罗克韦尔自动化集成过程控制系统在开曼铝业（三门峡）氧化铝工程

［摘要］：开曼铝业（三门峡）集成过程控制系统下设八个子系统，负责全厂生产的数据采集和实时控制，并通过以太网光纤环网将信息集中到中央控制室的服务器，实现分散控制和集中管理的目的。本文详细介绍在ControlLogix平台上开发的集成过程控制系统硬件、软件设计。［关键词］：罗克韦尔 集成过程控制系统 氧化铝
  1 引言
开曼铝业位于陕西省陕县境内，是三门峡建市以来投资最大的工业项目，占地面积一平方公里，铝土矿取自本地。采用国际先进的拜耳法生产工艺，设计年产氧化铝120万吨。
开曼铝业（三门峡）在初期的方案设计敲定后即开始系统、品牌的招标，在国内、外多家系统厂商激烈竞标的情况下，罗克韦尔自动化的集成过程控制系统脱颖而出，博得专家评委的一致青睐，最终中标。
集成过程控制系统以罗克韦尔自动化的集成架构为核心，是一套全面集成的过程控制解决方案。集成架构作为一种技术框架,将车间现场不同的应用项目通过统一的控制、可视化和通信平台集成在一起。这样一来，所有的数据都能够在整个企业内进行无逢的传递。这正是现代化铝厂真正需要的东西。
整个工程分为一期、二期和二期扩建三个项目。一期工程于2005年12月26日顺利投产；二期工程于2006年9月29日出料，二期扩建工程于2007年1月底建成投产。至此，开曼铝业达到年产氧化铝120万吨的生产能力，达到设计目标，罗克韦尔自动化集成过程控制系统在国内氧化铝行业首次大规模应用获得成功。

  2 氧化铝生产过程的特点和控制要求
2．1 氧化铝生产过程简介
氧化铝是一种两性氧化物，能溶解于酸中也能溶解于碱溶液中。因此，由矿石中提取氧化铝的方法分为酸法和碱法。开曼铝业采用拜耳法碱法生产工艺。
拜耳法的基本原理有两条：
（1）用NaOH溶液溶出铝土矿所得到的铝酸钠溶液，在添加晶种不断搅拌和逐渐降温的条件下，溶液中的氧化铝便呈AI(OH)3析出；
（2）分解得到的母液（主要含NaOH），经蒸发浓缩后在高温下用来溶出新的一批铝土矿。
交替使用这两个过程，就能够连续地处理铝土矿，从中不断析出纯的AI(OH)3产品，构成所谓的拜尔法循环。
拜耳法的实质就是使如下反应在不同条件下朝不同的方向交替进行：
2．2氧化铝生产对自控系统的要求
氧化铝生产的多工序性，工序之间的互相制约性，要求控制系统必须长期连续稳定运行。被控量既有温度、压力、流量、液位、密度等物理量，又有NT、A/S（硅铝比）、αK（浓度）、AI2O3等化学量，对自控系统的实时性、准确性、安全性等方面提出了极高的要求。

  3 集成过程控制系统的硬件设计
  
3．1 慨述
集成过程控制系统是一个分布式控制系统。
系统下设原料磨、石灰消化、溶出、沉降、种子过滤、蒸发、成品过滤、焙烧八个过程控制子系统（车间），每个车间均有一台工程师站EWS和2-3台操作员站OPS。车间内部工艺参数的数据采集、实时监控、数据处理等信息的传输由ControlNet控制网实现。整个氧化铝厂的主要生产操作由这八套子系统完成。
集成过程控制系统的信息层采用EtherNet/IP工业以太网 DP网桥，12MBDP-BRIDGE/12MB ，通过以太网将上述八个车间的信息传送到全厂生产信息调度中心，该中心设有两台服务器SERVER1、SERVER2和两台操作站OPS1、OPS2，对全厂生产过程进行集中监视、控制和管理。
整个控制系统共配置有35个CPU模块，650多个I/O模块，100多个通信模块，这些模块分别安装在近90个机架上。用于控制4000多点模拟量和9000多点开关 紧急停止开关HW 量，系统网络拓扑见。
3．2冗余技术是集成过程控制系统的基础
这个由13000多个控制点构成的庞大的自动控制工程，如果因故障停止运行，每天经济损失高达100多万元人民币，如何保证氧化铝生产长期连续稳定运行，决不是一句套话，一句口头禅，而是摆在每一个设计、调试人员面前必须解决的基本课题。
具体而言，我们需要找到下述五种故障的解决途径：
第1种故障：CPU故障；
第2种故障：控制层网络故障；
第3种故障：信息层网络故障；
第4种故障：主机硬件故障；
第5种故障：软件故障。
我们虽然知道：1756/1757系统硬件模块的平均无故障时间（MTBF）在150万小时左右，并且获得了TUV的SIL2的认证。以每天24小时，每年365天计算，模块在171年内将不会失效。但实际上，影响系统有效性的因素远不只模块本身，更重要的是如何用上千个模块构建一个稳定合理的系统。就象钢铁，可以造就万吨巨轮远航四海，也可能变为沉沦海底的一堆锈铁一样。
罗克韦尔自动化集成过程控制系统的冗余技术合理地解决了这些问题。
所谓“冗余”，是指“一个具有相同设备功能的备用系统”，当主设备出现故障时，冗余设备是可以立即使用的替代设备。
3．3控制器 液位控制器FLR-261B 冗余
  硬件冗余
3.3.1控制站冗余
两个互为冗余的控制站配置必须完全相同（中的主/从机架），冗余功能是依靠冗余模块1757-SRM实现。当主控制器失效时，从控制器在100ms内接替主控制器，主从控制器的同步对用户来说是完全透明的，冗余模块之间通过冗余的光缆连接。
冗余功能的主要特性如下：
※ 同步透明性：控制器的同步不会引起任何可能的控制中断。
※切换透明性：主从控制器切换时，除了触发相应的报警或事件，不会对操作产生其他的影响，切换的时间可以忽略。
※可靠的存储：当进行同步数据传输时，只有主机架和从机架都收到相同的信息时，系统才确认数据传输成功。
※切换时数据连贯性：进行冗余切换时，输出保持不变，保证过程不发生扰动。
※完全不要用户编程。
3.3.2电源冗余
所示，每一个I/O远程机架配置一组1756-PAR2冗余电源（每组冗余电源由两个1756-PA75R电源模块，两根1756-CPR电缆和一个1756-PSCA适配器构成）。它们分别由两路不同的系统供电，当任一路供电系统故障时，另一路仍保持供电，因此可以确保I/O机架供电不间断。
3.4 控制层网络冗余
中1756-CNBR是ControlNet通信模块，它有两个冗余的网络通道：A口和B口，使控制信息实现冗余。传送速率达5Mbps,传送介质是75Ω阻抗的1786-RG6同轴电缆，通过BNC连接器 GTY引进铜连接管GTY-4 与ControlNet总线相连。
3.5 信息层网络冗余
信息层网络故障借助交换机冗余和双光纤环网两个途径解决。
3.5.1交换机冗余
每个车间的现场信息，是通过两个冗余以太网交换机获取，例溶出车间，左边的交换机接收来自一期、二期和二期扩建主机架上的1756-ENBT模块信息，右边的交换机接收来自一期、二期和二期扩建副机架上的1756-ENBT模块信息，这样做的好处是现场信息具有冗余功能。
3.5.2双光纤环网
全厂设有两条100m光纤以太网环网。
(1)环网1
设有9个以太网光纤交换机，用于原料磨、石灰消化、溶出、沉降、分解、蒸发、成品和焙烧等8个车间的现场数据和冗余服务器（ServerS、erver2）进行数据交换。
(2)环网2
设有7个以太网光纤交换机，并在原料磨、溶出、沉降、分解、蒸发和焙烧等6个主要车间各设一台操作员站OPS3，可以监视全厂其他车间的运行情况（只看不控）。
环网1和环网2是两个独立的网络，他们之间只有一个通信通道，即信息只有通过服务器才可以进行交换。
服务器采用双层网络结构，下层以太网（环网1）直接接处理器，上层以太网（环网2）接操作站，上、下二层网络只能通过冗余服务器才能进行通信，互不影响，上层网故障不影响下层网正常工作。
需要说明的是：光纤以太网交换机对网络性能起到十分重要的作用，本系统选用ED6008-MM-SC型光纤交换机，该交换机可进行流量设置，也可对端口进行控制，交换机的电源具有冗余功能，故障恢复时间小于300mS，可以有效的防止网络堵塞。
3.6服务器冗余
采用主/从服务器结构。当主服务器出现故障时，从服务器自动转为主服务器，提供与控制器/RTU的通信、数据采集等功能，并为其他操作站提供服务。主服务器定时将数据库中的所有数据信息传送到从服务器，以确保主/从服务器之间的完全同步。
3.7其他可靠性措施（）
  开关量输入隔离
(1)信号隔离
开关量输入/输出经过继电器 继电器座-TP-28X 隔离；模拟量输入/输出经过模拟量隔离器隔离
(2)继电器一次回路、二次回路、模拟量隔离器由三路独立的冗余直流电源 WYJ 0-60V/5A 单路 (可调)数显 供电
(3)工程师站、操作员站和服务器均由UPS不间断电源 UPS MT系列 供电.
4 集成过程控制系统的软件设计
软件设计主要包括两大部分：控制程序设计和监控画面设计。软件编制是在工程师站完成的，在这里进行集成过程控制系统的①编制程序②组态网络③开发操作界面。为此，在工程师站（操作系统为Windows2000 SP4）安装了下列软件：
(1)RSLinx Classic Gateway：通信功能
(2)RSLogix5000：编程功能
(3)RSNet Worx for ControlNet：网络配置
(4)RSV Studio for RSV Enterprise：操作员界面开发.
罗克韦尔自动化的集成架构主要由Logix控制平台、NetLinx通信网络、ViewAnyWare人机界面 Smart PC BoxMPCSN01NDJ00H 和FactoryTalk企业实时数据交换技术构成。本文以铝厂生产流程中最重要的环节-高压溶出车间（一期）为例，说明集成架构的优势。
4.1 网络组态
一期控制系统由两个冗余机架和五个远程I/O机架组成，首先用RSNet Worx for ControlNet软件进行网络组态，为了避免网络负荷过重，将远程机架分成两组（相应地在两个冗余机架上各插有2块1756-CNBR/D模块），组态后获得。
经组态后，机架上的任一点的信息，利用ControlNet特有的“生产者/消费者”通信模式，无须编写程序就可以被其他车间的处理器读取，实现各个处理器之间的标签共享。使设计人员能够将主要精力用在如何让系统完成控制任务，而不是编写与其他处理器通信的程序。
4.2 控制程序的设计
溶出车间由数十条单回路或串级调节回路组成，用来完成矿浆进料流量、料位、温度及密度调节，生产工艺对实时性有严格的要求。利用RSLogix5000的多任务编程方式，将控制程序安排在三个任务中去完成，即主任务、模拟量控制任务和马达控制任务。
  多任务编程
在每个任务中，又构建了程序（Program）和多个例程（Routine）。每个程序都有属于自身的数据（Program Tags）,可以避免和其他程序发生冲突。通过控制器标签（Controller Tags）,实现与其他处理器的数据交换。对每个任务分配合适的周期和优先权，只要到达周期性任务的周期，该任务会中断任何低优先级的任务，执行一次，然后将控制权交回到先前任务的停止处，多任务控制方式满足了溶出过程高实时性的控制要求。
溶出车间需要对100多台电动机 TDGC-5K 带电动机 、变频器 变频器，三相400V，22kWSLX030A2-4A1B0 和各种阀门进行实时控制，其数据的组织和管理是一个十分繁重的任务。我们利用RSLogix5000可以自定义数据结构的功能，按照工艺要求自定义四种数据结构：电动机、普通阀、调节阀、变频器（），不但大大缩短了创建数据结构的时间，而且提高了程序的可靠性和可读性。右边窗口显示了变频器数据结构VPF。
4.3 监控画面的编制
RSView Studio 用于创建丰富的图形显示画面，生动形象地反映生产过程。通过这些显示画面允许操作员直接对生产过程进行操作。
由它开发的人机界面画面既可应用于传统的、单机HMI应用，又适应于大型分布式的现代工业自动化应用。
以溶出车间为例：挂接在环网1上的工程师站EWS及操作员站OPS1、OPS2工作于单机模式，可以监视和操作本车间一期、二期和二期扩建所有设备，挂接在环网2上的操作员站OPS3工作于分布模式，在调度中心冗余服务器上进行操作权限设置，即可在溶出车间监视全厂其他车间的运行工况（但不可对其他车间的设备进行操作）。
监控画面要求对氧化铝生产过程自动控制与监督管理。模拟量控制包括温度、压力、液位、流量等参数的显示、报警、自动调节和控制；开关量控制包括各种溶液泵 液控阀门校验泵站 、真空泵、空压机、冷凝水泵、搅拌电机等电机设备的远方起停控制和联锁 SL-059电子锁 、运行状态监视、阀门控制和联锁控制；根据工艺流程及生产操作原理，编制各种流程显示画面、趋势及历史曲线等；设置安全机制，分别对操作员站、工程师站的权限进行限制；对生产过程实时参数进行采集、存储、定时报表打印等。
，8和9分别是溶出车间的总貌和PID调节器实例。
  高压溶出流程总貌
该画面显示了高压溶出的主要工艺流程及参数，操作员可以通过该画面对主要参数进行监控。
·当点击图中各个参数后面的单位符号时，将弹出相应的趋势图
·画面上相关设备位号后的圆圈为红色表示该设备没有投入使用，为绿色表示该设备已投入使用
·画面最下方是报警行，你可以看到最近发生的报警
·点击画面下方的按钮，将进入相应的子画面。
  高压溶出参数测量总貌
该画面、高压溶出的主要工艺参数监控画面，操作员可以通过该画面监控高压溶出的主要参数：
·当点击相应参数后的单位符号时，将显示相应的趋势图
·画面最下方是报警行，你可以看到最近发生的报警
·点击画面下方的按钮，将进入相应的画面。
  Td101/Td102脱硅槽内矿浆温度串级调节回路
中，以Td101/Td102脱硅槽内矿浆温度为主调节回路，以进入Td101/Td102脱硅槽脱硅蒸汽流量为副调节回路，构成串级调节回路，通过调节13FCV104调节阀，控制进入Td101/Td102脱硅槽脱硅蒸汽流量。其中“13TE105/107选择”按钮是主回路的温度测量值，用来选择Td101脱硅槽浆液温度13TE105或选择Td102脱硅槽浆液温度13TE107。
4.4 服务器
服务器用于对数据的采集、控制、记录和报警，并向操作员站提供人机界面服务。
服务器采用DELL公司的产品，并安装了网络版软件。
监控系统 JXF挂壁式控制箱(基业箱)JXF-10080/30 有下面三个特点：
(1)一次性完成标签创建工作
在RSLogix5000中定义的标签，借助Factory Talk企业实时数据交换技术，在REView SE 的画面中可以直接引用，而不必象过去那样导入、导出所需的数据。
(2)RSView SE Server冗余
当主Server出现故障时，自动切换到从Server.当主Server再次可用时，它自动重新继续执行HMI Server的任务。从而保证Server组件向Client提供连续的信息，提高系统可访问性，确保用户监控到生产现场的运行情况，为他们做出重要的决策提供信息支持。
(3)全局报警
报警汇总画面反应当前报警状况，报警内容包括：报警描述、报警类型、报警值、报警日期、报警时间等，点击“Ack Current”按钮，将对选定的那条报警进行确认，点击”Ack Page“按钮，将对该页的报警项进行确认，点击”Ack All”按钮，将对所有的报警进行确认。
报警项显示红颜色，表示该报警存在且操作人员还没有进行报警确认，确认后将显示紫色。报警项显示紫色，表示该报警已进行确认，但报警依旧存在，当报警消失后，该报警项也将从报警页中消失。
4.5 操作员站
开曼铝业八个主要车间，每个车间设有2-3个操作站。
操作站是DCS控制系统的人机界面，采用DELL高性能计算机，安装有RSView SE人机界面接口软件，是操作员监视、管理和操作生产过程的窗口。所有生产过程信息通过操作站呈现在操作员面前，所有的操作、控制和管理指令，也通过操作站下达。操作站供操作人员使用，由系统工程师管理和维护。
操作站的安全管理
每台操作站均有对应的登录、注销窗口，点击登录按钮，输入相应的用户名和密码后可进入监控画面，每个用户均有相应的权限，只有管理员才有所有权限，可对任何参数进行修改，有些参数如PID参数操作员用户不能修改。

  5 集成过程控制系统在开曼铝业成功应用的意义
开曼铝业创造了两个奇迹：
一是：从溶出车间投料到焙烧出氧化铝，仅用了18天时间
二是：从溶出车间投料试车到生产出一级品氧化铝仅用了26天时间。
在中国氧化铝工业历史上少有的速度，不但给开曼铝业带来了巨大的经济效益，而且产生了良好的周边效应。
5.1企业经济效益
(1)节约能源
(2)降低成本
(3)减少操作人员
(4)提高了生产的安全性
(5)提高了产品的生产率、合格率。
5.2地区效应
开曼铝业利用本地矿山资源生产合格的铝产品，将三门峡的资源优势最大限度地转变为经济优势，不但带动了整个三门峡地区经济发展和社会进步，而且对优化全国铝工业布局和结构有重大意义。
5.3 辐射效应
开曼120万吨氧化铝工程的建成投产，是罗克韦尔自动化集成过程控制系统成功应用的范例，因此，成了兄弟单位竞相参观学习的样例工程。可以肯定，在不久的将来，我们将看到更多的集成过程控制系统在氧化铝行业获得应用。
目前，开曼铝业生产稳定，设备运转正常，各项生产指标逐步优化，员工素质日益提高，正在向更高的生产目标奋力前行。

  参考文献
Rockwell Automation:ControlLogix选型指南
Moxa Networking:Industrial Ethernet Solutions for Control and Automation
深圳万讯自控有限公司.工业仪表产品样本
Allen-Bradley:Logix5550控制器指令集参考手册
Rockwell Automation:RSView Supervisory Editiion User’s Guide Volume 1