浅析氧化铝生产过程自动化的现状与发展趋势

科技动态与观察

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浅析氧化铝生产过程自动化的现状与发展趋势

神火集团河南香江佛光实业有限公司(铝业) 井社民

摘要:本文介绍了我国氧化铝生产过程自动化的现状,分析了自动控制技术与自动控制设备的的应用发展趋

势,提出用先进的控制技术和控制设备对旧的氧化铝生产过程检洲和过程控制系统进行改造和完善,运用计算机及网络技术和ERP 理念改造原有的生产管理模式,建设构成ERP/M ES/PCS 三个层次的氧化铝企业信息系统,实现氧化铝企业的管控一体化,实现氧化铝生产过程的优化控制,最终达到优化运行和优化管理的目的,同时指出在实施氧化铝生产过程自动化的过程中应注意的几个问题。

关键词:氧化铝自动化自动控制生产管理ER P M ES PCS 信息系统

一、现状分析

国内氧化铝生产企业过程控制应用起步较晚,直至80年代自动检测和自动控制设备才开始在我国氧化铝生产中逐渐采用。特别是烧结法工序许多都具有高温、高压、易结巴、易磨损、易堵塞等环境,部分工序具有多变量、强藕合、强非线性、难检测的特点,测控仪表水平亟待提高。应逐步采用先进的检测、分析设备和控制管理系统,采用生产目标的过程优化设定技术、智能建模技术、故障诊断与预备技术、生产过程信息集成技术等,达到优化生产控制管理。

目前在氧化铝生产过程中以DCS 为代表的工业控制计算机的应用基本上集中在拜尔法生产部分的高压溶出、蒸发、分解和氢氧化铝焙烧等工序,实现了车间/工序级的自动控制,代表了氧化铝生产自动化的最高水平。在烧结法生产部分和其他工序中,由于无法直接借鉴发达国家氧化铝生产过程控制的先进技术,加上工艺复杂、流程长、结疤严重,常规的测控技术和设备难适用等因素,目前从过程检测到自动控制的整体水平仍很低,影响了拜尔法流程和烧结法流程之间的协调与生产组织,进而影响了全流程的生产产能和综合经济技术指标的全面提高,也遏制了已有的DCS 系统进一步发挥作用。与之相比,国外氧化铝生产过程自动化一般都起点高、投人大,加上工艺流程相对简单,工艺装备与自动化水平较高,生产各个环节、各道工序基本上都实现了自动控制,有的工厂还建立了全厂的计算机网络,实现了生产过程的优化控制,优化运行和优化管理,实现了管控一体化。近年来,随着计算机网络技术的迅猛发展,国内部分氧化铝厂也加快了全厂网络设施的建设步伐,提高了生产过程的自动化水平和管理效率,取得了较好的经济效益。

二、过程检测和控制设备的应用发展趋势

(1)新型仪表提供了解决测控难题的办法。近年来,自动化仪表工业发展迅猛,出现了一些性能稳定、工作可靠的仪表设备,如超声波料位计、雷达料位计、射频导纳料位计、质量流量计、涡街流量计、超声波流量计、光纤比色温度计、核子秤等,从而使多年来一直困扰氧化铝生产过程检测的料位测量、流量测量等难题开始得到改善。在控制手段方面,出现了凸轮挠曲调节阀、变频调速控制器等技术,为解决控制问题提供了新的手段。这些新型测控设备已在我国氧化铝生产中得到了应用,并取得了良好效果,为进一步扩大其使用范围,使我国的氧化铝生产过程检测和过程控制步入一个崭新的时代奠定了良好的基础。微电子技术的发展,使各种体积小、功能强、速度快的微处理器不断涌现,使自控装置向智能化方向发展,在原功能基础上增加了数学运算、逻辑判断、信息存贮及通信等功能,

与常规仪表相比,智能控制装置具有测量精度高,自动

校准,自动修正误差,自动诊断,允许灵活地改变功能,可以通过数字通讯构成复杂系统实现高级控制等优点,已成为当前的发展趋势。智能仪表,将在我国氧化铝工业中逐步替代常规仪表。

(2)DCS (分散拉制系统)将进一步广泛应用。DCS 已在我国的氧化铝工业得到成功应用,由于受测控方面问题的限制,其应用范围受到很大限制。随着测控问题的解决,这一现象将得到扭转。自ISO /OSI 提出网络互联的层次思想以来,开放的思想已引入DCS 中,开放已成为DCS 的一个最基本的要求,不是开放的产品己没有出路。开放,就是要求不同厂家的产品具有互联性,互操作性,互换性,可替代性,可扩充性和可移植性。开放的DCS 在网络结构上采用三层网络结构,在软件上趋向采用WIN DOWN 为平台,在数据库管理方面采用分式数据库。开放的DCS 将是我们今后选择的主导产品,并将利用更新改造,系统升级等手段,逐步淘汰原有的传统DCS 。

(3)现场总线技术。现场总线一出现就引起人们极大的关注,由于现场总线具有的数字化和网络化特点及开放性,现场总线在近年来得到了迅速发展,对自控领域产生深远影响。但人们对它是又爱又恨:现场总线是微电子、控制、计算机、仪表、网络技术发展的成果,以现场总线为核心的现场总线控制系统(FCS)必将取代传统的DCS,成为新一代控制系统的体系结构,以世界著名DCS 生产厂为代表的生产商为占领更多市场份额,坚持不放弃各自的标准与技术,导致现场总线产品种类繁多,技术特点各不相同(尽管经IEC 的努力,国际标准总数仍达12个之多),让用户和广大的现场总线产品制造商在相关技术和产品的选择上感到无所适从,在一定程度上妨碍了现场总线的发展。但是不管IEC 现场总线的标准最终能否统一,不管现场总线控制系统能在多大程度上取代DCS,随着现场总线技术的成熟及现场总线标准的日趋完善,它都是21世纪的自动控制系统,必将对我国氧化铝工业仪表和控制系统的应用产生深远影响,我们应给予密切关注人工神经网络等。目前已开发、应用于氧化铝生产过程中的软测量技术有熟料窑温度测量、蒸发溶液苛性碱浓度分析、高压溶出浆液RP(氧化铝与苛性碱浓度的比值)测量、拜尔法一次洗液的苛性碱浓度测量及一次洗液的y 值测量等,并将在解决磨机负荷测量、种子分解溶液粒度分析等环节得到推广应用。

三、软测f 技术

氧化铝生产工艺复杂,生产介质腐蚀性强,高温高压,易结疤难清理,且化学成分复杂、多变,用于表明产品质量指标和物化机理的很多参数常常又难以直接在

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线测量,人工分析难保证其样品的可靠性和测量结果的正确性,且滞后严重,难以满足生产要求软测量技术是应用计算机以软件代替检测装置的硬件功能,对于一些难以测量或不能测量的重要变量,选择另外一些易于测量的二次变量,通过已建立的某种数学关系来计算,以达到测量目的。软测量能连续给出未知变量,具有投资低,响应迅速,易于维修等优点。软测量技术重要的问题是如何选择二次变量、对输入数据处理、建立软测量数学模型和在线校正等。建立软测量模型的方法有机理建模、系统辨识和状态估计、模式识别和模糊聚类分析、回归分析。

四、智能控制理论、先进控制方法(APC)及应用

(1)模糊控制(FC)。模糊控制器依照人工操作思维程序工作,与传统控制方法相比,模糊控制是在操作人员控制经验的基础上实现对系统的控制,无需建立数学模型,具有较强的鲁棒性。被控对象的特性和参数变化对控制质量影响小,体现了一定的自适应能力,比在线计算仅需查 控制查询表 ,计算量小,有较好的实效性。

(2)二神经元网络控制(NN C)。人工神经元网络(AN N)是模仿人脑神经活动的一种人工智能技术,结合A NN 一些样本,AN N 可以通过自学习掌握样本规律,在输入新的数据和状态信息时,可用AN N 进行自动推理和控制,这是神经元网络控制的基本原理。

(3)专家控制(EC)。专家控制技术是一种基于专家知识,依靠专家的经验,推理被控对象进行控制的技术。专家控制器由知识库、推理机、控制器三部分组成。表达及应用专家知识,是专家控制系统应用的关键,对专家控制系统来说,知识库应具备的知识有工程经验,控制理论知识。使用规则知识,自学习知识,特殊问题处理知识等。推理机是一个知识控制软件模块,它根据系统当前的运行状态,选择一条事实,在知识库中搜索可用规则,若这条事实规则相匹配,则执行该规则,对系统进行控制。

(4)先进控制方法(ACP )。目前常用的先进控制方法有模型预测控制和自整定控制等。!模型预测控制(M PC)。M PC 的基本原理是利用一个过程动态模型和可测量信息,预测将来的过程行为,并使预测的过程响应与设计的过程响应差别最小。M PC 使用的模型是基于系统脉冲或阶跃响应的非参数化模型,这比参数模型易于求得,由于在线控制计算由解决每一采样时刻的一个线性二次设计问题组成,因此由模型偏差、失真或扰动引起的不确定动态可以得到补偿。M PC 的另一优点是它能处理有不等式约束情况的过程变量,传感器或调节器失效时可以通过改变相应的不等式约束来解决。∀自整定控制。自整定控制器能适应过程特性,整定出较理想的PID 参数值,保证工艺参数的自调精确度,目前已商品化的自整定控制器主要采用临界振荡法。其自整定工作过程是这样的,当控制器设置A utoT uning 为O N 时,控制器启动自整定,Ban Bang 控制开始起作用,使被控对象产生类似正弦波的等幅振荡,并且振荡幅度控制在设定值上下波动允许范围内,从所得到的振荡曲线中计算出临界振荡周期T c 和临界增益KC,再用Ziegler Nichols 公式求出一组较佳的PID 参数,然后把这组参数值送至PID 块,当控制器设置Aut oT uning 为OFF 时,自整定

结束,控制器投入正常运行。智能控制和先进控制方

法较适合解决氧化铝生产中常规控制技术难以解决的控制问题,已在部分工厂的熟料烧成等工序得到应用,取得了一定成效,将用于解决熟料窑温度控制、种分粒度控制、磨机负荷控制等难题。

五、实现管控一体化是氧化铝生产过程自动化发展的必然趋势

先进的控制设备、控制技术的出现及不断完善为氧化铝生产的自动化提供了坚实的基础。由于国内氧化铝企业流程长,且各工序间相互关联,相互制约,在实现各车间、工段级的自动控制后,虽然可以提高各生产环节的工艺技术指标,但尚未对庞大、关联复杂的整个氧化铝生产过程全面协调和监控,应当利用先进的计算机及网络技术将氧化铝生产过程中的各个DCS 连接起来,建立全厂的生产过程数据通信网络,并在此基础上,改造原有的生产管理模式,建设氧化铝企业资源计划管理系统(ERP)与调度管理、物料管理、生产成本控制与管理、设备管理、质量管理等,把过程控制与生产管理结合起来,使氧化铝生产过程实现优化控制,最终达到优化运行和优化管理的目的。

按ERP/MES/PCS 信息集成框架,使氧化铝生产企业实现全厂综合自动化,向着销售自动化、经营管理自动化、生产过程自动化方向发展,实现的企业全面信息化,将彻底改变氧化铝生产的现状,增强我国氧化铝企业在国际上的竞争能力。

应注意的几个问题:

(1)认识问题:要认真总结过去的经验,采用符合国际标准的产品,吸取过去失败的教训,少走弯路,不要盲目追求先进,要讲求实效。

对自动化的认识要改变,应看到自动化仅是一种先进的工具和手段,应用它的目的是为了创造效益,而且更讲究以最少的投入获得最大的产出,自动化本身不能创造效益,它只能通过工艺来体现它的价值和效益,不要认为有了它工厂就会变得先进,甚至可弥补工艺流程和工艺设备的不足,从事自动化的人员更不应陷人为自动化而自动化和为先进而先进的境地。

(2)实现自动化应有一定的前提条件。自动化是为生产工艺服务的,工艺会对自动化有一定要求,反过来,自动化也会对工艺提出一些必要的条件,两者之间虽有主从之分,但必须相辅相成,协调配套。实施自动化,必须考虑工艺流程与工艺设备的可控性,原材料条件,企业的管理水平,操作人员的素质,维修水平等因素,否则难以成功。

(3)要培养一专多能的人才。不懂自动化的企业领导,很难提出对自动化改造的具体要求,也很难作出自动化改造方案的正确决定,作为企业自动化的骨干,如不熟悉工艺,也很难提出一个好的自动化改造方案,很难把钱用在刀刃上,充分发挥自动化设备的潜力,因此,一定要努力学习,做到一专多能。

过去我们由于在认识上存在偏差,花了不少钱,走了不少弯路,但有些问题总是解决得不好,应充分考虑上述几个因素,从选题、立项、方案确定、设计、设备选型到安装、投运、生产管理要统筹规划、统筹安排,否则,事倍功半。