc o n t r o lp r o c e d u r e s f o rd e v e l o p m e n t ，b a s e do ns i m a t i c w i n c cp r o d u c t i o np r o c e s sc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t ，w i n c cs e r v e r r e d u n d a n c yd e s i g n ，m o n i t o r i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e r f a c ei n t u i t i v e a n d e a s y t o o p e r a t e ，t h u sg r e a t l ye n h a n c i n g t h e s y s t e mm o n i t o r i n g c a p a b i l i t ya tt h es a m et i m e ，f o rm a t e r i a lh a n d l i n ga n dc h a r a c t e r i s t i c so ff l u e g a sp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ，a n di n t r o d u c e dt h ep i dr e g u l a t o rv v v fl a r g e f a ni nt h ea p p l i c a t i o n t h ep r o je c t su n d e r t a k e nb yt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ts y s t e m ，i n p r o d u c t i o n ，h a sb e e np u ti n t ou s e ，a n dp r a c t i c eh a sp r o v e nt o b ee a s yt o o p e r a t e ，o p e r a t i o ns t a b i l i t y ，a n dm a i n t a i ng o o dc o n t r o lo f t h em e r i t s k e y w o r d ： m a t e r i a ls t o r ec o n v e y a n c e ；f l u eg a sp u r i f i c a t i o n ； s 7 4 0 0 ； w i n c c i v # 东北大学工程硕士学位论文目 录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景1 1 1 1 概论1 1 1 2 选题的目的和意义1 1 2 生产控制系统的发展1 1 3p l c 、d c s 、f c s 三大控制系统的基本特点4 1 3 1p l c 基本特点：4 1 3 2d c s 基本特点：4 1 3 3f c s 基本特点：4 1 4 本文的主要内容和方法5 第2 章系统组成原理及控制系统总体设计6 2 1 工艺流程6 2 1 1 电解铝工艺流程6 2 1 2 超浓相输送系统6 2 1 3 浓相输送系统7 2 1 4 烟气净化系统8 2 2 系统需求分析8 2 3 控制系统总体设计9 第3 章网络与通信方案设计1 1 3 1 网络与通信设计1 1 3 2 工业以太网简介13 3 2 1 工业以太网的优点1 4 3 2 2 工业以太网的技术特点1 4 3 2 3 工业以太网的构成1 4 3 2 4 工业以太网的网络方案1 4 3 2 5 工业以太网配置15 v 东北大学工程硕士学位论文 目录 3 3p r o f i b u s 现场总线1 6 3 3 1p r o f i b u s 概述1 6 3 3 2p r o f i b u s 总线存取协议1 6 3 3 3p r o f i b u s d p 18 3 3 4p r o f i b u s d p 在控制系统中的应用19 第4 章系统硬件设计2 1 4 1 上位机硬件配置2 1 4 2p l c 选型及模块配置2 1 4 2 1p l c 选型2l 4 2 2p l c 模块配置2 1 4 2 3p l c 模块概述与选配2 3 4 3 触摸屏与变频器的选择2 6 4 3 1 触摸屏的选择2 6 4 3 2 变频器的选择2 7 第五章p i d 控制与变频调速控制设计2 8 5 1p i d 控制2 8 5 1 1p i d 控制的原理和特点2 8 5 1 2p i d 控制器的参数整定2 9 5 1 3 在s t e p 7 中实现p i d 调节3 0 5 2 变频调速控制3 0 5 2 1 变频器的工作原理交流电动机的同步转速表达式：3 0 5 2 2 变频器控制方式3 l 5 2 3 变频调速系统的组成3 3 第6 章p l c 控制系统软件设计3 4 6 1s t e p 7 简介3 4 6 2 火车卸料站系统p l c 控制程序设计3 5 6 3 卡车卸料站系统p l c 控制程序设计3 6 6 4 区域站系统p l c 控制程序设计3 6 6 4 1 氧化铝转运p l c 控制程序设计3 6 6 4 2 天车加料p l c 控制程序设计3 7 6 4 3 氟化盐输送p l c 控制程序设计3 7 6 4 4 电解槽氧化铝加料( 超浓相) p l c 控制程序设计3 9 v i 东北大学工程硕士学位论文 目 录 6 4 5 净化系统p l c 控制程序设计3 9 第7 章监控软件的设计与开发4 0 7 1 现场操作站触摸屏软件简介4 0 7 2 触摸屏画面设计：一4 0 7 2 1 卡车卸料站触摸屏监控画面4 0 7 2 2 火车卸料站触摸屏监控画面4 0 7 2 3 氧化铝输送触摸屏监控画面4 0 7 2 4 天车加料触摸屏监控画面4 2 7 2 5 氟化盐触摸屏监控画面4 2 7 2 6 烟气净化触摸屏监控画面4 2 7 3w i n c c 软件介绍4 4 7 3 1w i n c c 系统的特点4 4 7 3 2w i n c c 系统构成4 5 7 4w i n c c 软件开发4 6 7 4 1 w i n c c 软件开发过程概述4 6 7 4 2 w i n c c 系统冗余4 8 7 4 3 上位机监控画面设计4 8 第8 章系统调试：5 6 8 1p l c 程序的仿真调试5 6 8 2 系统现场调试5 6 第9 章结论6 0 参考文献6 l 致 射：6 3 v i i 东北大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 概论 在现代大工业铝电解生产过程中，普遍采用计算机自动化控制以解 决工艺复杂的问题并提高产能。在整个铝电解生产过程中，主要包括电 解槽自动化控制、物料储运及烟气净化自动化控制、整流变电综合自动 化、多功能天车自动化控制及铸造轧机自动化控制几个自动化控制过程。 其中，单体设备最多、过程最复杂、控制区域最广的是物料储运及烟气 净化自动化控制系统。物料储运及烟气净化是电解槽原料输送系统，同 时该控制系统兼容电解槽烟气灰尘的回收净化。可以说物料储运及烟气 净化控制系统是电解铝生产线源头的神经中枢。 1 1 2 选题的目的和意义 中国铝业贵州分公司四期电解铝工程项目是中国铝业重点投资项 目，技术要求高、控制区域广、控制难度大，并且原有一、二、三系列 的控制系统均为国外引进技术。随着铝电解生产工艺技术的不断改进和 发展，原有的控制方式和控制策略已经很难满足生产的实际需要，迫切 需要进行技术提升以满足贵州分公司生产和管理的需要。 在国际上，单体超过2 0 0 0 点的系统是特大型自动控制系统。四期电 解铝物料储运及烟气净化系统融合了计算机网络技术、自动化技术、电 气工程技术、空气动力学、电磁测量与自动化仪表等多项工程技术，是 多学科交叉的典范。因此，一个高科技、高水平的物料储运及烟气净化 控制系统势必成为四期电解铝工程的窗口。 1 2 生产控制系统的发展 工业生产规模的不断扩大和生产工艺的日益复杂，对生产过程的自 动控制提出了越来越高的要求，不但要求自动控制系统有优越的控制性 能、良好的性能价格比、良好的可维护性等，还要求高可靠性，灵活的 构成方式和简易的操作方法，在对以上目标的追求中，生产过程自动控 制技术得到了不断的发展。 东北大学工程硕士学位论文第1 章绪论 伴随着3 c 技术，即计算机( c o m p u t e r ) 、控制器( c o n t r o l l e r ) 、通信 ( c o m m u n i c a t i o n ) 技术的发展，特别是微处理器技术和集成电路技术的飞 速发展以及市场竞争需要和用户需求的增长促进了自动控制系统的发展 迅速，自动控制系统大致经历了以下几个阶段： 1 ) 电动单元组合式模拟控制仪表系统 最初控制系统采用单元组合仪表，单元组合式仪表采用模拟技术和 经典控制理论，实现了对生产过程的“集中式”管理。这是一个十分重要 的阶段，它的出现不但表征了电气自动控制时代的到来，而且控制室的 设立、控制功能分离的模式一直沿用至今。电动单元组合式模拟控制仪 表系统牢牢地统治了整个自动控制领域达2 5 年之久。此时的控制理论有 了重大的发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础。但电动单元 组合式模拟控制仪表系统在控制性能一般只能实现简单参数的p i d 调节 和简单的串级、前馈控制，无法实现如自适应控制、最优化控制等复杂 的控制形式，难于实现全厂各级之间的通信联系和全厂的综合管理，而 且随着生产规模的扩大，中央控制室仪表盘愈来愈长，难于实现高度集 中管理和操作。 2 ) 计算机集中式数字控制系统 随着生产过程的强化，参数间关联性增加，要求控制系统具有多种 多样的控制功能，并能灵活、集中地进行操作以及提高控制精度。19 6 2 年，美国首先在火电厂将计算机直接控制系统应用于单元机组的自动启 停和自动调节，成功地实现生产过程的计算机闭环控制；同年英国帝国 公司( i c i ) 安装了f e r r a n t ia r g u s 计算机控制系统，替代全部模拟控制仪 表，即模拟技术由数字技术来替代，而系统功能不变。这是一种崭新的 控制技术，是人们将数字技术引入工业自动化控制的初步尝试。它经历 了计算机直接控制系统d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 、计算机集中监督控 制系统s c c ( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ) 等阶段。 这种控制系统充分发挥了计算机的特长，是一种多目的、多任务的 控制系统，一台计算机可替代多台模拟控制器。它不但能实现简单的p i d 控制，而且能实现如多变量解藕控制、最优控制、自适应控制等复杂的 运算，控制规律中的参数变化范围宽，容易实现无扰切换。其特点是结 构紧凑、轻便灵活、操作方便，但其抗干扰能力差、可靠性差。随着生 产的发展，生产规模越来越大，信息源越来越多，仅靠一台大型计算机 2 东北大学工程硕士学位论文第1 章绪论 来完成控制和生产管理的全部任务是不恰当也是不可能的。生产实际呼 唤新的计算机控制系统。 3 ) 集散式控制系统d c s 7 0 年代中期开始，随着i p c 的大量采用以及控制理论与技术、数字 通信技术的发展，在多年计算机控制研究基础上，产生了一种新的设计 思想，即通过功能分散，达到分散危险、提高可靠性的目的。这就是新 型的集散式控制系统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 ) 。 d c s 既有计算机控制系统控制算式先进、精度高、响应速度快的优 点，又有仪表控制系统安全可靠、维护方便的特点。它采用数字模拟混 合技术，现场传输信号大部分沿用4 2 0 m a 电流模拟信号，但逐渐用数 字信号来取代模拟信号。由于这种“集散”型系统既具有控制可靠，又具 有监视、操作、管理方便的特点一经出现，立即受到广泛的欢迎。d c s 实际上是一种分布式控制系统，是随着现代大型工业生产自动化的不断 兴起和控制要求日益复杂应运而生的综合自动控制系统，它紧密依赖着 计算机技术、网络通信技术和的控制技术的发展。在系统软件配置方面， 集散系统可采用组态方式，大大提高了通用性。 但集散系统大多采用封闭式的网络通信体系结构，采用本公司专用 的标准和协议，加之受到现场仪表在数字化、智慧化方面的限制，它没 能将控制功能“彻底地”分散到现场。 4 ) 现场总线控制系统f c s 计算机与电子技术的发展及当今对自动化控制系统数字化、智能化、 网络化( 或分散化) 的要求，产生了以现场总线技术为核心的现场总线控 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 ) ，通过现场总线，将工业现场具有 通信特点的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备和通信设备 连接成网络系统，连接在总线上的设备之间可直接进行数据传输和信息 交换，同时，现场设备和远程监控计算机也可实现信息传输。此系统具 有设备访问数据通信能力和设备自控制、自调整、自诊断、自标定等功 能。实际上现场总线控制系统就是以现场总线技术为核心，以基于现场 总线的智能i o 或智慧传感器、智能仪表为控制主体、以计算机为监控 中心的集系统编程、组态、维护、监控等功能为一体的工作平台。 东北大学工程硕士学位论文笫1 章绪论 1 3p l c 、d c s 、f c s 三大控制系统的基本特点 目前在过程控制系统的设计中应该采用分散控制的思想已是不争的 事实，但是从控制系统中采用的主要控制器来说，则可以有以可编程逻 辑控制器( v l c ) 为中心或以工业计算机( i p c ) 为中心的区别，这两种控制 器都可以形成具有一定规模的分散式过程控制系统，但是在工作原理、 设计方法和手段上有较大的区别。在人们习惯上约定俗成地将以i p c 为 中心的分散控制系统称为d c s 。在工业过程控制中，三大控制系统，即 p l c 、d c s 和f c s 。它们各自的基本特点如下： 1 3 1p l c 基本特点： p l c 是从开关量控制发展到顺序控制、运送处理是从下往上的。它 能实现连续p i d 控制等多功能，可用一台p c 机为主站，多台同型p l c 为从站。也可一台p l c 为主站，多台同型p l c 为从站，构成p l c 网络。 这比用p c 机作主站方便之处是：有用户编程时，不必知道通信协议， 只要按说明书格式写就行。p l c 主要用于工业过程中的顺序控制，新型 p l c 也兼有闭环控制功能。 1 3 2d c s 基本特点： 分散控制系统d c s 是集3 c ( c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t e r ， c o n t r 0 1 ) 技术于一身的监控技术。从上到下的树状拓扑大系统，其中通信 ( c o m m u n i c a t i o n ) 是关键。p i d 在中断站中，中断站联接计算机与现 场仪器仪表与控制装置。d c s 是树状拓扑和并行连续的链路结构，也有 大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。一台仪表一对线接到i 0 ，由 控制站挂到局域网l a n 。d c s 是控制( 工程师站) 、操作( 操作员站) 、 现场仪表( 现场测控站) 的3 级结构。其缺点是成本高，各公司产品不 能互换，不能互操作，d c s 系统是各家不同的。d c s 常用于大规模的 连续过程控制，如石化等。 1 3 3f c s 基本特点： f c s 可用于：本质( 本征) 安全、危险区域、易变过程、难于对付 的非常环境。f c s 具有全数字化、智能化、多功能化的特点，取代模拟 式单功能仪器、仪表、控制装置。它用两根线联接分散的现场仪表、控 制装置。在总线上p i d 与仪器、仪表、控制装置都是平等的。f s c 是多 变量、多节点、串行、数字通信系统，取代传统的单变量、单点、并行、 4 东北大学工程硕士学位论文第1 章绪论 模拟系统。f c s 用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。f c s 本身就是 局域网，可与i n t e r n e t 相通。 1 4 本文的主要内容和方法 本文将从理论和具体应用两个方面对四电解物料储运及烟气净化控 制系统的设计与实现进行研究，主要研究了：四电解物料储及烟气净化 控制系统组成：西门子p l cs 7 4 0 0 和w i n c c 、p r o t o o l 软件的应用。 ( 1 ) 选用基于工业以太网、p r o f i b u s d p 总线技术的集散控制方 式； ( 2 ) 根据工艺与控制的需要，以工控机作为监控系统的硬件平台； 以w i n d o w sx p 为操作系统，用西门子w i n c c 工业控制组态软件作 为运行平台，开发物料储运及烟气净化实时监控系统； ( 3 ) 用西门子p r o t o o l 软件编写现场操作站西门子触摸屏t p 2 7 0 的 程序； ( 4 ) 用西门子s t e p 7 软件编写s 7 4 0 0p l c 控制程序。 东北大学工程硕士学位论文第2 章系统的组成原理及控制系统总体设计 第2 章系统组成原理及控制系统总体设计 2 1 工艺流程 2 1 1 电解铝工艺流程 生产电解铝的直接设备称为电解槽，电解槽主要由碳素村料为主体 的阳极和阴极组成，电解铝生产采用熔盐电解法。铝电解生产所需的原 材料为氧化铝和氟化盐，电解所需的直流电由整流所供给。熔盐电解质 中的氧化铝在直流电的作用下，还原出金属铝。铝电解生产所需的氧化 铝由火车( 槽罐车) 运入火车卸料站，通过气力输送系统送入位于两栋电 解厂房中间的6 5 0 0 t 仓( 四栋厂房共2 个6 5 0 0 t 仓) 。每个6 5 0 0 t 仓下设 4 台l0 m 3 压力容器，分别向厂房两头的2 个10 0 0 t 仓转运氧化铝，新鲜 氧化铝经电解烟气净化系统后成为载氟氧化铝，由气力提升机送入载氟 氧化铝仓，再由超浓相输送系统送到每台电解槽的料箱。氟化铝由卡车 运入卡车卸料站通过气力输送系统送入位于两栋电解厂房中间的氟化铝 仓，再由氟化铝仓下的压力容器分别向每个槽区输送氟化铝( 浓相输送) ， 送到槽上的氟化铝料箱，由槽控机控制打壳、加料，根据电解质分子比 自动按需向电解槽内电解质中添加。每栋厂房设有3 个天车加料点，2 个向天车加氧化铝，1 个向天车加电解质粉。 2 1 2 超浓相输送系统 超浓相输送技术是2 0 世纪8 0 年代美国气力输送专家i v a n s t a n r o v i c h 研制成功的，最早应用于法国彼施涅( p e c h i n e y ) 铝业公 司。在超浓相输送过程中，风源供给的能量储存在料室的物料颗粒之间， 此时物料颗粒之间充满具有一定压力的气体，并在此压力下物料处于静 态平衡状态，也就是整个溜槽内的物料呈蓄能流态化态。当料斗某排料点 排料时，料斗内的料面下降，料斗上面的下料管中的料流出后便空下来，此 时附近的氧化铝由于颗粒间蓄有一定压力的空气膨胀，即蓄能释放，在释 放过程使氧化铝局部成为流态化，在重力作用下进入料斗中。料室内的料 进入料斗中，相应该点的就空下来，同理又为周围物料所填满，这一现象一 直沿着斜槽传播到贮槽下的供料点，从而将料由贮槽输送至排料点。 在电解生产中超浓相输送技术主要用在向电解槽输送含氟氧化铝， 6 东北大学工程硕士学位论文第2 章系统的组成原理及控制系统总体设计 含氟氧化铝由料仓送入风动溜槽，在高压离心风机提供的动力作用下供 给各电解槽料箱。下料器一旦下料，料仓腾出空缺，附近的物料就会自动填 满，这种填满空缺的连锁行为一直传递到1 0 0 0 t 仓。加料时先从各排的中 间电解槽料箱开始，依次向两端的电解槽加料。每排末端的两台电解槽装 有料位计，待安装在末端电解槽上的料位计发出高料位信号之后，延时 3 m i n 自动停止给该排电解槽加料。超浓相输送系统一旦风量、风压、料 柱高度调整好后，效果很好，不需任何控制。 火车卸科站莲车卡车卸料站卡车 氧化铝) 图1 1 电解铝物料储运及烟气净化工艺流程图 f i g1 1 t h ee l e c t r o l y s i sa l u m i n u mm a t e r i a ls t o r ec o n v e y a n c ea n df l u eg a s p u r i f i c a t i o nc r a f tf l o wc h a r t 2 1 3 浓相输送系统 作为气力输送，浓相输送与稀相输送机理大致相同，都是利用气流 在管道中运送物料。所不同的是，稀相输送的气流速度较高，物料在高压 气流中呈沸腾状态；而浓相输送可由压力容器控制其较低气流的速度。 在浓相输送管道中，粉状物料停滞在管底，管道内气流的有效通道减小， 7 东北大学工程硕士学位论文第2 章系统的组成原理及控制系统总体设计 气流速度在该段增大，将停滞的物料由表及里地吹走。随着管道有效截 面积的增大，气流速度又降低，固体物料又会停滞。如此循环往复，物料 像沙丘移动式的流态化向前移动，而产生浓相流，从而进行粉状物料的 输送。 浓相输送在铝电解生产中主要用作是铝电解所需原料新鲜氧化铝、 氟化铝和电解质粉的输送。浓相输送系统基本上由专门设计的浓相输送 管道，压力容器、带冷冻除湿的压缩空气网络、各种阀、电控元件和自 动控制设备等组成，对不同的工艺、系统中还配有料仓、增压压缩空气 网络和流化床等。压力容器的主要作用是将所需输送的物料压送到浓相 输送管道中。压力容器由压力容器体、进料阀、进排气阀、锥形出口 阀及控制盘等组成。压力容器通过进料管道与贮料仓相联，其出料口与 浓相输送管道相接。压力容器是一个间歇操作系统。在常压条件下，压 力容器内装满将要输送的物料，然后通过阀门封闭所有的开孔；输送时， 打开加压阀，用压缩空气对压力容器内部加压，同时打开输送阀，待压 力容器达到规定的压力时，打开出料阀，压力容器内的物料便压送到输 送管道，再通过输送管道把物料输送到指定的槽料箱或贮料仓内。 2 1 4 烟气净化系统 铝电解生产行业各种类型电解槽的烟气治理一般采用干法净化技 术，其主要技术内容是：利用铝电解的生产原料氧化铝粉的表面积大、吸 附能力强的特性来吸附烟气中的h f 和沥青烟。其吸附过程有化学吸附 和物理吸附，h f 的化学吸附式为： a 1 2 0 3 + 6 h f = 2 a i f 3 + 3h 2 0 ( 2 1 ) h f 的吸附效率可达9 8 9 9 ，沥青烟的吸附效率在9 5 以上。载 有氟和沥青烟的氧化铝由布袋除尘器分离后供电解使用。回收的氟返回 电解槽可补充电解生产过程中损失的氟元素，沥青焦油返槽后可逐步被 烧掉。 干法净化流程主要包括电解槽集气、吸附反应、气固分离、氧化铝 输送、机械排风等五个部分。 2 2 系统需求分析 四期物料储运及烟气净化控制系统应建成车间级生产信息管理过程 控制局网络，出色的完成生产过程自动化控制和生产信息管理，生产过 8 东北大学工程硕士学位论文第2 章系统的组成原理及控制系统总体设计 程自动化控制应完成卡车卸料、火车卸料、氧化铝转运、超浓相输送、 浓相输送、干法净化系统的运行监控，系统应完成生产信息的数据统计、 各种报表的制作并打印。 2 3 控制系统总体设计 根据电解烟气净化及物料储运的工艺配置，四期电解铝工程的物料 储送、净化、收尘控制系统采用的是集散控制方式。整个控制系统共分 三层：第一层是管理监控层，第二层是控制层，第三层是现场设备。 第一层管理监控层由中央控制室( 主控室) 组成，中央控制室设置双 服务器带双客户机和一台主交换机，对整个物料储运及烟气净化系统进 行集中管理和监控。 第二层控制层和第三层现场设备由六个现场控制站组成。整个电解 烟气净化及物料储运分成三大部分，即火车卸料、卡车卸料和物料输送 及净化系统，物料输送系统给分布在四栋厂房的电解槽加料，四栋厂房 的电解槽共分四个加料区，即两个半栋的电解槽为一个加料区，其工艺 设备配置完全相同。因此，根据工艺配置，现场控制站分为火车卸料站、 卡车卸料站、四个物料输送区域站，第二层控制层和第三层现场设备就 由这六个现场控制站组成。每个现场控制站均由一套s i m a t i cs 7 4 0 0 可编程控制器承担现场的实时控制，s 7 4 0 0 c p u 通过p r o f i b u s 总线下 挂e t 2 0 0 m ，e t 2 0 0 m 的模块由s i m a t i cs 7 3 0 0 现场i o 模块组成，它 将现场设备的信号( 开关量、模拟量) 上传给s i m a t i cs 7 4 0 0c p u ，并下 载s i m a t i cs 7 4 0 0c p u 发出的输出控制( 开关量、模拟量) 指令。每个 现场控制站的p r o f i b u s 总线还下挂一个s i m a t i