设计与应用
王 珣，陈开斌，王莹玮，刘 彤，杜婷婷，尹大伟，曹宝玲
（中铝郑州有金属研究院有限公司，河南 郑州 ４５００４１）
摘 要：为实现铝电解大修渣无害化处置系统自动化、智能化操作，设计并应用本控制方案。本控制方案以ＤＣＳ为控制核心，采用工业以太网通讯方式采集破碎、球磨、反应、压滤、废气净化五个作业区的控制信息，在多个过程控制模块中计算，实现了检测、显示、控制、管理于一体。实时在线监测铝电解大修渣无害化处置工艺设备运行参数、运行状态、安全环保数据等，便于操作及管理人员及时掌握生产状况，实现了铝电解大修渣无害化处置线的稳定高效运行。该方案自动化程度高，人—机界面友好，保障了无害化处理过程安全平稳，实现了无害化渣符合国家Ｉ类固废排放标准的目标。 关键词：铝电解大修渣无害化处置；ＤＣＳ；以太网通讯；实时在线监测；Ｉ类固废排放标准
中图分类号：ＴＦ３５５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２０）２１－０００１－３
废气净化装置Design and Application of DCS Control System in the SPL Harmless Treatment
WANG Xun, CHEN Kai-bin, WANG Ying-wei, LIU Tong, DU Ting-ting, YIN Da-wei, CAO Bao-ling （Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｎｏｎ－ｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，ＣＨＡＬＣＯ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００４１，Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＳＰＬ ｈａｒｍｌｅｓｓ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ， ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ． ＤＣＳ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｒｅ ｉｎ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ， ａｎｄ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｃｏｌｌｅｃｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｖｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｒｅａｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｃｒｕｓｈｉｎｇ， ｂａｌｌ ｇｒｉｎｄｉｎｇ， ｒｅａｃｔｉｏｎ ， ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｗａｓｔｅ ｇａｓ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ， ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｉｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｕｌｅｓ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ， ｄｉｓｐｌａｙ， ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ． Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｏｎｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉ
ｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＳＰＬ ｈａｒｍｌｅｓｓ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ， ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ， ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ， ｅｔｃ．， ｔｏ ｆａｃｉｌｉｔａｔｅ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ ｔｏ ｇｒａｓｐ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｔａｔｕｓ ｉｎ ａ ｔｉｍｅｌｙ ｍａｎｎｅｒ， ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ ｏｖｅｒｈａｕｌ ｓｌａｇ ｈａｒｍｌｅｓｓ ｄｉｓｐｏｓａｌ ｌｉｎｅ． Ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｒｉｅｎｄｌｙ ｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ， ｗｈｉｃｈ ｅｎｓｕｒｅｓ ｔｈｅ ｓａｆｅ ａｎｄ ｓｔａｂｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｈａｒｍｌｅｓｓ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｔｈｅ ｇｏａｌ ｏｆ ｍｅｅｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｉ ｃｌａｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｓｏｌｉｄ ｗａｓｔｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｓｔａｎｄａｒｄ．
Keywords: ｔｈｅ ＳＰＬ Ｈａｒｍｌｅｓｓ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ； ＤＣＳ； ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ； ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｏｎｌｉｎ
ｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ； ｔｈｅ Ｉ ｃｌａｓｓ ｏｆ ｓｏｌｉｄ ｗａｓｔｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｓｔａｎｄａｒｄ
随着我国电解铝工业的迅猛发展，电解铝工业的环境污染问题已引起国家、行业和社会的高度关注。大修渣是电解铝生产过程中不可避免的固体废弃物，其中含有的主要毒性物质可溶氟化物和对土壤、水域和大气危害极大，已被列入《国家危险废物名录》。
“铝电解大修渣无害化处理技术开发及工业应用”项目团队成员经过持续研发和不断改进，成功探索出了一条有效解决电解铝大修渣环境问题的道路。
该处置系统以DCS为控制核心，采用工业以太网通讯方式采集破碎、球磨、反应、压滤、废气净化五个作业区的控制信息，在多个过程控制模块中计算，实现了检测、显示、控制、管理于一体。实时在线监测铝电解大修渣无害化处置工艺设备运行参数、运行状态、安全环保数据等，便于操作及管理人员及时掌握生产状况，实现了铝电解大修渣无害化处置线的稳定高效运行。
1 控制系统结构
处置线DCS监控系统设工程师站、操作站、历史站、控制站，并采取双网络冗余[1]，控制站采用双处理器，如图1所示，实现系统控制运算核心部分冗余配置，自动切换，确保运行稳定可靠。
架构从上至下由管理网（MNET）、系统网（SNET）、控制网（CNET）三层构成。分布在生产现场的传感器、变送器和执行器等将信号变送给控制站，并执行控制站发送的命令，控制现场设备有序安全工作，现场设备及仪表采样到的信号在操作电脑上实时显示。采用监视级、操作员级、工程师级3级权限分配[2]。
采集处置过程破碎、球磨、反应、压滤、废气净化五个作业区的检测数据、设备运行状态及控制信息，采用工业以太网及PROFIBUS-DP通讯将采集信息集中显示在操作主机上。
操作主机设过程监控、配料控制、工艺数据曲线、数据记录、报警显示及设备工作状态等画面，可直观、清晰地监控处置过程，便于操作及管理人员及时掌握生产状况。
收稿日期：２０２０－１０
作者简介：王珣，男，生于１９８６年，汉族，河南荥阳人，硕士研究生，高
级工程师，研究方向：自动控制工程及铝电解危废处置。
1
2
图1 处置线DCS 控制系统结构
废气净化装置相对独立且要求达到全自动无人值守，确
定西门子S7-300PLC 与触摸屏相结合的控制方案；采用PROFIBUS-DP 通讯将PLC 上的数据上传至DCS 系统进行统一监控[3]；出于安全考虑，要求操作人员在现场确认满足条件后再开启设备。
2 软件设计
MACS V6.5是和利时推出的最新一代的MACS 平台，该软件是工程师站组态的主要工具，由工程总控、图形编辑器、AutoThink 控制器算法组态三部分组成。系统组态流程如图2所示。2.1 系统控制方案
无害化处置系统的控制逻辑块分为以下几个：干法1、干法2、粉料添加、水添加、药剂A 添加、药剂B 添加、压滤系统、收尘系统、废气净化系统等。为保证处置效果，几种药剂添加数量的精准控制尤为重要。2.1.1 除氟过程耦合配比控制模型
除氟剂加入量记为：Y 1=f(X 1,X 2)；
其中：Y 1—除氟剂加入量；X 1—粉料量；X 2—可溶氟化物含量；
在处理过程中，不同物料的X 1、X 2也变化，记为
：
图2 系统组态流程
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[1] HOLLiAS MACS K 系列硬件手册V1.8 (Version6.5)[M].杭州：杭
州和利时自动化有限公司,2017,6.
[2] 韩祥波，刘战丽，刁培松，基于组态软件的供水监控系统[J]，自动化仪
表,2003,24(11):58-59.
[3] 陶明，丁旭，后建波，安全环保连锁技术在DCS 控制系统中的应用[J],
中国有冶金
,2016,4(2):41-44.
图3 处置线主监控画面
X 1=f(t)；X 2=f(t)；其中：t——时间；
因此，除氟剂加入量：Y 1=f(X 1,X 2,t)，表示在处理过程中，随着粉料量及可溶氟化物含量不同，加入的除氟剂也不同。
2.1.2 除氰过程耦合配比控制模型
除氰剂加入量记为：Y 2=f(X 1,X 3)；
其中：Y 2—除氰剂加入量；X 1—粉料量；X 3—可溶含量；
在处理过程中，不同物料的X 1、X 3也变化，记为：X 1=f(t)；X 3=f(t)；其中：t—时间；
因此，除氰剂加入量：Y 2=f(X 1,X 3,t)，表示在处理过程中，随着粉料量及可溶含量不同，加入的除氰剂也不同。
2.1.3 调节过程耦合配比控制模型
调节剂加入量记为：Y 3=K 1 Y 1+K 2Y 2；
其中：K 1—除氟剂对酸碱性影响的权重系数；K 2—除氰剂对酸碱性影响的权重系数。2.2 废气净化装置控制方案
废气净化装置PLC 系统选用CPU315-2PN/DP，该CPU 组合PROFIBUS-DP 主/从接口，该接口可用作PROFIBUS-DP 通讯，在废气净化装置控制系统中该接口用作从站。设置该接口类型为PPROFIBUS，地址为45，必须与DCS 上设置的从站地址保持一致，操作模式设置为DP 从站；从站要与DCS 主站通讯，必须设置类型和大小一致的传输区域。
3 控制系统界面设计
控制系统将自主研发的大修渣无害化处理技术有效转化为多个过程控制模块，集成在控制策略中。控制系统显示所有控制设备状态信息，并记录、显示设备工作状态，当设备故障、检测数据错误、超限，立即报警，提示操作人员关注、处理。
通过人—机交互画面进行配料控制，依据每个控制模块策略，自动计算、控制原料及药剂添加量，实现精准控制，确保无害化渣达标排放。
控制系统储存每次无害化处理过程中的技术数据，并以曲线形式显示主要工艺数据，具有数据查询功能，为无害化处理过程数据分析，技术持续优化提供基础，主控制画面如图3所示。
4 控制效果
针对生产工艺特点，从控制参数、控制点、安全控制原理，采用的逻辑控制单元、检测变送单元等方
面综合考虑，采用先进自动控制策略对设备实施连锁控制，可预先对重要的工艺控制参数进行预调整控制，预先报警提示，必要时紧急连锁停车，紧急停止相关生产工序，保证安全生产，避免发生人身、设备、环保事故，确保处置线长期、安全、稳定运行。
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