氢氧化铝焙烧工段课程设计

1、氢氧化铝焙烧工段课程设计摘要氧化铝是电解铝生产的主要原料， 针对我国矿石特点，我国氧化 铝的生产工艺主要采用的是拜尔法和烧结法以及混联法，在拜尔法中焙烧工序是氧化铝生产必不可少的一个过程， 并且是整个氧化铝生产 的最后一道工序，该生产过程的主要任务是将来自分解或平盘的带有 附着水的氢氧化铝物质在焙烧炉中高温煅烧，脱除附着水和结晶水， 从而生成物理化学性质符合电解要求的氧化铝。 焙烧生产过程直接关 系到氧化铝质量和产量。该过程具有设备之间关联复杂，关键工艺参 数关联耦合严重，工况条件变化大如原料成份波动频繁、设备结疤等 控制难题而难以实现自动控制和优化运行。 因此，焙烧过程的重要性、 复杂性以及

2、现代工业对自动化的高要求使得焙烧过程控制系统备受 重视。本文以郑州铝厂氧化铝焙烧生产过程计算机控制系统工程项目 为背景，开展了氧化铝焙烧生产过程控制策略的研究以及控制系统的 设计与开发，并成功应用于现场，取得了显著的应用效果。本文主要 内容归纳如下：(1) 结合焙烧过程的特点和控制要求，提出了包括过程控制层与过程监控层的氧化铝生产焙烧过程计算机控制系统结构，进行了系统的功能设计与硬件设计。该系统具体物理实现框架由以太网、 控制网 和设备网三层网络结构组成，以实现控制系统的信息集成和功能集 成。研究了氧化铝焙烧过程的控制策略，包括过程回路控制、设 备连锁逻辑控制以及烘炉过程顺序控制。 过程回路控

3、制包括进料量控 制回路、文丘里干燥温度控制回路、烟道氧含量控制回路、预热旋风 管出口烟道温度控制回路、重油压力控制回路、焙烧炉温度控制回路。 对焙烧炉的温度控制策略进行研究，提出流量.温度串级控制方案， 建立被控对象控制器的设计模型，并基于遗传算法的方法对控制器参 数进行寻优，指导现场控制器参数的调试。设备连锁逻辑控制主要包 括设备的启停、连锁关系、远程 PLC控制。(2) 在上述工作基础上进一步进行了焙烧过程计算机控制系统的 软件设计与开发，应用到郑州铝厂氧化铝扩建项目焙烧工序后，实现了生产的分散控制与集中管理，提高了设备运转率，降低了操作人员 的劳动强度，减少了燃料消耗，氧化铝灼减小于0.

4、 8%, r-Al 203含量小于20%，改善了氧化铝的品质，提高了产品合格率，并且产能 达到1850t/d,提高了氧化铝生产的经济效益。关键词：氧化铝焙烧；气体悬浮焙烧炉；串级控制；计算机控制 系统；遗传算法；建模仿真一、氧化铝生产焙烧过程工艺流程描述氢氧化铝焙烧是氧化铝生产工艺中的最后一道工序。 焙烧的目的 是在高温下把氧化铝的附着水和结晶水脱除， 从而生成物理化学性质 符合电解要求的氧化铝。(1)焙烧原理氢氧化铝经过焙烧炉的干燥段，焙烧段和冷却段使之烘干，脱水 和晶形转变而变成氧化铝产品其化学变化可分为以下几个阶段。脱除附着水Al(OH H.0 -+ H20(2.3)当温度高于IOOC时

5、氢氧化铝中的附着水被蒸发，此反应发生在闪速干燥器(b) 脱除结晶水结晶水的脱除分两步进行.250J0OC时*失去两个结晶水，在5OO-6OOV的温度下 它失去最后一个结晶水，而成为t-AlA-Al2Or3H20叱 T+ 2HQ(24)>r-Al2Oy + H2O(2,5)(c) 晶型转变氢氧化铝在脱水过程中伴随着晶体转变-AhOj在950T时开始进行晶型转变，逐 渐由r-AhO3转变为a-AljQjP(2)氧化铝焙烧过程生产过程流程介绍流态化焙烧是世界上最先进的氢氧化铝焙烧技术与装置，流态化 是种固体颗粒与气体接触而变成类似流体状态的操作技术。 而固体 物料在流态化状态下与气体或液体的热

6、交换过程最为强烈。丹麦气体悬浮焙烧炉是流态化焙烧的后起之秀， 整个装置采用负 压作业、稀相流态化技术，相对美铝流态闪速焙烧炉(F.F.C)和鲁奇 循环流态焙烧炉(C.F.C)两种炉型有其明显的优势。(a) 此炉型采用了在干燥段设计热发生器这一新颖措施，当供料 氢氧化铝附着水含量增大时，不需象其它炉型那样采取增加过剩空气 的方式来增加干燥能力，仅需启动干燥热发生器来增加干燥段热量， 避免了废气量大增而大量损失热量，因此，与前二种炉型相比，气体 悬焙烧炉热耗和电耗要低。(b) 整套装置设计简单。一是物料自上而下流动，可避免事故停炉时的炉内积料和计划停炉时的排料；二是设备简单，除流化冷却器外无任何流

7、化床板，没有物料控制阀，方便了设备维检修：三是负压 作业对焙烧炉的问题诊断和事故处理有利。 这些都有利于故障后生产 的快速恢复，给生产组织带来方便。(c) 控制回路简单，气体悬浮焙烧炉虽有多条自动控制回路，但 在生产中起主要作用的仅有2条，一条是主燃烧系统的主炉温度控制 回路，另一条是02含量控制回路。气体悬浮焙烧炉系统主要包括：氢氧化铝喂料、文丘里闪速干燥 器、多极旋风预热系统、气体悬浮焙烧炉、多极旋风冷却器、二次流 化床冷却器、除尘盒饭灰等部分，工艺流程图如图2. 2所示。具体工艺过程及设备如下：(a) 氢氧化铝喂料(主体设备：螺旋A01、皮带F01)过滤机出来的 氢氧化铝，通过皮带运送到

8、仓L01,再经过皮带秤秤量后由皮带(FOI) 送到螺旋(ADl)，螺旋再把物料送入文丘里闪速干燥器(A02)。(b) 干燥(主体设备：文丘里闪速干燥器 A02)通过螺旋A01的物 料约含8%12%的附着水，温度为50"C,进入文丘里闪速干燥器后 与大约300400"C的烟气相混合，物料在此被加热，附着水蒸发， 物料被送入P01。为了在氢氧化铝附着水含量波动的情况下保证达到预期的干燥 效果，闪速干燥器的底部安装一个加热器 T1 l，以使A02出口温度 在130C以上，加热器TI 1燃料为煤气，流量02240m3!/h。（c）预热（主体设备：旋风预热器P01、P02）从闪速干燥

9、器出来的 物料和气体在旋风预热器 P01中分离，气体去电收尘，固体物料落入 旋风预热器底部。从旋风预热器P01出来的物料与热分离器旋风筒P03的热气流相 遇并被带入旋风预热器P02中，热气流温度在10001100C左右， 物料从130 C左右被加热到320360 C，这时氢氧化铝被脱去部分结 晶水。物料和气流在P02中分离，气流去文丘里闪速干燥器 A02,物 料进入焙烧炉P04中。（d）焙烧及分离（主体设备：焙烧炉P04、热分离旋风筒P03）气体 悬浮焙烧炉和热分离旋风筒构成了 “反应-分离”系统。燃烧空气在 冷却系统已被加热到600800"C，它从焙烧炉底部的中心管进入焙 烧炉。从

10、旋风筒P02出来的氢氧化铝沿着锥底的切线方向进入反应器， 以便使物料、燃料与燃烧空气从分混合。焙烧炉底部有两个燃烧器 V08 V19,其中V08起点火作用，V19 有12个烧嘴，它是主要热源。V08以煤气作为燃料，流量为0 2240nVh , V19以重油和煤气作为燃料，并且可以混烧，焙烧炉中物 料通过时间为1. 4s，这里温度为11001200C，剩余的结晶水主要 在这里脱除，含部分结晶水的物料变为 r-A1 203。焙烧后的氧化铝和气体在热分离旋风筒P03中分离，热气流入P02,物料进入冷却系统。（e）一次冷却器（主要设备：C01、C02、（203、c04） 一次冷却在一 个四级旋风冷却器

11、中进行，旋风筒垂直安装。用于冷却氧化铝的控制 主要来自大气和二次流化床冷却器 K01、K02。从整体效果看，氧化 铝和空气之间进行的是逆流热交换。经过热交换后，空气被预热到 600 800 C，而氧化铝被冷却到200Co空气进入焙烧炉作为燃烧空气，AI2O3进入二次流化床冷却器在一次冷却过程中，同时也存在晶型转变，这是的产品含 10% 的a-Al203°a-A403进入口处安装有燃烧起T12,作为初次冷态烘炉用。 T12以煤气作为燃料，流量为 8 2240用/ h。 二次冷却（主体设备：K01、K02） 一-次冷却主要是把 A1203进 一步冷却到80"C以下，而此流化床冷

12、却器主要是通过内部的热交换 管束中的水流与关外的氧化铝之间热交换来冷却氧化铝。流化空气进入一次旋风冷却器，氧化铝从 K01、K02的整个过程大约需要30 40mi n。（g）除尘和返灰（主体设备：电收尘P11）从预热旋风筒P01出来 的含尘烟气在电收尘PII中进行除尘。除尘后的气体含量要求在50mg /m以下，气体通过排风机P17排往烟囱pi&从电收尘收下的粉尘 送入冷却旋风筒C02中。炉内气体流动的动力来自炉子尾部的风机 P17,所以整个炉子都处于负压下工作。风机P17前面还装有控制风量的调风门P16和净化尾气的电收尘 PII，整个炉子错落布置，结构紧凑，形成一个完整的统一体。氧化铝

13、焙烧工艺流程图二、焙烧生产过程回路控制策略焙烧过程作为氧化铝生产的最后一个工艺过程，也是拜耳法生产 中不可缺少的环节，它直接关系到产品质量和产量。影响焙烧产品质 量和产量的主要因素：氢氧化铝的给料量、文丘里干燥温度、氧气含 量、燃料压力、焙烧炉温度；另外氢氧化铝中硅、钠、硫等含量，动 力设备ID风机的状况、电收尘系统状况、皮带秤状况等，这些因素 在焙烧过程中属于不可控因素。主要对可测可控参数进行研究。 对于 流量、压力、温度和工艺在线分析参数等过程参数，在适当的位置安 装相应的测量仪表，并选择合适的执行机构及可实现基本的回路控 制。一般需要选用PID控制器并整定PID参数。对于特性比较复杂的

14、回路可以采用相应的智能控制技术来实现。如下图所示，焙烧过程主要包括6个过程控制回路：进料量控制 回路，文丘里干燥温度控制回路，烟道氧含量控制回路，预热旋风管 出口烟道温度控制系统，重油压力控制回路，焙烧炉温度控制回路。焙烧过程回路控制图1、进料量控制回路设计能力的大小取决于湿氢氧化铝的进料量及其附着水的含量。 它也是氧化铝产量的标准，而且进料系统为焙烧过程的第一步， 氢氧 化铝的从上一道工序来的，所含水量也是不稳定的，容易造成系统波 动，如果进料系统没有控制好，会给氧化铝焙烧的控制精度带来困难， 从而也影响了氧化铝的产品质量。因此采用闭环调节系统来抑制和减 少这种波动，氢氧化铝的进料量由皮带给

15、料秤控制， 而给料箱的料位 （称重方式）用于调节氢氧化铝给料机的电机转速。控制结构框图如 下：人丁给定械率进料量控制回路结构框图进料量控制回路输入为氢氧化铝的给料量的设定值， 控制器输出 为给料皮带的输出频率，执行机构为给料皮带的变频器，测量仪表为 电子皮带秤。2、文丘里干燥器温度控制回路文丘里干燥器的出口烟气温度稳定在 130C左右，以防电收尘器 及烟道被酸腐蚀。用温度测量值与设定值的偏差来调节燃烧器 TII的 燃料流量，为了更好地调节和控制燃料流量，采用串级调节回路。控 制结构框图如下：人工踣定调节廨开 度盧t准割 X縊度宓I<文丘里干燥器温度控制回路结构框图文丘里干燥温度控制回路为

16、串级控制回路， 主回路为温度控制回 路，其输入为文丘里干燥器的出口烟气温度的设定值， 控制器输出为 副回路控制器的输入，测量仪表为一体化热电偶；副回路为流量控制 回路，其输入为主回路中控制器输出量或加热器 TII的流量设定值， 控制器输出为加热器TII流量调节阀的百分比开度，执行机构为流量 电动调节阀，测量仪表为电磁流量计。3、预热旋风管出口烟道温度控制回路预热旋风管出口烟道温度有一高设定值(360 C)，当实际温度达 到或超过这个值时，其转化的电信号自动控制着高压喷水冷却装置， 喷水系统得以自动启动，以达到降低烟道温度的目的。当实际温度低 于280C时，喷水泵自动停止。喷水量是自动调节的，以

17、维持理想的 温度。控制结构框图如下：人工輪定谴TF阀开预热旋风管出口烟道温度控制回路结构框图预热旋风管出口烟道温度控制回路输入为预热旋风管出口烟道 温度的设定值，控制器输出喷水调节阀的百分比开度， 执行机构为电 动调节阀，测量仪表为一体化热电偶。4、烟道氧含量控制回路烟道氧含量控制回路用来调节焙烧炉的燃烧效率， 在整个气体悬 浮炉中，各个阶段的温度影响着产品的质量， 而氧气是所有燃烧不可 缺少的物质，然后氧气不足和氧气过量都影响了热量的产生， 而氧气 是通过动力设备提供的，因此氧含量的大小直接与动力设备 ID风机 的频率大小有关。空气流量的调节是根据旋风预热器口 02)出口管中 的烟气过剩氧含

18、量浓度值(P02A1)，调节电收尘器前的ID风机电机转 速。用含氧量测量值与设定值的偏差来调节 ID风机P17的转速，为 了更好地调节和控制P17的转速，采用串级调节回路。主回路为含氧 量控制回路，其输入为旋风预热器(P02)出口管中的烟气过剩氧含量 浓度值的设定值，控制器输出为副回路控制器的输入， 测量仪表为氧 气分析仪：副回路为ID风机频率控制回路，其输入为主回路中控剑 器输出量或设定值，控制器输出为ID风机频率，执行机构为风机变 频器，测量仪表为转速检测仪表。控制结构框图如下：特速检测风量调节控制回路结构框图5、重油压力调节回路气体悬浮炉中的焙烧炉的燃烧器 V19采用的燃料一般为重油，而

19、 重油来自油库，管道比较远，容易造成压力不稳，而压力不稳会影响 到燃料燃烧不彻底或不均匀分布在炉子里，间接影响焙烧的温度。通过对回油阀位的调节，来稳定进入焙烧炉燃烧的重油压力。 控制结构 框图如下：人工橹定诅节同开 度压力检関 Y重油压力控制回路结构框图重油压力控制回路输入为主燃烧器入口重油压力的设定值， 控制 器的输出回油阀的百分比开度，执行机构为压力电动调节阀，测量仪 表压力表。6、焙烧炉温度控制回路(1) 对于焙烧过程而言，主要控制焙烧炉出口温度。而影响焙烧 炉出口温度的因素主要就是燃料的流量， 而流量又决定于主燃烧器的 流量阀门的开度。因此，我们引入中间点信号，即最能反应焙烧炉出 口温

20、度的进入主燃烧器中的燃料流量， 作为调节器的补充信号，以便 快速反应影响焙烧炉出口温度变化的扰动，引入该点作为辅助被调 量，通过调节管道上流量阀的开度调整燃料的流量，组成了流量.温 度串级调节系统，从而调节焙烧炉的出口温度，来保氧化铝的产量和 质量。焙烧炉温度控制回路流程图如下图所示：焙烧炉温度控制回路流程图焙烧炉温度控制回路设计为串级控制回路， 主回路为温度控制回 路，其输入为焙烧炉的出口温度的设定值， 控制器输出为副回路的输 入，测量仪表为一体化热电偶；副回路为流量控制回路，其输入为主 控制器的输出或主燃烧器的流量设定，控制器输出为主燃烧器 V19流 量调节阀的百分比开度，执行机构为流量电

21、动调节阀，测量仪表为电 磁流量计。由上图可得焙烧炉温度控制回路结构框图：人工姑定也节同开 度焙烧炉温度控制回路结构图从方框图可以看出，串级调节系统有两个闭环的调节回路:(a) 由PID控制器、调节阀、主燃烧器、流量计构成了副环回路。(b) 由PID控制器、副环回路、焙烧炉、温度计构成了主环回路。 副环回路为流量调节系统，选用标准 PID控制器来控制该系统。主环回路为温度调节系统，也选用标准 PID控制器来控制该系统。主调节器出1: 3的信号不是直接调节温度，而是作为副调节器 的可变给定值，与燃料流量信号比较，再通过副调节器去控制电动阀 动作，以调节燃料流量，保证焙烧炉出口温度能较快的跟踪设定值

22、并 最终保持在设定值附近不变。(2) 从动态特性的角度考虑，优化控制器性能与结构，提高系统 的响应速度。在对控制系统进行设计时，尽量根据被控制对象选择一 组较为合适的控制器参数，提达到更好可控制效果。而通过对系统建 立数学模型，根据模型特性，通过设定某种性能指标，在实现最优指 标的前提下，对控制器参数进行寻优可谓是个好的优化控制器性能的 办法。对于串级控制系统来说，有两个控制器，因此需要分别对两个 控制器的参数进行整定，整定的顺序先调节副回路，待副回路调节达 到要求后，在调节主回路。(3) 如果测量元件的延迟和惯性比较大，就不能及时反映温度的 变化，就会造成系统不稳定，影响控制质量。因此，在系

23、统的仪表选 型上尽量使用快速的测量元件，安装在正确的位置，保证测量信号传 递的快速性，减小延迟和惯性。三、氧化铝焙烧过程计算机控制系统设计考虑各种计算机控制系统结构的特点和郑州铝厂的实际情况，从计算机控制系统的功能角度出发，采用过程控制系统、过程监控系统 两层结构，结合氧化铝焙烧生产过程的特点，提出了如下图所示的氧 化铝焙烧生产过程计算机控制系统的结构框图。氧化铝焙烧过程计算机控制系统构成框图该系统由过程控制系统和过程监控系统所组成。 其中，过程监控 系统包括系统管理、系统运行、多媒体监控系统以及故障诊断；过程 控制系统包括回路控制、设备逻辑连锁控制和烘炉过程顺序控制。过程控制系统和过程监控系

24、统通过信息层网即以太网、监控网、 设备网等计算机网络和实时数据库实现各个子系统之间的信息集成， 从而实现氧化铝焙烧生产过程的计算机控制。1、过程监控系统的结构及功能氧化铝焙烧生产过程监控系统结构如下图所示。 过程监控系统由 运行管理、系统管理、多媒体监控和故障诊断四部分组成。运行管理 包括系统监测、设备管理、生产安全管理、报表生成与打印、系统通 讯和操作指导。系统管理包括系统安全、运行管理。过程监控系统结构图氧化铝焙烧过程焙烧过程监控系统的功能主要是对整个过程的监测、故障诊断、 设备管理、生产安全管理、系统通讯、操作指导等运行管理及对系统 的安全管理、用户管理和系统导航等，其图形表示如下图。氧

25、化铝焙烧过程监控层功能(1) 系统监测功能：系统监测功能是对分解过程的工艺参数，如 温度、流量、压力、液位等信号的监测。同时，也包括对设备的运行、 停止、事故、检修、过载等状态的显示。监控层实现了全部的模拟量 和开关量信息的采集，进行处理和归档等功能。这些信息以直观形象 可视的方式呈现在监控画面，便于操作员对焙烧生产过程进行全面的 监视和控制。(2) 故障诊断功能：生产过程的故障诊断是系统的一个重要部分，与此同时，还要根据系统监测的数据，如设备状态信息、报警信号、 工艺参数信息等，对生产过程将要发生的事故和故障进行故障的预 报，在故障发生之前给操作员提供警报，及时发现故障，给出操作指 导。比如

26、，任一台设备过载、电机电流异常、温度信号异常、设备自 动停车(即计算机给出启动命令，但电机设备没有运行起来)、变频器 故障等发出报警信息，所有的报警信息进行声音和灯光报警功能，同时给出操作指导。(3) 设备管理功能：设备管理对ID风机，电收尘以及振打等主要 设备和焙烧生产过程中的电气设备等运行状况进行监测， 对设备故障 进行报警，同时，对报警信息进行统计和分析。对设备维护进行管理， 帮助制定设备维修计划，保证设备的完好率，使其能够安全稳定运行。(4) 生产安全管理：生产安全管理包括设备间的连锁保护，关键 操作执行前确认，现场设备起停前打铃等。还包括生产过程的安全保 护，以保证生产过程的安全。比

27、如 D风机停止时，要关闭进料系统， 打开放料阀等，同时报警，通知操作工查明原因，现场处理。(5) 系统通讯功能：系统通讯功能主要是保证系统间信息共享， 以及和企业主干网的信息共享。 该系统主要是通过工业以太网、 监控 网和设备网三层开放式的网络结构和实时数据库实现各个子系统间 的信息集成和功能集成。(6) 安全管理功能：为了保护生产正常进行，焙烧过程中的关键 工艺参数只有专门人员才能进行更改和设定，同时操作员界面一些操 作也有权限的限制。系统服务器和操作站只有管理员才能修改密度及 程序的更改。用户的登录与退出、用户管理、系统历史操作活动记录 和系统历史报警等都有相关记录，避免非法用户恶意破坏生

28、产。用户 权限按操作员、系统工程师、管理人员的不同级别进行注册，实现用 户控制权限分级管理功能。另外，出现操作员站掉电、工作站掉电或 网络通讯故障等情况下，控制程序应具有防止回路设定值异常、甚至 回零现象发生的功能，除及时进行报警外，采取相应的措施。对系统 硬件采集故障、检测仪表、变送单元等故障所出现的采集信号异常应 能采取相应的措施，保证控制回路正常工作，生产过程安全。(7) 历史数据的查询：生产报表统计，对于重要的热工参数、电 气参数及计量数据记录报表打印，为日后的事件分析提供依据。历史 数据采集与自动归档存储功能。(8) 系统维护功能：计算机控制系统需要定期对其进行维护，以 便延长其工作

29、寿命。2、过程控制系统的结构及功能过程控制系统主要包括设备逻辑顺序控制、过程回路控制以及远 程控制。设备逻辑顺序控制，主要包括逻辑控制和顺序控制，如主要 设备的启动，停止，连锁，调速控制，设备状态报警等功能；过程回 路控制对流量、压力、温度等工艺参数的采集、调节和报警等功能； 远程控制主要是与现场PLC相连，并对其进行控制。氧化铝焙烧过程控制系统结构图过程控制层应具有下图所示功能：人工信息设定、回路控制、远程控制、手动自动串级切换、设备启停、设备报警、逻辑连锁控制等。设备启停控鯉氧化铝焙烧过程控制层功能(1) 控制方式切换：本系统在总体上设有两种相对独立的控制方式：手动控制方式和计算机控制方式

30、，其中计算机控制方式包括单回 路控制和串级控制。手动控制方式独立于计算机控制系统， 在设备调 试、设备检修及计算机控制系统调试或维护的情况下，该控制方式确 保满足现场的实际需要，以维持基本生产的需要。操作员可以在低压 配电柜或现场操作箱上对现场设备进行手动控制。在优先级别上，现场手动控制方式级别为最高。在该方式下，任何自动方式无效。同时, 还有软手动控制方式，该方式允许操作人员在控制室内，根据现场具 体情况，从系统操作站上直接对各种设备的启停进行操作及对各种阀 门的开度进行调整。自动控制方式即计算机控制，在中央控制室通过 监控机人机界面进行操作。计算机控制方式依赖于计算机控制系统， 在电气控制

31、设备、仪器仪表和计算机控制系统运行正常的情况下， 在 切换到计算机控制方式下，用户可以在计算机上对设备进行启停控制，系统能自动完成温度、流量、液位、压力等回路调节控制功能， 计算机控制方式将确保满足实际生产的需要，以至于使整个生产过程 取得优化运行的效果。(2) 回路控制：回路控制主要是针对焙烧过程的工艺参数，如焙 烧炉温度、燃料压力、氧含量以及给料量等的控制。焙烧炉温度采用 串级控制，通过控制电动阀门开度来控制燃料流量， 进而控制焙烧炉 温度。氧含量控制通过调整风机转速来实现。 回路的设定根据生产技 术指标来调整。自动控制由控制系统按照P1D控制算法自动调节执行 机构进行控制；软手动控制由操

32、作员直接通过监控画面的控制面板调 节阀门的开度、变频器的频率等对执行机构进行控制。(3) 逻辑控制：逻辑连锁控制包括单动控制方式和联动控制方式。 单动控制方式下设备单启单停，设备与设备间没有联锁关系；联动控 制即各相关联的设备根据生产状况按一定顺序和时间间隔自动起停， 同时，为了安全起见，设备运行过程中也会根据情况发生连锁停车等 事件。在氧化铝焙烧过程中主要设备有：ID风机、给料系统(皮带和 给料螺旋)、燃烧站(V19、Til、T12、V08)、输送系统(K01系统和K02 系统)，它们启停都有严格的先后顺序，如：先启动ID风机、再启动 燃烧站、到输送系统、最后到给料系统。而且它们之间还存在连

33、锁停 车的关系，如：D风机和燃烧站V19停车时，喂料系统马上停车。设 备的逻辑连锁控制也是正常生产的前提条件。在这个工序中与回路控制同等重要。 远程控制：可以对四个燃烧站 V19 Til、T12、V08在计算机 上进行启停控制，并且还可以进行回路控制，燃烧站分本地控制和远 程控制，现场燃烧站由西门子 S7. 200系统控制，与控制室的DCS通 过MODBUS线RS485协议相连。(5) 设备信息显示：焙烧过程主要设备的运行、停止、事故、紧 急停车、检修、过载等状态信息实时的显示在监控画面中，供操作员 监控整个生产过程的状况。同时，一些相关的生产信息实现在线检测， 由PLC进行采集，显示到监控画

34、面。(6) 人工信息设定：生产过程中工况条件可能出现波动，如焙烧过程炉子的压力、溜槽的压力、温度、设备切换等经常发生变化，同 时，设备出现故障需要检修，液位高低限需要设定，为了保证控制系 统在各种生产条件下都能连续可靠运行，设计了人工信息功能，主要功能有三。其一，将关键被控变量确定在合理的控制范围之内，如温 度正常波动范围设定，料位高低限的设定等，其二，操作人员可以根 据生产设备状况及生产经验对控制系统的自动调节范围给予约束限定如阀门开度上下限等，确保控制系统的可靠运行。其三，操作人员 可以在控制系统运行于自动控制方式下时进行必要的人工干预操作，而不需要切换为手动控制方式。因此，提高了系统的用

35、户友好性和适 应能力，实现了人机紧密结合，人机优势互补。3、计算机控制系统的硬件设计近年来，随着微电子学、信息科学与控制、计算机网络通讯等技 术在工业领域的深入应用，DCS PLG现场总线控制系统之间渗透融 合，也趋向于形成数字化、模块化、网络化的分布式控制系统。尤其 是现场总线技术，以其灵活的控制方式、信息共享和低成本等特点， 被广泛的用于复杂的控制系统中，构成多层的开放的自动化系统结 构。焙烧生产过程计算机控制系统的网络结构设计如下图所示。PLC PLC PLC PLC氧化铝焙烧生产过程计算机控制系统网络结构图该系统由主要包括服务器、操作站、控制处理器、不间断电源和 打印机等部分。采用信息

36、层网即以太网、监控网、设备网组成的三层 网络结构来实现氧化铝焙烧过程计算机控制系统信息和功能的集成 以及数据信息的通讯和共享。第一层称为以太网，该层网络以服务器(server)、操作站 (station)为主要节点。服务器与操作站之间采用client /server结 构，每台server提供模拟点、状态点和积累点多达2万多个集成点，可实时采集各种过程装置的实时信息。Station则提供了视窗化入机 界面和强大的报警管理功能及丰富的应用开发功能，具有完善的系统管理维护和监控功能，并采用 ACTIVE X编程语言，使用ODBC进行 SQL数据交换，因为操作站与现场控制站的控制器并没有直接联系，

37、他们之间的数据交换是通过服务器进行的。因此操作站要实时访问服务器的数据库，以完成对整个生产过程的监控，通过OPC协议上传现 场重要参数和状态量到调度室。第二层称为监控网和控制网，监控网络主要节点是服务器(server)和控制器(CPM，其中CPM广泛采用的是C200系列混合控制 器(Hybrid Co ntroller)，具有过程控制要求的连续调节、批处理、逻辑控制、连锁等综合控制功能。监控网的相关硬件为PCIC卡，该卡件直接插在服务器的主板上，协调外围设备之间的通讯，也即服务 器与控制站之间通过PCIC卡完成数据交换。控制网层的主要节点是 控制器和输入输出卡件，他们均采用模块化结构，配置灵活

38、，各卡件 均可以带电热插拔，不会对系统的运行造成任何影响。I /O卡件是控制器的输入输出接口，可以进行模拟量(.10 l-10v、O+5v 4-20mA、0 10rnA)和开关量(24 220V AC 24V DG 1030V DC 48V DC 125V OC的输入输出。充分满足了生产过程中对各种信号类 型的检测和控制要求.第三层控制网络称为设备控制网，通过相关卡件和协议对现场较 大型的设备进行控制。如对现场燃烧站控制，在 DCS中加入Sl卡， 再通过MODBU总线RS485协议进行通讯，对现场进行启停、回路控 制。4、计算机控制系统的软件设计由于PKS采用了 Ememe结构、SQL数据库和

39、TCP/IP通讯协议 等工业标准技术，构成了一个集成的开放式监控网络系统， 总体上实 现了“管控一体化”。软件采用了模块化结构，大致可以分为 2大类。(I) 服务器软件(Server Software)。只能在以 Windows 2000为 平台的PKS系统服务器上运行，直接负责PKS系统的数据库与控制器 中的数据交换，是整套系统的核心，其主要功能是检查控制器中的各 类信息，监视系统的通讯质量，维护作为系统运行基础的实时数据库， 将从控制器采集的数据保存在服务器数据库中，供其他系统软件和利 用API函数工作的用户程序调用。此外，服务器还负责人机接口、报 表处理、历史数据存储、报警和所发生的事件

40、管理、处方管理、批量 管理、停机故障分析、统计过程质量控制，网络通讯与控制器通讯和 总体规划等多项任务，它们通过一个公共、协调的服务进程访问实时 数据库。(2) 客户软件(Client Software)。主要包括 Quick Builder、Control Builder、Display Builder、HMI、和 Station。Quick Builder 主要用于设置和修改服务器数据库中的系统硬件信息和数据点信息， 完成整个系统的设置工作，为 PKS系统服务器建立数据库。Con trol Builder的主要作用是把现场的控制点映射成服务器数据库中的数据 点，即根据实际情况设置数据点的格

41、式。Display Builder 和HMI提供了一套绘图工具和一些沟通操作员与控制数据库的软件，用于开发和设计与实时事件相链接的控制界面。Station可监控整个生产过程 的窗口，通过Station可设置、修改过程的有关参数。基于上述软件体系，我们使用服务器软件和客户软件设计开发了 焙烧计算机控制系统的过程监控系统软件和过程控制系统软件。软件系统的开发主要使用以下几个软件：ControlBuilder 、DisplayBuilder、HMI、Quick Builder 和 station。其中 Control Builder 完成控制软件的编程和过程参数的采集和控制；Display Buil

42、der 和HMI完成监控画面的组态、编程和调试；Quick Builder 完成整个系 统的配置和设定；station完成HMI功能。下图为软件的功能结构图，以下为其功能的详细说明氧化铝焙烧生产过程控制系统软件的功能(1) 人机界面非常友好组态是用控制系统所提供的功能模块或算法组成所需的系统结 构，完成所需的功能，包括系统组态、画面组态和控制组态。对于 PKS系统来说，在Control Biulder软件环境下完成系统组态和控制组态。Control Biulder提供了许多功能强大的模块，可完成对大型复杂过程的控制。工程师组态时只需用鼠标拖动所需功能块后连线即 可完成。当然还需对各模块的参数进行设置，如I /O通道模块中分配卡件及卡件的通道号，PID模块中需设置参数及报警界限等。画面 组态需在Display Biulder软件环境下完成，该软件提供了一个现成 的图库，涵盖了工业过程中用到的大部分设备如风机、管道、水箱、 泵、阀门等，工程师利用这些丰富的线型及现有设备图形可方便的绘 出各种主流程页面、