摘要：結合國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司年產(chǎn)120萬(wàn)噸鉀肥項目，介紹大型鉀肥生產(chǎn)控制系統的構成和功能；以美國羅克韋爾自動(dòng)化的產(chǎn)品為例，按照系統的層級網(wǎng)絡(luò )架構并結合工藝流程介紹具體實(shí)施方案。

   關(guān)鍵詞：鉀肥；控制系統；網(wǎng)絡(luò )架構

   1引言

  國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司年產(chǎn)120萬(wàn)噸鉀肥項目是國家“十一五”發(fā)展規劃項目之一。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程包括原礦的采集、原礦的輸送和由原礦加工成產(chǎn)品的過(guò)程。原礦的采集是通過(guò)多條水采機組在鹽田中不斷的采掘，并將采掘到的礦料經(jīng)浮管送至碼頭增壓泵站；原礦的輸送就是將由水采機組采集到的原礦通過(guò)增壓泵站輸送到加工廠(chǎng)；加工廠(chǎng)將源源不斷的原礦經(jīng)過(guò)過(guò)濾、結晶，并加入化學(xué)藥劑，經(jīng)過(guò)物理化學(xué)過(guò)程生產(chǎn)出成品硫酸鉀。加工廠(chǎng)工藝流程如圖1所示：

                 
                                 圖1 加工廠(chǎng)工藝流程示意圖

  該項目的控制系統由北京金自天正智能控制股份有限公司承擔，已于2008年10月投產(chǎn)。

  2 系統構成

  2.1 原礦采集、輸送控制系統

  原料采集、輸送控制系統包括6個(gè)采收控制子系統，每一個(gè)采收控制子系統由1個(gè)碼頭泵站及4套水采機、錨機構成。6個(gè)碼頭泵站之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)組成星型網(wǎng)絡(luò )，每個(gè)碼頭與4套水采機、錨機通過(guò)無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)通訊。碼頭泵站、水采機、錨機均選用美國Rockwell公司SLC500系列可編程控制器（PLC），選用具有devicenet網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)功能的MCC智能馬達控制單元。每條水采機配有操作員站，通過(guò)計算機監控原料采收和輸送。該系統能夠自動(dòng)完成原料的采收、輸送控制過(guò)程，其核心技術(shù)在于：水采機、錨機的自動(dòng)導航行走和采收；碼頭泵站的自動(dòng)調速控制；安全可靠的數據通信。具體方案如下：

  采用SLC500（處理器1747-L552）系列,E3_Plus智能馬達控制單元、Powerflex700H系列變頻器。

  采用具有管理功能的工業(yè)以太網(wǎng)交換機，通過(guò)單模光纜實(shí)現遠距離信息傳輸，優(yōu)化通信數據以減輕網(wǎng)絡(luò )通信壓力。
通過(guò)GPS定位系統完成水采機、錨機的導航控制。包括兩部分：岸基站和移動(dòng)站。岸基站設備：Novatel Propak-V3 GPS接收機及GPS數據鏈無(wú)線(xiàn)電臺PDL。 移動(dòng)站：使用Trimble SPS550和SPS550H接收機，雙天線(xiàn)姿態(tài)控制，并通過(guò)GPS無(wú)線(xiàn)電臺EDL獲取基站信息，產(chǎn)生一個(gè)RTK差分信號，從而獲取高精度的坐標值。SPS550和SPS550H也經(jīng)過(guò)差分，得到一個(gè)角度信號，即船的姿態(tài)信號。

  2.2 加工廠(chǎng)控制系統

  加工廠(chǎng)控制系統由脫鹵、磨礦分解、軟鉀尾礦、氯化鉀尾礦、氯化鉀、軟鉀、主廠(chǎng)房中控室、洗滌混鉀、結晶離心、干燥、產(chǎn)品儲運11個(gè)子系統構成。每個(gè)子系統由獨立的PLC控制站和具有devicenet網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)功能的MCC智能馬達控制單元組成。該系統監控部分由兩臺冗余的服務(wù)器及16臺操作員站、1臺工程師站組成。采用EtherNET/IP通訊協(xié)議和冗余光纖環(huán)網(wǎng)、以太網(wǎng)交換機將各PLC的控制站、操作員站、工程師站、服務(wù)器、打印機等連接起來(lái)，實(shí)現了全廠(chǎng)工藝參數在加工廠(chǎng)中央控制室集中顯示、監控、越限報警、報表打印。加工廠(chǎng)控制系統結構如圖2所示。

                    
                                        圖2 加工廠(chǎng)系統結構圖

  具體實(shí)施方案如下：

  2.2.1 PLC及監控軟件

  加工廠(chǎng)控制系統選用美國Rockwell公司的ControlLogix控制平臺，與傳統的PLC相比，ControlLogix具有更高的性?xún)r(jià)比?？梢詫?shí)現順序控制、過(guò)程控制、運動(dòng)控制的任意組合控制。支持靈活的網(wǎng)絡(luò )結構，無(wú)需任何編程或者處理器干預，即可實(shí)現不同網(wǎng)絡(luò )之間的通訊橋接和數據交換。

   采用美國Rockwell公司的RSView SE（服務(wù)器+客戶(hù)機版）的監控軟件,作為組建冗余服務(wù)器與操作員客戶(hù)機的軟件支持。它具有多服務(wù)器集群和多客戶(hù)端的分布式結構。應用組態(tài)存在于RSView SE服務(wù)器當中，而客戶(hù)端可以任意的調用顯示各服務(wù)器中的應用，組成集成的一體化的監控方案。在主服務(wù)器出現故障時(shí)，從服務(wù)器自動(dòng)成為主服務(wù)器，保證系統的可靠運行。

   2.2.2 MCC智能馬達控制中心

  車(chē)間設備級控制采用DeviceNet 現場(chǎng)總線(xiàn)。Devicenet是一種低成本的通訊總線(xiàn)。通過(guò)DeviceNet總線(xiàn)將智能電動(dòng)機保護器、智能電動(dòng)機控制器、交流變頻器、PLC及電力監控模塊等連接起來(lái)，實(shí)現了所有設備的網(wǎng)絡(luò )控制與監控。從而消除了昂貴的硬接線(xiàn)成本，同時(shí)提供了相當重要的設備級診斷功能。 

  整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的智能馬達控制中心MCC全部采用美國Rockwell公司的IntelliCENTER智能產(chǎn)品。其特點(diǎn)是內置開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )DeviceNet接口。本系統所設計的MCC主要包括以下幾個(gè)主要單元。

  （1）E3 Plus智能固態(tài)過(guò)載熱繼電器

  一種基于微處理器的多功能固態(tài)過(guò)載繼電器，E3 Plus智能固態(tài)過(guò)載繼電器是基于DeviceNet的產(chǎn)品。它通過(guò)DeviceNet可以把電機電流、電壓等數據快速傳給PLC，達到電壓電流的實(shí)時(shí)監控。它的遠程參數診斷、保護和報警等功能非常豐富，對電機缺相、接地、失速、堵轉、過(guò)熱等故障都設置處理方式，并把具體的故障傳給PLC，極大的方便了維修人員判斷問(wèn)題，提高了生產(chǎn)效率。因為鉀肥生產(chǎn)流程比較復雜，電機等設備很多，使用E3 Plus大大減少了MCC柜和PLC控制柜間的電纜數量，也減少了因為電纜引起的故障點(diǎn)，為安全生產(chǎn)提供保障。

  （2）SMC-Flex軟啟動(dòng)器

  集成了I/O和先進(jìn)的診斷和保護功能，它具有保護和診斷功能、電源檢測功能、遠程參數診斷功能，它通過(guò)DeviceNet通訊卡20-COMM-D連接到DeviceNet網(wǎng)絡(luò )上。

  （3）Powerflex700變頻器

  PowerFlex700提供了一系列強大的編程參數，并可通過(guò)DeviceNet實(shí)現網(wǎng)絡(luò )控制。通過(guò)編程可以遠程監控設備的運行狀態(tài)及故障報警信息。

  2.2.3 系統網(wǎng)絡(luò )架構

  整個(gè)控制系統基于三級網(wǎng)絡(luò )層：信息層、控制層以及設備層，各層網(wǎng)絡(luò )功能明晰，可方便地將設備層的數據、控制層的狀態(tài)信息無(wú)縫集成到信息層數據庫中。

   (1) 信息層。采用EtherNet(以太網(wǎng))結構將各PLC控制站、服務(wù)器、操作員站、工程師站連接起來(lái)。通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行全廠(chǎng)控制系統的數據采集、監控、統計、設備維護管理，系統管理員可在這層網(wǎng)絡(luò )上對控制器中的程序進(jìn)行修改。

   (2) 控制層。采用ControlNet(控制網(wǎng))結構將PLC與它所控制的I/O模板連接起來(lái)。

   (3) 設備層。采用DeviceNet(設備網(wǎng))結構將PLC與智能馬達控制中心MCC連接起來(lái)。在中控室即可配置、監控底層設備。這種連接無(wú)需通過(guò)I/O模塊，即可方便快速地實(shí)現與工業(yè)現場(chǎng)大量設備的高速數據采集。

   3系統主要控制功能

   3.1 原礦采集系統

   水采機是原礦采集系統最主要的設備，是整個(gè)工藝生產(chǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。水采機在采收過(guò)程中航道的劃分，按設定航道及航角進(jìn)行采收以及自動(dòng)切換航道都是通過(guò)在操作員站設定及在PLC中進(jìn)行編程實(shí)現的。具體的實(shí)現方法是：操作人員根據工藝要求，在操作員站監控畫(huà)面中輸入需要采收航道的編號及寬度，根據航道編號和寬度計算出水采機采收時(shí)設定航道的位置，然后與通過(guò)GPS實(shí)時(shí)監測到水采機航線(xiàn)位置進(jìn)行比較，當實(shí)際航線(xiàn)位置與設定航線(xiàn)位置偏差大于70m時(shí)，通過(guò)調整水采機轉向油缸的方向將前后行走履帶調整為與設定航線(xiàn)垂直的狀態(tài)，以最大的偏角切入新航道，當偏差小于70m時(shí),根據距離偏差計算出轉向油缸的轉向方向及轉向值，從而調整前后行走履帶的行走狀態(tài)。當偏差小于0.3m時(shí)，水采機進(jìn)入微調區，即行走方向的履帶根據距離偏差計算出的轉向值調整轉向，使履帶回歸到中心位置。當距離偏差小于0.08m時(shí)，前后行走履帶均回歸中心點(diǎn)，采船進(jìn)入設定航線(xiàn)，進(jìn)行直線(xiàn)采收行走。

   3.2 濃密機系統

   濃密機系統的功能是對礦漿進(jìn)行濃縮和轉送控制。

  3.2.1濃密機底流泵控制

  濃密機對料液進(jìn)行濃縮，其濃縮濃度由料液在濃密機內的沉積時(shí)間決定。改變濃密機底流流量，即改變了料液在濃密機內的沉積時(shí)間，從而控制料液的底流濃度。 濃密機底流濃度是通過(guò)控制濃密機底流泵的轉速來(lái)調節底流流量，從而達到控制底流濃度的目的。

   3.2.2濃密機耙子控制

   耙子在濃密機內轉動(dòng)，使物料均勻并保持流動(dòng)。耙架可以上下移動(dòng)調整耙子的縱向位置。

  耙子的電流需要控制在一定的范圍以?xún)?。如果電流低需要降低耙架，若耙子電流過(guò)大未能升高耙架則會(huì )造成壓耙事故導致停產(chǎn)，故耙架控制十分重要，需要根據電流變化提前測算可能的壓耙概率，及時(shí)做出控制調整。

   3.3 浮選系統

   浮選系統也是整個(gè)工藝生產(chǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。浮選系統通過(guò)加入浮選藥劑，使料漿中NaCl濃度顯著(zhù)降低。

    浮選槽液位控制是浮選系統的關(guān)鍵，控制分為手動(dòng)方式和自動(dòng)方式。浮選槽液位由于受浮選機的作用波動(dòng)較大，所以液位計的輸出信號也隨之波動(dòng)。選擇合適的液位檢測設備并采用移動(dòng)平滑數字濾波方法效果很好，保證了自動(dòng)控制液位穩定。

  3.4 結晶系統

  結晶也是整個(gè)工藝生產(chǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)之一，也是最難控制的部分。采用控制系統計算出的礦水比和實(shí)測結晶器溢流母液的波美度相結合的辦法進(jìn)行控速分解和控速結晶，得到硫酸鉀料漿打到高位槽，進(jìn)入離心機進(jìn)行脫水分離，濾餅水份小于8%；分離后的濾餅經(jīng)皮帶送到干燥系統。

  3.5 離心系統

   離心系統的功能主要是去除殘留的鈉鹽，調節產(chǎn)品的純度和甩干產(chǎn)品中的水分。

  4結語(yǔ)

   國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司年產(chǎn)120萬(wàn)噸鉀肥項目已于2008年10月成功投產(chǎn)，該項目引入了水采機GPS導航控制、ControlLogix控制平臺、RSView SE管理級的監控軟件、智能MCC、多介質(zhì)多層次網(wǎng)絡(luò )架構等先進(jìn)控制技術(shù)和設備，提高了整體作業(yè)線(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，減少了故障和停機時(shí)間，使控制系統運行穩定、可靠。  

   摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第十期