1 引言 管道化溶出生產工藝的主體控制系統通過網絡控制三個子系統，實現對整個溶出過程生產工藝參數的監視、安全連鎖保護和生產管理;預脫硅、溶出、自蒸發、稀釋、酸洗等工段電氣設備的控制;自蒸發器及冷凝水器液位調節。隔膜泵控制子系統完成隔膜泵的同步控制、轉速調節及連鎖保護。熔鹽爐控制子系統實現對鹽泵、熔鹽爐的連鎖保護及熔鹽爐燃燒溫度控制。熔鹽管路電加熱子系統實現熔鹽管路表面溫度監測和電加熱溫度控制。 管道化溶出是在高溫高壓下溶出礦漿中的鋁成分的生產工藝過程，具有能大大縮短鋁礦石溶出時間，產量高，溶出指標高，節能降耗等優點，新建管道化已成為我公司氧化鋁提產的急需，為保證新建管道化系統穩定可靠運行，根據管道化溶出的生產工藝要求及現有自控系統在實際生產使用中現狀，對管道化自控系統進行了創新設計，自動控制系統分為:管道化主體系統、隔膜泵系統、熔鹽爐系統、熔鹽電加熱系統等四大部分，系統以主體dcs為核心，下掛隔膜泵、熔鹽爐、電加熱三個相對獨立的plc子系統，通過控制網絡相連，采用先進的計算機控制、儀表檢測、電氣技術，綜合了集散系統、現場總線、可編程控制器及智能儀表，建成了管道化綜合網絡控制系統，自控系統結構如圖1所示。 2 控制系統功能 2.1 主體控制系統 主體控制系統為管道化自控核心，它可以通過網絡控制其他3個子系統，實現對整個溶出過程生產工藝參數的監視及安全連鎖保護;預脫硅、溶出、自蒸發、稀釋、酸洗等工段電氣設備的控制;自蒸發器及冷凝水器液位調節。 自蒸發器及冷凝水器液位調節是主體控制系統的核心。自蒸發系統擁有多級自蒸發器用于完成反應后的礦漿的減溫減壓，延長礦漿反應時間，提高溶出率，其減溫減壓過程中所產生的蒸氣用于對原礦漿進行預熱，自蒸發系統液位的控制直接關系到溶出指標的好壞和系統的節能降耗。但由于自蒸發器之間依次連通，液位相互影響，因此，實現液位自動控制難度比較大，采用傳統的控制方法難以達到滿意的效果。而人工調節不僅勞動強度大，也不容易實現系統平衡。我們根據系統特點，利用過程控制系統的優勢，采用模糊控制和pid控制，實現自蒸發器液位的自動控制，如圖2所示。 每一級自蒸發器對應一個單回路調節器，負責本級自蒸發液位控制，plc作為監督管理控制部分，負責非正常情況下各級自蒸發器液位的控制以及正常情況下各調節器控制參數的動態調整。 控制設置手動、自動兩種方式，當工藝、自動控制出現異常時，采用手動方式，通過計算機上單回路調節器面板直接控制閥門開關，調節液位。自動控制時，計算機自動判斷當前自蒸發器液位狀況，當系統剛開始運行或液位波動較大時，系統控制方式自動切換為模糊控制，根據各個自蒸發器當前液位和變化趨勢，按照根據工藝要求和操作經驗形成的模糊控制規則進行模糊推理，由計算機直接控制回路輸出，對各自蒸發器閥門進行較大幅度的調整，當自蒸發器液位基本建立起來后，控制方式切換至pid控制，控制權交單回路調節器，在基本穩定的情況下，由調節器對自蒸發器液位進行調節，在此過程中，計算機隨時監視各調節器的運行情況，根據內置的專家知識庫，對調節器控制參數進行調整，及時調整系統的反應速度，控制精度，穩定整個自蒸發系統的液位平衡。使控制效果維持在最佳狀態。 冷凝水系統與自蒸發系統控制原理類似。 2.2 隔膜泵控制子系統 隔膜泵控制子系統完成隔膜泵的同步控制、轉速調節及連鎖保護。 隔膜泵為管道化生產流程中的關鍵設備，通過其實現系統的升壓。隔膜泵國產化后采用四臺泵聯動，變頻調速實現300m3/h的進料量，為保證運行過程中出料管內壓力平衡，必須保證四臺泵同步。泵運行的相位差信號采用旋轉編碼器配合高速脈沖采集模塊實現，同步控制采用基準泵同步方式，以基準泵運轉角度為標準，調節其余泵，以實現同步。 由于隔膜泵配套有大量附屬安全保護設備，為實現隔膜泵的安全運行，連鎖保護設計為:啟動連鎖和停車連鎖兩部分。啟動連鎖設計目的:避免隔膜泵短時間內多次重復啟動，保證啟動時，各種運行條件全部滿足。連鎖步驟為:連鎖啟動，延時保護，隔膜泵附屬配套電氣設備啟動，隔膜泵啟動運行條件滿足，輸出允許開泵信號，根據工藝要求，手動或自動啟動隔膜泵。停車連鎖設計目的:隔膜泵運行過程中，一旦泵本身或生產工藝出現異常，出現連鎖報警信號，根據信號的類型，及時進行報警或自動保護停泵。連鎖步驟為:隔膜泵運行，出現連鎖報警信號，自動判斷報警信號產生的原因（儀表故障、電氣干擾、工藝或設備引起），如屬工藝或設備原因，預警，超過停泵限值，延時或立即停泵。 2.3 熔鹽爐控制子系統 通過熔鹽爐可控制重油燃燒，加熱熔鹽，熔鹽通過熱交換，加熱礦漿至溶出溫度。根據熔鹽爐的工藝特性，控制主要包括以下兩方面: （1） 連鎖保護部分 連鎖保護包括鹽泵連鎖保護和熔鹽爐爐本體連鎖保護。連鎖信號全部進plc，由plc內部編程實現連鎖、輸出保護動作、進行信號報警。 a） 鹽泵連鎖 鹽泵連鎖包括啟動連鎖和運行連鎖，啟動過程中，如連鎖條件之一不滿足，則鹽泵不能啟動;運行過程中，如有一連鎖條件不滿足，則鹽泵連鎖跳停。連鎖信號包括:1#加熱器鹽管溫度、2#加熱器鹽管溫度、1#加熱器鹽管溫度、2#加熱器鹽管溫度、鹽罐溫度、鹽泵冷卻水流量、鹽罐熔鹽位置、鹽泵電流、控制室緊急停車按鈕。鹽泵連鎖如圖3所示。 b） 熔鹽爐連鎖 熔鹽爐連鎖為與連鎖，只有當熔鹽爐連鎖滿足后，方可對熔鹽爐進行操作。熔鹽爐連鎖信號包括:鹽泵運行狀態、鼓風機運行狀態、風流量、排煙機風門位置、熔鹽爐出口鹽溫、熔鹽爐盤管溫度、煙氣溫度、儀表用空氣壓力、燃油溫度、燃油壓力、霧化蒸汽壓力。 （2） 燃燒控制 熔鹽爐燃燒控制分為兩部分: 由于熔鹽爐加熱介質選用熔鹽，熔鹽爐工作時，熔鹽在熔鹽爐的盤管中循環流動被加熱。熔鹽熔點較高，而熔鹽爐盤管細且距離長，如不對熔鹽爐盤管空管進行預熱，直接進行熔鹽加熱，則很容易造成熔鹽在盤管中凝固堵塞，造成嚴重后果。為保證熔鹽爐的正常工作，首先對熔鹽爐內盤管進行預熱，條件滿足后轉入正常燃燒控制。 熔鹽爐燃燒控制采用成熟的雙交叉限幅燃燒控制:熔鹽爐燃燒的過程中，必須保證燃料的完全燃燒，否則缺氧不完全燃燒，將不僅影響爐子的高效率運行，造成能源的浪費，產生大量煙灰污染環境，而且會對爐子本體造成損壞;空氣過剩將煙氣帶走的熱損失增加，有害氣體增多，污染環境，腐蝕設備，因此燃燒控制應將空氣過剩率控制在最佳區域。 根據低空氣過剩率控制要求，理論上采用溫度與空/燃比值串級調節的方案，可使燃燒處于最佳狀態，但一旦燃油流量有較大波動，由于空氣流量是從變量，其響應不能及時跟上，造成缺氧燃燒或過氧燃燒，因此，動態過程中串級比值調節系統不能保持所需的空燃比，對于熔鹽爐負荷經常變動這種生產工程，必須采用雙交叉限幅控制系統，這類控制系統實質上是一個以溫度為主參數、燃油流量和空氣流量并列為副參數的串級調節系統，并帶有交叉限幅邏輯功能的比值調節系統，使系統不僅能根據實測的燃料流量對空氣流量進行上下限幅，而且能根據實際的空氣流量反過來對重油流量進行限制，通過空、燃流量的相互制約，確保在動態過程中維持合適的空燃比，從而使鹽溫達到給定的要求，而燃燒工況始終保持在低過剩空氣系數的經濟合理狀態。 當調整熔鹽爐負荷時，燃料量與風量相互交叉限制，可確保燃燒控制始終保持在充分燃燒的基礎上:燃油控制器根據鹽溫實際值和給定值偏差調節油閥，控制重油流量，實現鹽溫控制;空氣控制器調節空氣閥，控制空氣流量;燃油控制器和空氣控制器互相配合，保持合適風油比（需要提溫時，首先開大風門，提高風流量，然后再開大油閥，提高油流量;減溫時，首先減小油閥開度，減小油流量，然后，減小空氣閥開度，減小空氣流量;這樣可避免不完全燃燒。），通過對燃燒的控制實現熔鹽爐內盤管中熔鹽加熱控制。控制原理如圖4所示。 2.4 熔鹽管路電伴熱子系統 其作用是為熔鹽本身及流經的管路在投產前進行伴熱，控制熔鹽及管路溫度保持在180℃以上250℃以下，使熔鹽無論在鹽罐保存還是在管路中循環均保持液狀，以避免管路溫度過低凝固，堵塞管路，引起局部高壓，損壞設備。 電伴熱系統包括:鹽罐、鹽管、鹽閥等設備的伴熱，由于本系統中大部分為模擬量信號:電流和熱電阻溫度信號兩種，電流信號用于監視各回路三相電是否正常，斷、短路報警，但不參與控制;溫度信號參與控制，測溫元件均為pt100熱電阻。針對本系統特點:模擬量多、實時性要求不是很高。在保證控制、監視的基礎上，可采用32點開關量輸出模板進行切換，公共輸出接至模擬量采集模板，配合軟件編程可實現8路信號通過切換公用一個模擬量模板的通道。可節省大量模擬量模板，從而大大降低了系統成本。 以溫度信號為例:接線如圖5所示，三線制pt100測溫元件的三根線分別接至開關量輸出模板三組中相同次序的通道上，三組共可接8個pt100信號，將三組的公共端分別接至pt100采集模板的第一通道的三個端子上，配合程序即可實現8路溫度信號公用一個模擬量通道。 電伴熱絲送電后產生熱量預熱管道。本系統控制要求比較簡單，要求控制各回路溫度保持在工藝要求的溫度值，允許有一定的波動范圍。依據工藝要求，控制方法采用簡單的上下限控制，當回路溫度低于下限值，加熱回路接通開始加熱，當回路溫度高于上限值時停止加熱。采用此種方法可比采用常規pid控制大大減少繼電器、空氣開關的動作頻率，延長設備壽命。但如果控制實時性要求比較高，則此種方式不適用。考慮到每個回路均有多只測溫元件，現場管道維修過程中經常需要拆卸，導致個別元件因安裝位置等原因測溫不準，因此，在每個控制回路中設置有保護高限，當回路測溫元件測溫差別較大時，可防止回路持續加熱，造成電伴熱絲過熱損壞。調整設定溫度的上下限范圍可調整控制精度。 3 生產過程操作、管理 管道化溶出生產過程操作、管理系統選用成熟先進的工控軟件開發，具有運行穩定可靠，開發設計容易，功能強大等特點。系統完成的功能: （1） 主控室設備控制全部通過計算機操作站進行。操作方式分為:計算機軟手動、計算機自動兩種方式。 （2） 表部分:取消傳統控制系統中的二次儀表、聲光報警器、記錄儀、儀表盤，由計算機實現生產工藝流程圖動態顯示，數據的實時顯示、累計、報警、歷史曲線顯示、數據保存。 （3） 電氣部分:取消電氣盤，所有電氣設備的操作、運行狀態及電流電壓指示、故障報警全部由計算機完成。電氣連鎖通過plc編程實現，所有設備現場設置就地操作箱，具有設備就地開停操作、就地與計算機切換、設備調試及檢修、重要設備的電流、電壓指示等功能。需要調速的電氣設備均采用技術、性能先進的變頻調速，以方便實現計算機控制和實現節能，減少大型電氣設備啟動時對電網的沖擊以及機械設備啟動時的機械應力。