（机械工程专业论文）烧结法生料浆工业生产dcs系统的研发与应用.pdf

摘要 烧结法氧化铝生产流程是我国氧化铝冶炼的基本工艺技术，生料 浆指标的稳定性和质量是生产流程安全、稳定、高产、经济运行的重 要基础。 中国铝业中州分公司与中南大学合作研制开发的“烧结法氧化铝 生料浆自动配料产业化”项目的实施，对解决强化烧结法氧化铝生产 流程生料浆指标的稳定性和产品质量、提高企业生产组织管理水平、 保证熟料窑稳产高产和经济效益发挥了重要作用。该项目主要有两个 部分组成：自动配料专家系统软件的研制开发和以d c s 技术为平台、 以计算机和p l c 技术为核心的计算机集散自动控制系统的研制应 用。 本文主要是关于生料浆工业生产过程d c s 系统的研发应用。文 章对传统的生料浆生产过程、企业生产组织管理模式的特点及存在的 不足进行了分析，依据自动配料项目对生产自动控制技术性能的要 求，对传统的生料浆制备生产过程，尤其是对直接影响生料浆指标质 量的物料配比的计量调节和控制系统所进行的以d c s 系统技术为核 心的方案研发、生产改造及应用过程作了介绍，对传统生产组织体系 的影响进行了分析。生料浆工业生产d c s 系统的研制应用，保证了 自动配料产业化项目的正常实施，提高了生料浆指标的调控能力、产 品稳定性和质量，进一步优化和改善了烧结法氧化铝生产流程，取得 了明显的经济效益。 文章最后对研究开发工作进行了总结，对自动控制新技术对传统 的企业生产组织模式和企业管理理念的影响进行了分析。 关键词生料浆，d c s 系统，自动配料，料浆质量 a b s t r a c t t h ea l u m i n ap r o d u c t i o n f l o wo fs i n t e r i n g p r o c e s s i st h eb a s i c t 。c h n l q u ei no u rc o u n t r y t h es t a b i l i t ya n dq u a l i t yo fr a ws l u r r yi n d e xi s t h ei m p o r t a n tb a s i sf o rt h es a f e l y , s t a b l y , h i g hy i e l da n de c o n o m i c a l l v o p e r a t i o no f t h ep r o d u c t i o nf l o w t h ep r o j e c to f i n d u s t r i a l i z a t i o no f a u t o m a t i cf e e dp r e p a r a t i o no f t h e a j u m l n ar a w s l u r r y i n s i n t e r i n gp r o c e s s i si m p l e m e n t e db yt h e c o o p e r a t i o no fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t ya n d z h o n g z h o ub r a n c ho fc h i n a a l u m i n i u mc o r p o r a t i o n i tp r o v i d e si m p o r t a n te f f e c tf o ri m p r o v i n gt l l e p r o d u c t i o nq u a l i t y , i n c r e a s i n gt h es t a b i l i t yo fs a ws l u r r yi n d e x i nt h e a l u m m ap r o d u c t i o nb ys i n t e r i n g p r o c e s s e n h a n c i n gt h eo r g a n i s i n ga n d m a n a 9 1 n gl e v e lo ft h ec o r p o r m i o np r u d u c t i o n ，e n s u r i n gt h es t e a d va 1 1 d h i g hy i e l do fc l i n k e rk i l na n de c o n o m i cb e n e f i t t h ep r o j e c ti s c o m p o s e d o ft w op a r t s ：t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o fe x p e r ts y s t e ms o f h v a r ef o 。 t h ea u t o m a t i cf e e d p r e p a r a t i o n ，t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h e o o m p u t m i o n md e c e n t r a l i z ea u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mw i t ht h ed c s t e c h n i q u ep l a t f o r ma n dp l ct e c h n i q u ec o r e t h em a i nc o n t e n t so ft h e s i si sa b o u tt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o ft h ed c ss y s t e mf o rt h er a w s l u r r yp r o d u c t i o n t h er a ws l u m ， p r o d u 。t l o np r o c e s s t h ec h a r a c t e r i s t i ca n ds h o r t a g ei nt h eo r g a n i s i n ga n d m a n a 9 1 n gm o d eo ft h ec o r p o r a t i o np r o d u c t i o na r ea n a l y s e d t h em e a s u r e a d j u s t m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mf o rt h em a t e r i e lp r e p a r a t i o nr a t i od i r e c t l v a f f e c t st h eq u a l i t yo fr a ws l u r r yi n d e x ，a n da r ei m p r o v e db yu s i n gt h e d c ss y s t e ma st h et e c h n i q u ec o r e f r o mt h et e c h n i q u ea n dp e r f b m a n c e 。o q u l r e m e n to ft h ea u t o m a t i cf e e dp r e p a r a t i o np r o j e c tt ot h ea u t o m a t i c c o n t r o lt e c h n i q u e ，t h ec o n v e n t i o n a lp r o d u c t i o np r o c e s sf o rt h er a ws l u r r y f e e dp r e p a r a t i o ni s r e c o n s t r u c t e d ，c o n t e n t sr e l a t e dw i t ht h es c h e m e d e v e l o p m e n t ，p r o d u c t i o n r e c o n s t r u c ta n d a p p l i c a t i o np r o c e s s a r e p r e s e n t e d e f f e c tt ot h ec o n v e n t i o n a lp r o d u c t i o np r o c e s si ss t u d i e d t h e a p p l i c a t i o no ft h ed c ss y s t e mf o rr a ws l u r r yp r o d u c t i o n ，e n s u r e st h e n o r m a li m p l e m e n t a t i o no ft h ei n d u s t r i a l i z a t i o np r o j e c to fa u t o m a t i cf e e d p r e p a r a t i o n ，e n h a n c e st h ea d j u s t m e n ta n dc o n t r o la b i l i t yf o rt h es a w s l u r r yi n d e x ，i n c r e a s i n gt h es t a b i l i t ya n dq u a l i t yo fp r o d u c t ，p r o v i d e s f u r t h e ro p t i m i z a t i o na n d i m p r o v e m e n tf o rt 1 1 ea l u m i n ap r o d u c t i o nf l o wi n s i n t e r i n gp r o c e s s o b v i o u se c o n o m i cb e n e f i th a sb e e no b t a i n e d f i n a l l y , t h er e s e a r c hw o r ki ss u m m a r i z e d e f f e c to fn e wa u t o m a t i c c o n t r o l t e c h n i q u e so nt h eo r g a n i s i n gm o d ea n dm a n a g i n gi d e ao ft h e c o n v e n t i o n a lc o r p o r a t i o np r o d u c t i o ni sa n a l y s e d k e yw o r d s l a w s l u r r y , d c ss y s t e m ，a u t o m a t i cf e e d p r e p a r a t i o n ，q u a l i t yo fs l u r r y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 堆俎 日期：堡1 6 年月三上日 ，7 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段 保存学位论文：学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位 论文。 作者签名：馨q 新签名：趋绎期：丛年月吐日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 我国社会主义市场经济体系的确立和不断发展，市场竞争和优胜劣汰机制 的不断建立和完善，机遇与挑战共存，风险与利润共享，我国传统的企业经营 观念和行为受到了巨大的挑战。企业要不断发展，就必须进一步转换观念， 通过不断改善管理体系，加大促进技术进步的步伐，努力降低生产成本，提高 经济效益，才能不断提高企业的竞争实力，保证企业可持续健康发展。 氧化铝产业是国家国民经济的重要基础产业，具有广泛的应用领域和发展 前景。随着我国国民经济的快速发展，对氧化铝产品的需求量迅速增加。而氧 化铝的冶炼过程具有很强的专业性和连贯性，对产品质量的过程控制要求严格。 烧结法生产氧化铝工艺是氧化铝冶炼工艺的基础技术，在我国仍被广泛采 用，其生产氧化铝的产量约占全国氧化铝产量的4 5 左右，而且今后仍将继续发 挥重要作用”。 强化烧结法氧化铝冶炼工艺是在传统烧结法氧化铝生产工艺的基础上，经 过我国科研人员和工程技术人员的长期研究实验，取得的重要科研成果和专利， 是对传统烧结法冶炼工艺的一次技术革命。与传统烧结法相比，强化烧结法的 产能和对我国铝土矿品位特点的适应能力大幅度提高，能耗和成本大幅度降低， 经济效益十分明显。 中国铝业中州分公司目前主要采用强化烧结法氧化铝生产工艺，其特点是 生产工艺流程长，技术复杂，前后流程联系密切且互相影响。熟料烧成窑是其 重要的核心设备。“烧结法是以窑定产”。而烧结法氧化铝正常生产的首要条件 是配置合格的生料浆，生料浆的指标质量状况和稳定性是熟料窑安全、稳定、经 济、高产运行的基础，也是烧结法氧化铝生产流程的稳定运行、提高经济效益和产 品质量的重要保证。“配料是基础，烧成是是关键，碳分是生命线“，是对烧结法 氧化铝生产工艺的形象描述，也充分说明了配料在生产流程中的作用和影响。 烧结法氧化铝生产工艺的简要描述：首要是配制合格的生料浆。配料工艺 过程则是将各种成分不同的铝土矿经破碎均化混合后得到的a s ( 铝硅比) 、f a ( 铁铝比) 等指标相对稳定的符合强化烧结法生产要求的不同品位的铝土矿 ( 如：高铝矿、普铝矿、高铁矿和低铝矿等) ，与石灰、生料煤、碱粉以及后续 工序返回的碳母( 即蒸发母液或碱液) 、硅渣浆等物料按照一定的比例送入原料 磨进行磨制，生产出生料浆，经三次调配，生产出指标合格的生料浆，后送入 硕士学位论文 第一章绪论 熟料窑进行高温烧成，生成熟料，熟料经过溶出、脱硅、过滤、蒸发、分解、焙 烧等工序，最后生产出氧化铝。烧结法氧化铝工艺生产流程简图如图 - 1 所示。 譬暮鸯霍石灰石器烧 图卜1 烧结法氧化铝工业生产流程流程图 硕士学位论文 第一章绪论 生料浆制备其实质是将铝土矿、石灰石、生料煤、碱粉等物料与氧化铝生 产工艺中，由后续流程返回的碱液、硅渣浆等液体按照一定比例混合送入原料 磨进行磨制成生料浆，经过检验化验分析，经过料浆槽进行倒混，并对料浆指 标进一步调整后，成为指标符合要求的生料浆。烧结法生料浆生产工艺流程简 图如图1 2 所示。 调整芏正选= 2 抖絮二次调配 科絮三次调配 图1 - 2 烧结法生料浆生产工艺简图 辜主军昱 硕士学位论文第一章绪论 影响生料浆的指标主要有：生料浆碱比( n r ) 、钙比( c s ) 、铝硅比( a s ) 、 铁铝比( f a ) 、水份等。因此，生料浆的配制不仅仅是简单几种物料的混合。 提高生料浆指标稳定性和质量的关键在于解决入磨物料和料浆成分的离线 快速分析和在线准确计量，以及整个生料浆配制过程的自动调整、控制和实时 监测。 过去，我国氧化铝生产组织和管理处于粗放式经营管理阶段，企业的成本 意识、质量意识、危机意识和市场竞争意识不太强。主要表现在：工艺过程的 指标控制要求不严，物料比例控制缺乏精确计量和准确调节，基本以经验调整 为主，技术装备不高，自动化控制生产水平很低，生产设备及过程的控制状态 监测以现场操作和点检为主，其结果是生产组织被动，产品质量无法控制，生 产流程难以稳定，岗位员工劳动强度大，职责不明，工作环境和设备状况得不 到改善。对烧结法生产氧化铝来说，由于生料浆的指标波动较大，质量不稳定， 熟料窑的烧结过程难以控制，产量和质量无从谈起，生产成本高，企业经济效 益差。此问题也一直成为严重影响强化烧结法氧化铝生产工艺技术不断进步、 降低企业成本、提高经济效益和保持企业可持续发展的因素。 因此，提高生产系统技术装备水平，改善生产控制手段，提高生产过程的 精确计量条件，提高驾驭生产组织能力，实现配料过程的自动化，确保生料浆 指标的质量和稳定性，是氧化铝企业健康可持续发展的必要条件和重要保证。 “生产过程连续化和自动化程度不断提高，是氧化铝生产中的一个重要特点。 自动化是现代化的重要标志。采用计算机及p l c 等现代自控技术是改造氧化铝 生产的最重要措施之一”n ，。 中州分公司通过大量的实践和调研，提出对生料浆配制生产过程实现自动 化。该系统主要包括两大部分：生料浆工业生产d e s 系统方案的研制应用和自 动配料专家系统的开发、软件编制及调试应用。而生料浆工业生产d c s 系统的 研制开发和应用，则是实现自动配料的重要基础条件。 自动配料产业化工程作为中州分公司的产业化实施项目，研发技术含量高， 与生产严重交叉，施工和实施难度大。由中南大学与中州分公司合作完成。其 自动配料专家系统方案的研制及软件开发由中南大学负责，而集中自动控制系 统和配料自动计量调节系统的研制开发和应用由中州分公司负责。 现代企业制度的建立，企业管理体制和经营理念的不断改善，市场经济竞争 的严酷现实，企业的可持续发展，“以人为本”的安全生产指导思想的深入，都 需要不断提高企业的技术装备水平，不断改善生产系统的内在质量和品质，不 断优化生产流程和人员结构，不断降低生产成本和提高企业经济效益。因此， 4 硕士学位论文 第一章绪论 烧结法氧化铝生料浆工业生产d c s 系统的研制和应用，也是中州分公司快速发 展的迫切需要。 1 2 传统烧结法料浆生产配料控制系统的状况 生料浆制备的核心设备是原料磨。长期以来，入磨物料流量的精确控制和配 比调整水平，一直是影响生料浆指标调整质量的主要因素。 中州分公司生料浆配制通过不断完善和优化，目前已形成了配矿、均矿和生 料浆三次调配所组成的三段配料工艺。目前，在烧结法生产流程中，配矿和均 矿的工作主要由氧化铝厂一车间负责完成，其任务是将指标成分不同的a s ( 即： 铝硅比) 、f a ( 即：铁铝比) 等各种外进铝土矿按照满足烧结法生产工艺对a s 等指标的基本要求进行混合均配，均矿指标合格的铝土矿送入原料磨磨头仓， 供二车间生产配制生料浆用。二车间经过原料磨制及三次调配，生产出指标符 合熟料窑烧结的合格生料浆，送往三车间熟料窑进行烧成。如图卜2 所示生料 浆生产流程图。 之前，入磨散状物料( 主要有铝土矿、石灰石矿、生料煤等) 的输送主要 采用板式机完成，根据板式机上安装的核子秤显示的流量，通过手动调节滑差 电机转速来调整板式机输送速度，从而达到调节物料流量的目的。入磨粉状物 料( 碱粉) 则通过元盘给料机完成，其流量给定由于缺乏必要的监测计量装置， 仅依靠岗位员工经验调节。入磨碱液和硅渣浆也是靠感觉和经验进行手动控制 调节。而磨制的料浆指标要等到入a 料浆槽后进行取样分析才能知道结果，依 据此结果，对入磨物料量进行经验调整校正。 生料浆生产过程的经验调整经验校正过程，也具有很大的不确定性和模糊 性，误差较大，量化困难。比如，料浆指标碱比( n r ) 偏低，正常情况下，通 过增加碱粉下料量，可以提高解决。但问题是下料量增加多少可以满足要求， 无法进行量化和确定。传统方法是采用适当增加碱粉下料量，根据对生产出的 料浆指标进行化验分析后，根据结果再次进行碱粉下料量的调整，如此循环。 因此，料浆指标调整是严重的滞后、被动和模糊调节过程，其质量、及时性和 稳定性难以保证。 同时，由于入磨物料成分和流量均处于动态变化之中，尤其是硅渣浆量及其 成份变化幅度大，加上员工操作技能、装备水平的局限，手动控制和经验调节 的差异，造成生料浆一次调配合格率较低，给生料浆的三次调配带来很大困难； 加之三次调配过程取样方法落后、分析结果滞后等方面因素的影响，也给生料 硕士学位论文 第一章绪论 浆三次调配的质量造成很大影响，生料浆的质量常常引起熟料窑操作的波动， 进而影响整个氧化铝生产流程的稳产、高产。 在实际配料生产过程中，常常是几种问题同时存在，如n r ( 碱比) 、c s ( 钙 比) 、a s ( 铝硅比) 等指标都需要进行调整，各物料下料量如何实现精确量化 和稳定控制，各问题之间相互耦合在一起，给配料生产带来很大的困难。 同时，传统的生料浆生产过程中设备的电气控制方式一直以就地控制方式为 主，设备的开停和调整由岗位值班人员在现场进行操作，岗位员工职责繁多， 设备开停、巡检、打扫卫生、漏料清理及设备检查维护、生产联系、指令发布 接受、指标调整操作、岗位生产记事等，往往顾此失彼，应接不暇，工作质量 难以保证，尤其遇到生产异常和事故情况下，信息不能及时沟通，流程不能及 时调整，设备不能及时开停，导致事故扩大。同时对生料浆制备质量和指标稳 定性带来很大的影响，也使整个氧化铝生产流程受到影响。而且，设备运行参 数状况、物料流量等数据信息，不能及时进行处理分析和准确记忆储存，使料 浆制备的生产过程处于无序和盲目状态。现场环境恶劣，蒸汽、冲水、料浆等 对电气设备的安全运行和员工的安全操作带来很大的不安全因素。由此引起的 料浆指标和质量的不稳定，设备和人员的不安全因素，经常造成熟料窑运行严 重波动，难以控制，生产消耗增加，设备故障率较高，流程不稳定，企业成本 增高，安全生产难以保证，从而影响企业的对外形象和可持续发展。 因此，随着中州分公司生产规模的快速发展，落后的技术装备和控制手段越 来越成为企业健康、安全、稳定发展的重要影响因素，也严重制约着生料浆制 备过程的稳定运行和生产流程、指标的优化调整。 1 3 课题研究的现实意义、目标、主要内容和论文结构安排 1 3 1 课题研究的现实意义及目标 一个企业需要不断通过技术进步，提高设备技术装备水平，不断优化生产 流程和生产指标，加强和提高对生产过程的控制能力，努力提高产品质量和降 低生产成本，才能保持企业可持续发展、不断提高经济效益和管理水平、促进 企业发展壮大。尤其是面对我国市场经济体系的不断建立和完善，面对世界经 济一体化的大势，更显得必要和紧迫。因此，这就是中州分公司提出尽快实现 烧结法氧化铝生产生料浆自动配料技术的深远的历史意义和现实意义。 生料浆工业生产d c s 系统的研制应用，无论对企业的经济效益还是社会效 益都会产生巨大的影响，主要目的有： 6 硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 大力提高企业生产的先进技术装备水平，提高设备尤其是电气设备和 系统运行的稳定性和完好率，全面改善生产作业环境。降低员工劳动强度和设 备检修维护费用，为进一步创建和谐优良的生产秩序打下更加坚实的基础。预 计设备检修维护费用可节约5 8 。 ( 2 ) 确保自动配料产业化项目的顺利实旌，物料输送实现精确计量、监测 和调控。使强化烧结法氧化铝生产流程的高产经济运行更加有保障，经济效益 明显提高。计量准确率努力达到大于9 5 。并为全面推广应用该项新技术积累 经验。 ( 3 ) 料浆指标调控能力将得到明显加强。一改过去的滞后被动和盲目经验 调控方式，主动科学调控能力基本实现。料浆的事后取样分析结果成为指标校 正和检验自动配料效果的手段。料浆一次调配合格率由过去的不足3 5 ，提高 到8 5 以上，努力达到9 0 。 ( 4 ) 通过研制开发应用，为企业培养高素质的技术研发人才和培育完善研 发科研体系。 ( 5 ) 促进企业经营观念的进一步转变，生产组织的模式和管理体制得到进 一步优化和改进。促进现代企业制度的建立和完善。为全面建立现代企业制度。 提供必要的技术和物质条件，并进一步提高员工技术业务素质。 1 3 2 课题研发的主要内容 烧结法生料浆工业生产d c s 系统研发应用的主要具体内容有： ( 1 ) 建立以自动配料为核心技术的车间生料浆生产组织管理中央控制室 ( 简称车间主控室) 。生产过程主要设备及现场运行状况和主要运行参数指标均 送往主控室，通过计算机实现在主控室对生产过程的全程监测、控制、命令发 布和指标调整。主控室设置一设备间和控制操作间。设备间主要安装p l c 控制 柜、继电器柜、变送器柜及电源柜等。控制操作间设置一总服务器和多台工控 机，主要作为系统维护调试、车间生产集中控制管理和现场监控人员的值班场 所。 ( 2 ) 利用机电一体化技术和思路，对入磨物料输送计量控制系统进行全面 技术改造。按照生料浆指标要求，实现各种入磨物料的精确控制和自动配料调 节。控制系统设计要满足计算机自动控制调节和人工控制调节两种方式要求。 这是实现自动配料技术的核心。 ( 3 ) 采用p l c 和计算机技术实现车间生料浆生产过程中的主要设备集中自 动控制和运行状态监测。 ( 4 ) 对配料场所和缓冲泵等重点生产现场和部位实现工业适时监控。对原 硕士学位论文 第一章绪论 料磨及同步机等重要设备开停车实现主控室与现场的声光报警联络。 ( 5 ) 与自动配料专家软件系统共同组成完整的烧结法生料浆自动配料系 统，实现生料浆制备和指标调控高度自动化。 1 3 3 论文的结构安排 本文主要是根据自动配料产业化项目的技术要求，对生料浆制备的生产过 程进行以d c s 技术为核心的自动化改造和技术进步，属于自动配料产业化项目 的一个部分。论文的结构安排是： 第一章为绪论。主要介绍研制课题的背景、工艺现状、研制的意义、目标 及主要内容。 第二章为生料浆工业生产的d c s 总体方案设计。主要介绍d c s 系统研发设 计的基本思想、d c s 的技术及其特点，计算机及p l c 技术、机电一体化技术等相 关技术在生料浆工业生产d c s 系统中的具体应用，d c s 系统总体方案构成及d c s 系统的电源设计等内容。 第三章为给料自动控制调节系统的设计。对原料磨原饲料工艺系统存在的 不足及利用机电一体化的技术所进行的改进方法作了介绍，同时分别提出饲料 皮带秤给料系统和减量秤给料系统的电气及自控装置的设计方案。 第四章为料浆生产过程电气设备的自控系统设计方案。分别提出高压同步 电机和低压电机的p l c 自动控制系统的设计方案。 第五章为操作管理工作站及工控系统设计。主要内容有：d c s 的管理工作站 自控系统的选型、罗克韦尔公司自控系统平台的技术特点、管理操作工作站的 组成及技术特性、工控机应用操作系统人机交互界面的设计等。 第六章为生料浆工业生产d c s 系统的试运行状况及应用实践。主要介绍d c s 试运行状况及对生产组织管理水平和质量的影响及效果评估，需要进行改进完 善的方面等内容。 第七章为结束语。主要介绍通过具体的工程设计和项目管理实践，对项目 所取得的成绩和存在不足进行反思，并对今后的学习工作提出要求。 论文的最后是致谢。对该项目在研制及施工过程中，所有给予我帮助、指 导、信任和鼓励的学校导师、企业领导、同事和亲人，表示衷心的谢意。 硕士学位论文第二章生料浆工业生产d c s 系统总体方案设计 第二章生料浆工业生产d c s 系统总体方案设计 现代新技术、新材料、新装备的不断发展，为提高企业生产自动化，强化 企业精益化生产组织和管理水平，提供了充分的技术保障和条件。计算机技术、 d c s 技术、p l c 技术、现代信息及通讯技术、传感和计量测控技术、电气自动化 技术、机电一体化技术、变频技术、软件编程技术、系统集成应用技术等的快 速发展和应用，为企业加快技术进步提高了丰富的物质和技术储备，同时也是 实现料浆调配和生产工业自动控制系统的基础技术。 2 1d c s 系统总体方案研发设计的基本思路 烧结法生料浆工业生产d c s 研发的基本思路：就是利用现代技术，以d c s 系统技术为平台，以计算机及p l c 技术、网络技术、传感和计量测控技术、电 气自动化技术、机电一体化技术、变频技术、工业监视等现代技术为依据，根 据目前生产工艺流程的实际特点和自动配料产业化工程专家软件系统的开发编 制及项目实施的具体要求，依据进一步优化生产组织管理体系和建立现代企业 制度的指导思想，通过相关技术的具体应用和系统集成方法，研制开发出一套 具有使用灵活方便、运行可靠稳定、物料输送调节准确实时、现场信息传递快 速、资源通过局域网络共享、完全满足自动配料要求、系统具有一定的先进性 和实用性、具有自主知识产权和特点的烧结法生料浆工业生产d c s 系统。 烧结法生料浆工业生产的指标调控是一个复杂的综合自动化系统，处理的 对象是整个生产过程的全部活动。d c s 作为一种有效的工具和实现手段，由于其 独特的技术和特点，日益受到重视。尤其对在连续生产流程工业中完成重要的 基础控制和实时生产数据采集、动态监控等功能，与管理类计算机相比，d c s 能 够提供更加可靠的生产过程数据，使生产系统所作出的优化决策也更加可靠。 因此，在生料浆生产过程，选用d c s 技术为平台，是一种很好的思想和策略。 2 2d c s 技术及其特点 d c s ，( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) ，即分散控制系统的简称，国内一般 习惯称之为集散控制系统。d c s 是继1 9 6 9 年p l c 问世后，由h o n e y w e l l 公司在 1 9 7 5 年首先推出的为了满足现代工业大生产自动化控制要求的系统技术，是一 硕士学位论文 第二章生料浆工业生产d c s 系统总体方案设计 个由过程控制级和过程监控级组成的以通讯网络为纽带的多级计算机系统，综 合了计算机、通讯、显示和控制等4 c ( c o m m u n i c a t i o n ，c o m p m e r ，c o n t r o l ，c r t ) 技术，是现代科学技术发展的集中体现。其基本思想是分散控制、集中操作、 分级管理、配置灵活以及组态方便。“它既不同于分散的仪表控制系统，又不同 于集中式计算机控制系统或电气集中控制系统，它是吸收了两者的优点，在它 们的基础上又发展起来的一门系统工程技术，具有很强的生命力和显著的优越 性”，“分散控制系统是计算机技术和自动化技术发展的结果”。同时，这个系统 还具有很多功能，方便的人机接口、异常警告、开放性、并且为软件模块的集 成提供了强有力的可升级的框架结构等5 ”1 。 d c s ，由于其独特的高性能、方便性、系统性和优越性，在现代工业的生产 过程中，得到了越来越广泛的应用，为推进现代企业管理水平的提高，改善生 产组织内在品质，发挥了极其重要的作用。 d c s 技术的主要特点有： ( 1 ) 高可靠性。由于d c s 将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统 结构采用容错设计，因此，某一台计算机出现的故障，不会导致系统其他功能 的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要 实现的功能，采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算 机的可靠性也得到提高。 ( 2 ) 开放性。d c s 采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中采 用局域网方式通讯，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增 计算机方便地连入系统通讯网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机 的工作。 ( 3 ) 灵活性。通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态， 即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律 以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成 所需的控制系统。 ( 4 ) 易于维护。功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方 便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行 的情况下在线更换，迅速排除故障。 ( 5 ) 协调性。各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息 共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。 ( 6 ) 控制功能齐全，控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控 制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方 1 0 硕士学位论文第二章生料浆工业生产d c s 系统总体方案设计 便地加入所需的特殊控制算法。d c s 的构成方式十分灵活，可由专用的管理计 算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也 可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。处于底层的过程控 制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通 过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数 据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。 随着计算机技术的发展，d c s 可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连 接来实现更高级的集中管理功能，如计划调度、生产组织调控、仓储管理、能 源管理、信息共享等。 因此，从功能上看，连续生产流程中的生产自动化系统、动态监控系统和 在线质量控制都可以由d c s 实现。从其层次结构看，d c s 主要担负过程控制和过 程优化任务，甚至有些生产调度和组织管理工作也可在d c s 上完成。因此，生 料浆工业生产d c s 系统的研制应用，将为加强料浆生产指标调控能力、促进企 业技术进步、大力提高生产组织水平、改善生产的内在品质，发挥重要的积极 作用。 2 3 计算机及p l c 技术 2 3 1 计算机及p l c 的基本技术特点和p l c 选型 生料浆工业生产d c s 系统的技术方案组成，离不开计算机和p l c 技术，可 以说是d c s 系统的核心技术。计算机技术是2 0 世纪人类在科学领域的杰出成就。 其信息数据的高速处理能力和高精度、以及可存储、逻辑判断、高靠性、通用 性强等独特的强大功能特点，在国民经济和人类社会生活的各个方面，在科学 计算、信息处理、过程控制、辅助设计系统、通讯等领域，都得到了极其广泛 的应用，极大的推动了人类社会文明的快速发展。科学技术的发展，现代工业 体系的建立已经离不开计算机技术3 。 p l c ( 即可编程逻辑控制器，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 是用来取代用 于电气控制的顺序继电器电路的一种器件。通过检查输入的状态来控制它的输 出点的闭合与打开。用户输入一段程序( 通常是通过软件) ，p l c 就给出相应的 结果。 “p l c 从广义上来说也是一种计算机控制系统，只不过它具有比计算机更 强的与工业过程相连的接口，具有更适用于控制要求的编程语言”。因此，与一 般的计算机控制系统一样，也具有c p u 、存储器、i o 接口等部分组成，是“数 硕士学位论文第二章生料浆工业生产d c s 系统总体方案设计 字运算的电子系统”，属于“专为工业环境下应用而设计”的工业控制计算机产 品9 1 。 p l c 具有通用性强、编程方便、使用简单、功能完善、应用灵活、可靠性 高、抗干扰能力强、环境要求低、适应性强等特点”“”1 。p l c 在工业自动化控 制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 p l c 技术的出现，对生料浆工业生产d c s 的研制应用及自动配料产业化项 目的顺利实现及可靠稳定运行，具有重要的作用和价值。因此，如何选择合适 的p l c 产品，用好p l c 技术，对生料浆工业生产d c s 系统的研制能否成功， 能否实现自动配料产业化项目所要达到的预期目标，是非常关键的一个内容。 从结构上分，p l c 分为固定式和组合式( 模块式) 两种。固定式p l c 包括 c p u 板、板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的 整体。模块式p l c 包括c p u 模块、i o 模块、内存、电源模块、底板或机架， 这些模块可以按照一定规则组合配鼍。 目前，p l c 产品有多个生产厂家和型号。根据中州企业多年的应用实践和 优化比较，选用由罗克韦尔公司生产的a b 系列p l c 是比较明智的思想。其主 要原因是从我公司多年来经过多次的不同型号p l c 产品在不同场合的应用情况 来看，罗克韦尔公司生产的a b 系列p l c 产品具有技术先进成熟、使用运行可 靠稳定、编程和组态应用灵活、抗干扰能力和现场环境适应能力强等特点，在 我公司得到了工程技术人员的认可和承认，如在烧结法生产氧化铝的熟料溶出 工业系统和煤气工业生产系统的综合集中控制系统的技术改造，均选择使用罗 克韦尔公司生产的a b 系列p l c ，从使用和运行情况来看，效果不错。 因此，对生料浆工业生产d c s 的研制，选用罗克韦尔公司生产的a b 系列 模块式p l c 作为系统构成的核心技术产品。既可满足使用技术性能的要求，又 可满足我公司对高新技术产品使用统一性的要求，对系统的技术开发和投入运 行后将来的运行维护都会带来极大的便利。 2 3 2d o s 控制系统与p l 0 控制的区别 在d c s 技术被广泛认可和使用前，p l c 产品曾得到了普遍的应用，对现代工 业生产的综合自动化系统的发展发挥了重要作用。但d c s 与p l c 是有区别的。 进一步认识和了解二者的技术区别，对选择生料浆工业生产d c s 的技术方案， 有一定的指导作用。二者的主要区别有： ( 1 ) d c s 是一种“分散式控制系统”，而p l c 只是一种( 可编程控制器) 控制“装置”，两者是“系统”与“装置”的区别。系统可以实现任何装置的功 能与协调，p l c 装置善于逻辑控制，如实现电气回路逻辑控制，属于强电设备， 1 2 硕士学位论文第二章生料浆工业生产d c s 系统总体方案设计 主要用于控制电机的开停等，只实现本单元所具备的功能。 ( 2 ) 在网络方面，d c s 网络是整个系统的中枢神经，采用的国际标准协议 t c p i p ，系统的拓展性与开放性更好；而p l c 因为基本上都为个体工作，所采 用的网络形式基本都是单网结构，网络协议也经常与国际标准不符。另外，在 网络安全上，p l c 没有很好的保护措旌。 ( 3 ) d c s 是整体和系统考虑方案，操作员站都具备工程师站功能，站与站 之间在运行方案程序协调下是一种紧密联合的关系，任何站、任何功能、任何 被控装置问都是相互连锁控制，协调控制；而单用p l c 互相连接构成的系统， 其站与站( p l c 与p l c ) 之间的联系则是一种松散连接方式，是做不出协调控 制的功能。d c s 比p l c 具有更强的可扩展性。 ( 4 ) 在安全性、稳定性和可靠性方面，d c s 技术比p l c 技术高。d c s 采 用了双冗余的控制单元，p l c 所搭接的系统基本没有冗余的概念，就更谈不上 冗余控制策略。特别是当其某个p l c 单元发生故障时，不得不将整个系统停下 来，才能进行更换维护并需重新编程。 ( 5 ) 在系统软件和模块组合方面，d c s 比p l c 同样具有更强的方便性和 性能。 目前，p l c 产品已经广泛的应用在工业生产的d c s 系统中，己成为起重要的 控制核心和组成部分。 2 4 机电一体化技术 前面所述，自动配料产业化项目实施的关键技术主要包括两个方面：专家 优化系统的软件编制和原料磨入磨物料的精确计量控制和自动调节。而且，原 料磨入磨物料的精确计量控制和自动调节系统的稳定性、准确性和响应速度也 是生料浆工业生产d c s 系统研制能否成功的关键所在。 如何实现入磨物料的自动精确配料? 机电一体化技术的出现和发展，为此 提供了极大的方便和条件，是实现自动配料精确控制调节的重要技术保障。因 此，机电一体化技术也是生料浆工业生产d c s 系统的重要组成部分。可以说， 料浆制备流程的给料自动调节系统就必须依据机电一体化技术来实现优良的解 决方案。 机电一体化技术，是机械工程技术、微电子技术、计算机技术、自动控制 技术、传感测试技术、信息技术、电力电子技术、接e l 技术、软件编程技术等 群体技术进行有机结合的一个系统工程技术d 3 1 5 。 硕士学位论文 第二章生料浆工业生产d c s 系统总体方案设计 变频调速技术在机电一体化系统中有着举足轻重的作用，是电力电子技术 及器件在电机调速系统中应用的一个具体体现。因此，在生料浆工业生产的 配料精确调节设置及自动闭环控制系统中，采用变频调速技术，是非常方便、 经济和可靠的。 生料浆工业生产中，散装物料主要输送计量设备即是皮带秤，粉状物料的 输送计量设备采用减量秤，物料下料量的设定、控制调节是通过变频控制的电 机来实现。因此，变频器是控制皮带秤传动速度以调节控制下料量的重要电气 设备。 2 5 生料浆工业生产d o s 系统总体方案构成 2 5 1 生料浆工业生产d o s 的基本性能要求 烧结法氧化铝生产流程是一个连续性很强的过程，任何环节短暂的故障都 会造成巨大的经济损失，给生产组织带来被动。因此，研制的生料浆工业生产 d c s 系统必须适应和满足这个基本特点和环境，才能得到真正的应用价值。据此 特点和要求，生料浆工业生产d c s 的性能应满足的基本要求有： ( 1 ) 系统运行应具有很高的稳定性、可靠性和环境适应性 由于氧化铝的工业生产环境相对来说，比较恶劣。粉尘、噪音、有害气体、 高温、各种干扰以及强烈腐蚀性的料浆等，对任何自动控制测量等综合自动化 系统的正常运行都会带来很大的影响。同时，氧化铝连续生产的特点，要求任 何新技术、新装备的应用，都必须满足运行稳定可靠、适应所处生产环境的基 本要求。因此，高稳定性、高可靠性和高环境适应性，是d c s 系统必须首先满 足的性能指标。 ( 2 ) 较高的计量、测量、控制、调节的精确性和指令传递的准确性 提高工业生产过程控制的准确性、及时性和精确性是所有先进的技术在工 业生产中得到应用的一个很重要内容“。而入磨物料的精确计量控制和自动调 节水平，以及整个生料浆生产过程的严密控制和管理能力，是生料浆工业生产 d c s 系统的一个重要性能指标，也是实现自动配料的基础性能指标。因此，对该 系统设计要求其计量测量信息的准确性大于9 9 ，瞬时流量精确性误差与给定标 准相比小于2 。 ( 3 ) 较高的响应速度 由于目前的计算机和p l c 等信息技术的高速发展，满足生料浆生产d c s 响 1 4 硕士学位论文第二章生料浆工业生产d c s 系统总体方案设计 应速度要求的性能指标还是