1 引言
開曼鋁業(yè)位于陜西省陜縣境內(nèi)，是三門峽建市以來投資最大的工業(yè)項(xiàng)目，占地面積一平方公里，鋁土礦取自本地。采用國際先進(jìn)的拜耳法生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)年產(chǎn)氧化鋁120萬噸。
開曼鋁業(yè)（三門峽）在初期的方案設(shè)計(jì)敲定后即開始系統(tǒng)、品牌的招標(biāo)，在國內(nèi)、外多家系統(tǒng)廠商激烈競(jìng)標(biāo)的情況下，羅克韋爾自動(dòng)化的集成過程控制系統(tǒng)脫穎而出，博得專家評(píng)委的一致青睞，最終中標(biāo)。
集成過程控制系統(tǒng)以羅克韋爾自動(dòng)化的集成架構(gòu)為核心，是一套全面集成的過程控制解決方案。集成架構(gòu)作為一種技術(shù)框架,將車間現(xiàn)場(chǎng)不同的應(yīng)用項(xiàng)目通過統(tǒng)一的控制、可視化和通信平臺(tái)集成在一起。這樣一來，所有的數(shù)據(jù)都能夠在整個(gè)企業(yè)內(nèi)進(jìn)行無逢的傳遞。這正是現(xiàn)代化鋁廠真正需要的東西。
整個(gè)工程分為一期、二期和二期擴(kuò)建三個(gè)項(xiàng)目。一期工程于2005年12月26日順利投產(chǎn)；二期工程于2006年9月29日出料，二期擴(kuò)建工程于2007年1月底建成投產(chǎn)。至此，開曼鋁業(yè)達(dá)到年產(chǎn)氧化鋁120萬噸的生產(chǎn)能力，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，羅克韋爾自動(dòng)化集成過程控制系統(tǒng)在國內(nèi)氧化鋁行業(yè)首次大規(guī)模應(yīng)用獲得成功。
2 氧化鋁生產(chǎn)過程的特點(diǎn)和控制要求
2．1 氧化鋁生產(chǎn)過程簡(jiǎn)介
氧化鋁是一種兩性氧化物，能溶解于酸中也能溶解于堿溶液中。因此，由礦石中提取氧化鋁的方法分為酸法和堿法。開曼鋁業(yè)采用拜耳法堿法生產(chǎn)工藝。
拜耳法的基本原理有兩條：
（1）用NaOH溶液溶出鋁土礦所得到的鋁酸鈉溶液，在添加晶種不斷攪拌和逐漸降溫的條件下，溶液中的氧化鋁便呈AI(OH)3析出；
（2）分解得到的母液（主要含NaOH），經(jīng)蒸發(fā)濃縮后在高溫下用來溶出新的一批鋁土礦。
交替使用這兩個(gè)過程，就能夠連續(xù)地處理鋁土礦，從中不斷析出純的AI(OH)3產(chǎn)品，構(gòu)成所謂的拜爾法循環(huán)。
拜耳法的實(shí)質(zhì)就是使如下反應(yīng)在不同條件下朝不同的方向交替進(jìn)行：
2．2氧化鋁生產(chǎn)對(duì)自控系統(tǒng)的要求
氧化鋁生產(chǎn)的多工序性，工序之間的互相制約性，要求控制系統(tǒng)必須長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。被控量既有溫度、壓力、流量、液位、密度等物理量，又有NT、A/S（硅鋁比）、αK（濃度）、AI2O3等化學(xué)量，對(duì)自控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、安全性等方面提出了極高的要求。
3 集成過程控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
3．1 慨述
集成過程控制系統(tǒng)是一個(gè)分布式控制系統(tǒng)。
系統(tǒng)下設(shè)原料磨、石灰消化、溶出、沉降、種子過濾、蒸發(fā)、成品過濾、焙燒八個(gè)過程控制子系統(tǒng)（車間），每個(gè)車間均有一臺(tái)工程師站EWS和2-3臺(tái)操作員站OPS。車間內(nèi)部工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理等信息的傳輸由ControlNet控制網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)氧化鋁廠的主要生產(chǎn)操作由這八套子系統(tǒng)完成。
集成過程控制系統(tǒng)的信息層采用EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng) DP網(wǎng)橋，12MBDP-BRIDGE/12MB ，通過以太網(wǎng)將上述八個(gè)車間的信息傳送到全廠生產(chǎn)信息調(diào)度中心，該中心設(shè)有兩臺(tái)服務(wù)器SERVER1、SERVER2和兩臺(tái)操作站OPS1、OPS2，對(duì)全廠生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、控制和管理。
整個(gè)控制系統(tǒng)共配置有35個(gè)CPU模塊，650多個(gè)I/O模塊，100多個(gè)通信模塊，這些模塊分別安裝在近90個(gè)機(jī)架上。用于控制4000多點(diǎn)模擬量和9000多點(diǎn)開關(guān) 緊急停止開關(guān)HW 量，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟姟?br />
3．2冗余技術(shù)是集成過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)
這個(gè)由13000多個(gè)控制點(diǎn)構(gòu)成的龐大的自動(dòng)控制工程，如果因故障停止運(yùn)行，每天經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)100多萬元人民幣，如何保證氧化鋁生產(chǎn)長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，決不是一句套話，一句口頭禪，而是擺在每一個(gè)設(shè)計(jì)、調(diào)試人員面前必須解決的基本課題。
具體而言，我們需要找到下述五種故障的解決途徑：
第1種故障：CPU故障；
第2種故障：控制層網(wǎng)絡(luò)故障；
第3種故障：信息層網(wǎng)絡(luò)故障；
第4種故障：主機(jī)硬件故障；
第5種故障：軟件故障。
我們雖然知道：1756/1757系統(tǒng)硬件模塊的平均無故障時(shí)間（MTBF）在150萬小時(shí)左右，并且獲得了TUV的SIL2的認(rèn)證。以每天24小時(shí)，每年365天計(jì)算，模塊在171年內(nèi)將不會(huì)失效。但實(shí)際上，影響系統(tǒng)有效性的因素遠(yuǎn)不只模塊本身，更重要的是如何用上千個(gè)模塊構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定合理的系統(tǒng)。就象鋼鐵，可以造就萬噸巨輪遠(yuǎn)航四海，也可能變?yōu)槌翜S海底的一堆銹鐵一樣。
羅克韋爾自動(dòng)化集成過程控制系統(tǒng)的冗余技術(shù)合理地解決了這些問題。
所謂“冗余”，是指“一個(gè)具有相同設(shè)備功能的備用系統(tǒng)”，當(dāng)主設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，冗余設(shè)備是可以立即使用的替代設(shè)備。
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
兩個(gè)互為冗余的控制站配置必須完全相同（中的主/從機(jī)架），冗余功能是依靠冗余模塊1757-SRM實(shí)現(xiàn)。當(dāng)主控制器失效時(shí)，從控制器在100ms內(nèi)接替主控制器，主從控制器的同步對(duì)用戶來說是完全透明的，冗余模塊之間通過冗余的光纜連接。
冗余功能的主要特性如下：
※ 同步透明性：控制器的同步不會(huì)引起任何可能的控制中斷。
※切換透明性：主從控制器切換時(shí)，除了觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警或事件，不會(huì)對(duì)操作產(chǎn)生其他的影響，切換的時(shí)間可以忽略。
※可靠的存儲(chǔ)：當(dāng)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，只有主機(jī)架和從機(jī)架都收到相同的信息時(shí)，系統(tǒng)才確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸成功。
※切換時(shí)數(shù)據(jù)連貫性：進(jìn)行冗余切換時(shí)，輸出保持不變，保證過程不發(fā)生擾動(dòng)。
※完全不要用戶編程。
3.3.2電源冗余
所示，每一個(gè)I/O遠(yuǎn)程機(jī)架配置一組1756-PAR2冗余電源（每組冗余電源由兩個(gè)1756-PA75R電源模塊，兩根1756-CPR電纜和一個(gè)1756-PSCA適配器構(gòu)成）。它們分別由兩路不同的系統(tǒng)供電，當(dāng)任一路供電系統(tǒng)故障時(shí)，另一路仍保持供電，因此可以確保I/O機(jī)架供電不間斷。
3.4 控制層網(wǎng)絡(luò)冗余
中1756-CNBR是ControlNet通信模塊，它有兩個(gè)冗余的網(wǎng)絡(luò)通道：A口和B口，使控制信息實(shí)現(xiàn)冗余。傳送速率達(dá)5Mbps,傳送介質(zhì)是75Ω阻抗的1786-RG6同軸電纜，通過BNC連接器 GTY引進(jìn)銅連接管GTY-4 與ControlNet總線相連。
3.5 信息層網(wǎng)絡(luò)冗余
信息層網(wǎng)絡(luò)故障借助交換機(jī)冗余和雙光纖環(huán)網(wǎng)兩個(gè)途徑解決。
3.5.1交換機(jī)冗余
每個(gè)車間的現(xiàn)場(chǎng)信息，是通過兩個(gè)冗余以太網(wǎng)交換機(jī)獲取，例溶出車間，左邊的交換機(jī)接收來自一期、二期和二期擴(kuò)建主機(jī)架上的1756-ENBT模塊信息，右邊的交換機(jī)接收來自一期、二期和二期擴(kuò)建副機(jī)架上的1756-ENBT模塊信息，這樣做的好處是現(xiàn)場(chǎng)信息具有冗余功能。
3.5.2雙光纖環(huán)網(wǎng)
全廠設(shè)有兩條100m光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)。
(1)環(huán)網(wǎng)1
設(shè)有9個(gè)以太網(wǎng)光纖交換機(jī)，用于原料磨、石灰消化、溶出、沉降、分解、蒸發(fā)、成品和焙燒等8個(gè)車間的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和冗余服務(wù)器（ServerS、erver2）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
(2)環(huán)網(wǎng)2
設(shè)有7個(gè)以太網(wǎng)光纖交換機(jī)，并在原料磨、溶出、沉降、分解、蒸發(fā)和焙燒等6個(gè)主要車間各設(shè)一臺(tái)操作員站OPS3，可以監(jiān)視全廠其他車間的運(yùn)行情況（只看不控）。
環(huán)網(wǎng)1和環(huán)網(wǎng)2是兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，他們之間只有一個(gè)通信通道，即信息只有通過服務(wù)器才可以進(jìn)行交換。
服務(wù)器采用雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，下層以太網(wǎng)（環(huán)網(wǎng)1）直接接處理器，上層以太網(wǎng)（環(huán)網(wǎng)2）接操作站，上、下二層網(wǎng)絡(luò)只能通過冗余服務(wù)器才能進(jìn)行通信，互不影響，上層網(wǎng)故障不影響下層網(wǎng)正常工作。
需要說明的是：光纖以太網(wǎng)交換機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能起到十分重要的作用，本系統(tǒng)選用ED6008-MM-SC型光纖交換機(jī)，該交換機(jī)可進(jìn)行流量設(shè)置，也可對(duì)端口進(jìn)行控制，交換機(jī)的電源具有冗余功能，故障恢復(fù)時(shí)間小于300mS，可以有效的防止網(wǎng)絡(luò)堵塞。
3.6服務(wù)器冗余
采用主/從服務(wù)器結(jié)構(gòu)。當(dāng)主服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，從服務(wù)器自動(dòng)轉(zhuǎn)為主服務(wù)器，提供與控制器/RTU的通信、數(shù)據(jù)采集等功能，并為其他操作站提供服務(wù)。主服務(wù)器定時(shí)將數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)信息傳送到從服務(wù)器，以確保主/從服務(wù)器之間的完全同步。
3.7其他可靠性措施（）
開關(guān)量輸入隔離
(1)信號(hào)隔離
開關(guān)量輸入/輸出經(jīng)過繼電器 繼電器座-TP-28X 隔離；模擬量輸入/輸出經(jīng)過模擬量隔離器隔離
(2)繼電器一次回路、二次回路、模擬量隔離器由三路獨(dú)立的冗余直流電源 WYJ 0-60V/5A 單路 (可調(diào))數(shù)顯 供電
(3)工程師站、操作員站和服務(wù)器均由UPS不間斷電源 UPS MT系列 供電.
4 集成過程控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)主要包括兩大部分：控制程序設(shè)計(jì)和監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)。軟件編制是在工程師站完成的，在這里進(jìn)行集成過程控制系統(tǒng)的①編制程序②組態(tài)網(wǎng)絡(luò)③開發(fā)操作界面。為此，在工程師站（操作系統(tǒng)為Windows2000 SP4）安裝了下列軟件：
(1)RSLinx Classic Gateway：通信功能
(2)RSLogix5000：編程功能
(3)RSNet Worx for ControlNet：網(wǎng)絡(luò)配置
(4)RSV Studio for RSV Enterprise：操作員界面開發(fā).
羅克韋爾自動(dòng)化的集成架構(gòu)主要由Logix控制平臺(tái)、NetLinx通信網(wǎng)絡(luò)、ViewAnyWare人機(jī)界面 Smart PC BoxMPCSN01NDJ00H 和FactoryTalk企業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換技術(shù)構(gòu)成。本文以鋁廠生產(chǎn)流程中最重要的環(huán)節(jié)-高壓溶出車間（一期）為例，說明集成架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。
4.1 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)
一期控制系統(tǒng)由兩個(gè)冗余機(jī)架和五個(gè)遠(yuǎn)程I/O機(jī)架組成，首先用RSNet Worx for ControlNet軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，為了避免網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過重，將遠(yuǎn)程機(jī)架分成兩組（相應(yīng)地在兩個(gè)冗余機(jī)架上各插有2塊1756-CNBR/D模塊），組態(tài)后獲得。
經(jīng)組態(tài)后，機(jī)架上的任一點(diǎn)的信息，利用ControlNet特有的“生產(chǎn)者/消費(fèi)者&r
