DCS控制系統(tǒng)在鋁電解大修渣無害化處置中的設(shè)計與應(yīng)用

王 珣，陳開斌，王瑩瑋，劉 彤，杜婷婷，尹大偉，曹寶玲

（中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041）

隨著我國電解鋁工業(yè)的迅猛發(fā)展，電解鋁工業(yè)的環(huán)境污染問題已引起國家、行業(yè)和社會的高度關(guān)注。大修渣是電解鋁生產(chǎn)過程中不可避免的固體廢棄物，其中含有的主要毒性物質(zhì)可溶氟化物和氰化物對土壤、水域和大氣危害極大，已被列入《國家危險廢物名錄》。

“鋁電解大修渣無害化處理技術(shù)開發(fā)及工業(yè)應(yīng)用”項目團隊成員經(jīng)過持續(xù)研發(fā)和不斷改進，成功探索出了一條有效解決電解鋁大修渣環(huán)境問題的道路。

該處置系統(tǒng)以DCS為控制核心，采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式采集破碎、球磨、反應(yīng)、壓濾、廢氣凈化五個作業(yè)區(qū)的控制信息，在多個過程控制模塊中計算，實現(xiàn)了檢測、顯示、控制、管理于一體。實時在線監(jiān)測鋁電解大修渣無害化處置工藝設(shè)備運行參數(shù)、運行狀態(tài)、安全環(huán)保數(shù)據(jù)等，便于操作及管理人員及時掌握生產(chǎn)狀況，實現(xiàn)了鋁電解大修渣無害化處置線的穩(wěn)定高效運行。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

處置線DCS監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)工程師站、操作站、歷史站、控制站，并采取雙網(wǎng)絡(luò)冗余[1]，控制站采用雙處理器，如圖1所示，實現(xiàn)系統(tǒng)控制運算核心部分冗余配置，自動切換，確保運行穩(wěn)定可靠。

架構(gòu)從上至下由管理網(wǎng)（MNET）、系統(tǒng)網(wǎng)（SNET）、控制網(wǎng)（CNET）三層構(gòu)成。分布在生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器、變送器和執(zhí)行器等將信號變送給控制站，并執(zhí)行控制站發(fā)送的命令，控制現(xiàn)場設(shè)備有序安全工作，現(xiàn)場設(shè)備及儀表采樣到的信號在操作電腦上實時顯示。采用監(jiān)視級、操作員級、工程師級3級權(quán)限分配[2]。

采集處置過程破碎、球磨、反應(yīng)、壓濾、廢氣凈化五個作業(yè)區(qū)的檢測數(shù)據(jù)、設(shè)備運行狀態(tài)及控制信息，采用工業(yè)以太網(wǎng)及PROFIBUS-DP通訊將采集信息集中顯示在操作主機上。

操作主機設(shè)過程監(jiān)控、配料控制、工藝數(shù)據(jù)曲線、數(shù)據(jù)記錄、報警顯示及設(shè)備工作狀態(tài)等畫面，可直觀、清晰地監(jiān)控處置過程，便于操作及管理人員及時掌握生產(chǎn)狀況。

圖1 處置線DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

廢氣凈化裝置相對獨立且要求達到全自動無人值守，確定西門子S7-300PLC與觸摸屏相結(jié)合的控制方案；采用PROFIBUS-DP通訊將PLC上的數(shù)據(jù)上傳至DCS系統(tǒng)進行統(tǒng)一監(jiān)控[3]；出于安全考慮，要求操作人員在現(xiàn)場確認滿足條件后再開啟設(shè)備。

2 軟件設(shè)計

MACS V6.5是和利時推出的最新一代的MACS平臺，該軟件是工程師站組態(tài)的主要工具，由工程總控、圖形編輯器、AutoThink控制器算法組態(tài)三部分組成。系統(tǒng)組態(tài)流程如圖2所示。

2.1 系統(tǒng)控制方案

無害化處置系統(tǒng)的控制邏輯塊分為以下幾個：干法1、干法2、粉料添加、水添加、藥劑A添加、藥劑B添加、壓濾系統(tǒng)、收塵系統(tǒng)、廢氣凈化系統(tǒng)等。為保證處置效果，幾種藥劑添加數(shù)量的精準控制尤為重要。

2.1.1 除氟過程耦合配比控制模型

除氟劑加入量記為：Y1=f(X1,X2)；

其中：Y1—除氟劑加入量；X1—粉料量；X2—可溶氟化物含量；

在處理過程中，不同物料的X1、X2也變化，記為：

圖2 系統(tǒng)組態(tài)流程

X1=f(t)；X2=f(t)；

其中：t——時間；

因此，除氟劑加入量：Y1=f(X1,X2,t)，表示在處理過程中，隨著粉料量及可溶氟化物含量不同，加入的除氟劑也不同。

2.1.2 除氰過程耦合配比控制模型

除氰劑加入量記為：Y2=f(X1,X3)；

其中：Y2—除氰劑加入量；X1—粉料量；X3—可溶氰化物含量；

在處理過程中，不同物料的X1、X3也變化，記為：

X1=f(t)；X3=f(t)；

其中：t—時間；

因此，除氰劑加入量：Y2=f(X1,X3,t)，表示在處理過程中，隨著粉料量及可溶氰化物含量不同，加入的除氰劑也不同。

2.1.3 調(diào)節(jié)過程耦合配比控制模型

調(diào)節(jié)劑加入量記為：Y3=K1Y1+K2Y2；

其中：K1—除氟劑對酸堿性影響的權(quán)重系數(shù)；K2—除氰劑對酸堿性影響的權(quán)重系數(shù)。

2.2 廢氣凈化裝置控制方案

廢氣凈化裝置PLC系統(tǒng)選用CPU315-2PN/DP，該CPU組合PROFIBUS-DP主/從接口，該接口可用作PROFIBUS-DP通訊，在廢氣凈化裝置控制系統(tǒng)中該接口用作從站。設(shè)置該接口類型為PPROFIBUS，地址為45，必須與DCS上設(shè)置的從站地址保持一致，操作模式設(shè)置為DP從站；從站要與DCS主站通訊，必須設(shè)置類型和大小一致的傳輸區(qū)域。

3 控制系統(tǒng)界面設(shè)計

控制系統(tǒng)將自主研發(fā)的大修渣無害化處理技術(shù)有效轉(zhuǎn)化為多個過程控制模塊，集成在控制策略中。控制系統(tǒng)顯示所有控制設(shè)備狀態(tài)信息，并記錄、顯示設(shè)備工作狀態(tài)，當設(shè)備故障、檢測數(shù)據(jù)錯誤、超限，立即報警，提示操作人員關(guān)注、處理。

通過人—機交互畫面進行配料控制，依據(jù)每個控制模塊策略，自動計算、控制原料及藥劑添加量，實現(xiàn)精準控制，確保無害化渣達標排放。

控制系統(tǒng)儲存每次無害化處理過程中的技術(shù)數(shù)據(jù)，并以曲線形式顯示主要工藝數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)查詢功能，為無害化處理過程數(shù)據(jù)分析，技術(shù)持續(xù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)，主控制畫面如圖3所示。

4 控制效果

針對生產(chǎn)工藝特點，從控制參數(shù)、控制點、安全控制原理，采用的邏輯控制單元、檢測變送單元等方面綜合考慮，采用先進自動控制策略對設(shè)備實施連鎖控制，可預先對重要的工藝控制參數(shù)進行預調(diào)整控制，預先報警提示，必要時緊急連鎖停車，緊急停止相關(guān)生產(chǎn)工序，保證安全生產(chǎn)，避免發(fā)生人身、設(shè)備、環(huán)保事故，確保處置線長期、安全、穩(wěn)定運行。