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1、电解铝烟气净化控制系统摘 要在电解铝生产过程中会产生大量有害烟气，弥漫在电解车间内部的电解烟气使劳动条件恶化，影响生产工人的身体健康。电解烟气扩散到厂区周围，会对大气环境造成经常性污染。因此，必须对电解烟气进行治理，这样既可保护环境，又可回收氟化盐和Al2O3，降低生产成本。本文设计了以S7-300系列PLC为控制器的烟气净化控制系统。本着环保节能的思路，该系统按工艺流程，针对布袋除尘器出入口压差、烟气出口压力、新鲜和载氟氧化铝料位的检测与控制进行设计，以减少烟气对大气环境的污染，提高回收效益，改善铝电解生产车间的工作环境。关键词：电解铝；烟气净化；PLC控制 Electrolytic con
2、trol flue gas purification systemAbstractA large amount of harmful gas will emit In electrolytic aluminum production process. the flue gas which filled in the electrolysis electrolysis workshop deteriorate the working conditions, affect the health of production workers. Electrolysis gas spread to th
3、e surrounding of plant, the pollution of the atmospheric environment was caused by recurrent. Therefore, it is necessary to carry out treatment of electrolytic gas, so that it can protect the environment, but also recyclable fluoride salt and Al2O3, lower production costs. In this paper,we design a
4、control system of flue gas purification,which uses a S7-300 series PLC as the controller. Based on the idea of environmental protection and energy saving, according to process of the system, for the bag filter pressure, outlet pressure and fresh gas containing aluminum fluoride level of detection to
5、 control and design, in order to reduce the flue gas of the atmospheric pollution of the environment and improve the recovery efficiency, to improve the the work environment of the electrolytic production. Key words: aluminum; flue gas purification; PLC control目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 系统设计背景11.1
6、.1 课题来源11.1.2 研究的目的和意义11.2 国内外研究现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状3第二章 电解铝烟气净化系统62.1 电解铝生产的工艺特点62.2 净化工艺流程72.3 净化系统组成92.3.1 文丘里反应器92.3.2 脉冲袋式除尘器92.3.3 气力提升机102.3.4 风动溜槽112.4 净化控制技术综述112.4.1 自动控制方式选择112.4.2 净化方式选择15第三章 系统设计173.1 系统控制原理及目标173.1.1 控制原理173.1.2 控制目标193.2 压力检测193.3 物位检测203.4 温度检测21第四章 硬件设计234.1
7、 PLC选型234.1.1 SIMATIC S7300 PLC简介234.1.2 S7300的组成部件244.2 模块选择254.2.1 CPU模块254.2.2 数字量输入模块264.2.3 模拟量输入模块264.2.4 数字量输出模块274.2.5 电源模块274.2.6 通信模块284.3 执行器294.3.1 执行器简介294.3.2 执行器选型29第五章 软件设计315.1 STEP 7论述315.1.1 STEP 7简介315.1.2 STEP 7的功能325.2 PLC的I/O地址分配335.3 系统程序流程图345.4 软件编程405.4.1 项目创建405.4.2 硬件组态4
8、15.4.3 定义符号表425.4.4 编程界面43结束语44参考文献45附录47致谢64 第一章 引 言本章首先从课题来源、研究目的以及研究意义等三方面阐明系统设计的背景，然后对国内外烟气净化控制系统的研究现状进行分析。1.1 系统设计背景近十几年来，我国的铝冶炼工业迅速发展，为国民经济的增长做出了重要贡献。但在电解铝生产过程中，会产生大量有害烟气，这种气体严重危害人类的健康，破坏生态环境。由于受经济利益的驱动，扩大产量和降低能耗方面的研究成果较多，环保领域的研究工作尚待深入进行。目前，环境问题越来越受到各国的关注，环境控制是铝电解生产中必须解决的问题。本文以电解铝烟气净化控制为研究内容，通
9、过建立烟气净化控制系统，解决铝电解生产过程中的环境污染问题，从而实现低污染甚至无污染的生产。1.1.1 课题来源本课题“电解铝烟气净化控制系统”，其控制对象是电解铝烟气干法净化系统。目的是减少烟气对大气环境的污染，提高回收效益，改善电解铝生产车间的工作环境。1.1.2 研究的目的和意义环境的持续恶化，正逐步制约着经济的持续发展和人民生活的不断提高，环境保护的迫切性在逐渐增强。伴随铝电解产生的烟气含有大量的粉尘和有毒有害气体。粉尘如：氧化铝、炭粒和冰晶石等；气体如：氟化氢（HF）及阳极效应生成的 CF4与 C2F6等。这些气体，弥漫在电解车间，恶化劳动生产条件，严重影响生产工人的身体健康；若不经
10、过净化处理排放到大气中，则会造成气候变暖，特别是 CF4/C2F6使全球变暖趋势，分别是CO2的6500/9200 倍，严重地影响我们的生存环境。对于固体悬浮物的回收与废气的处理，不同的电解铝厂所用的净化系统一般不同。有些工厂只是单纯地回收了有用的固体悬浮物，对产生的气体却无法处理。基于 PLC 控制（可编程序控制）的烟气净化自动控制系统，就是一种既可回收固体悬浮物又可有效处理废气的自动控制系统。若电解烟气不经收集净化而直接排放，将会对大气环境和周边土壤造成经常性污染，因此必须对电解烟气进行治理并回收氟化盐和氧化铝。1.2 国内外研究现状由于计算机、变频器和传感器等技术在净化控制系统中的应用，
11、美国、加拿大以及德国等几个少数发达国家的净化控制水平较高，其中美国处在国际领先水平。我国的铝冶炼工业在近几十年迅猛发展，但对净化控制技术的研究却相对滞后。下面将对国内外的铝电解烟气净化控制研究现状进行分析。1.2.1 国外研究现状自60年代计算机进入工业应用领域后，美国、加拿大、德国等产铝大国，纷纷将计算机控制技术应用到铝冶炼过程中，使铝冶炼企业从设计、建设、生产到指标优化等方面逐步取得了进展，特别是从二十世纪八十年代开始更是发展迅速。然而，铝电解烟气净化问题的研究还是相对滞后，如大型风机采取直接启动，风量无法调节。近几年，迫于强大的环境政策的压力，发达国家铝冶炼企业向两个方向发展，一方面是提
12、高烟气净化的控制技术和能力；另一方面，采取关闭本国的铝冶炼企业，将其技术设备输送给一些发展中国家，将污染转移，他们再从这些国家进口半成品，因此，对铝电解烟气净化控制方面的研究受到制约。以下就铝电解烟气净化问题对国际上几个知名铝厂进行介绍。(1)瑞典格拉吉斯(Granges)铝厂该厂目前有预焙和上插自焙两种电解槽，共有两个电解铝生产系列，一系列拥有预焙阳极电解槽56台，二系列拥有上插棒自焙阳极电解槽262台。预焙槽与自焙槽烟气由管道引出各自厂房外，再汇入统一管道混合，进入干法烟气净化装置。该系统中，在袋式除尘器前加有干式电除尘器，以预先除去粉尘和冷凝焦油，这样使干法净化回收的载氟氧化铝不含碳，其
13、他杂质含量也很低。该净化控制系统自动化程度比较先进，采用上位机对各运行参数进行监控，能及时反映各工艺部位的工作运行情况，但对设备的运行监控比较落后，有些设备得靠人工巡视。(2)美铝波特兰(Portland)铝厂波特兰电解铝厂共有2个电解铝生产系列，4个电解车间，每个车间拥有102台电解槽，共有408台电解槽。预焙槽烟气由管道引出各自厂房外，再汇入统一管道混合，进入干法烟气净化装置，最终尾气用海水喷淋，中和其中的SO2，效果良好。该净化控制系统自动化程度在国际上领先，采用上位机对各运行参数和设备运转情况进行监控，能及时反映各工艺部位的工作运行情况和设备运转状况，且能通过监控室实现对参数的调整。(
14、3)美国波音电解铝有限公司波音铝电解1、2系列240台220KA电解槽，产量为29.4万吨/年。3系列为336KA四端进电电解槽120台。全厂共504台电解槽，产量为50万吨。波音铝厂电解生产过程中产生的烟气由管道输送至烟气处理装置中，该厂有六套干法吸收处理装置。在处理工艺中，将新鲜氧化铝加入烟气流中进行吸附反应，氟净化效率最高可达99%，载氟氧化铝返回电解槽使用，净化烟气排入大气。该公司进行电解生产的三条生产线达到了世界上最好的排放标准。该净化控制系统的自动化水平在国际上领先，采用上位机对各运行参数和设备运转情况进行监控，能及时的反映各工艺部位的工作运行情况和设备运转状况，且能通过监控室实现
15、对参数调整。1.2.2 国内研究现状最近几年来，在国家加大环境治理力度、提倡绿色生产的环境下，国内铝电解烟气净化控制方面的总体状况得到了很大的改善。前几年的的状况表现在：许多铝冶炼企业只片面追求经济效益，根本就没有烟气净化系统；即使已建立了净化系统的企业，由于投入不足，存在不少问题，归纳为如下几点：(1)系统监控水平简单，无法满足系统安全平稳运行的需要。(2)自动化程度远远落后于现代化企业应具备的装备水平，致使系统运行效率低下。大量的巡视检查工作仍依赖人工完成，工人劳动强度大，人力成本难以降低。另外，所有系统运行的工艺参数以及设备运行的状态参数完全依靠人工记录，可靠度不高。(3)反吹风气缸的电
16、气控制线路故障频繁，成为制约系统运行效率提高的突出问题。除尘器入口阀门为手动操作开关，使除尘器的检查处理极不便利，且无法实现除尘器的单体关闭反吹处理。并且，除尘器反吹风气缸的工作状况没有检测机构，对反吹风气缸的检查处理需要花费大量的人力和时间。(4)现有的低压配电系统容量不足，需进行扩容改造。(5)现有系统的净化指标达不到国家标准，大多数企业进行电解系列扩容改造后，没有对净化系统进行相应的改造。近年来，各大小铝厂加强了烟气净化改造力度，并表现出不俗的效果。以下就以国内几家铝厂为例，对国内的铝电解烟气净化控制现状进行分析。(1)中铝青海分公司中国铝业股份有限公司青海分公司是国家重点建设项目。建设
17、规模为年产电解铝20万吨，碳素阳极块12.6万吨，建设总投资23亿元，分两次建设。一期电解厂260台160KA电解槽，建有两套具有八十年代技术水平的电解烟气干法净化系统，该净化系统87年投入运行；二期电解厂260台160KA电解槽同样建了两套干法净化系统，该净化系统1993年投入运行。2000年11月，中国铝业公司整体收购青海海星铝业有限责任公司，并入青海分公司，编为第三电解厂，形成年产25.5万吨电解铝生产能力。第三电解厂108台200KA电解槽建有一套干法净化系统。(2)焦作万方铝业股份有限公司焦作万方铝业股份有限公司280KA铝电解产业化示范工程是国家重大科技成果转化项目，1997年12
18、月31日经国家计委批准立项，2000年6月24日开工建设。280KA电解系列投入生产以后，设备运行正常，技术经济指标稳步上升，电解槽无一早期损坏。该槽型在设计、建设和生产过程中吸收了国际、国内近几年的先进技术成果和经验，并达到了新的水平。在设备国产化、工艺生产先进性、环境污染治理、降低工人劳动强度、提高经济效益和社会效益方面，为我国预焙铝电解槽建设提供了成功经验。第二章 电解铝烟气净化系统要合理、科学和经济地设计电解铝烟气净化控制系统，必须先了解电解铝生产的工艺特点，掌握烟气净化的工艺流程和净化控制的基本要求。2.1 电解铝生产的工艺特点用电解的方法可以实现许多物质的工业生产。铝电解是迄今规模
19、最大的熔盐电解工业。实现铝电解的电化学装置称为电解槽，它是由外部供给电能在电解质中发生化学反应的装置。铝电解生产工艺技术条件主要有：系列电流强度、槽电压、电解槽温度、极距、电解质组成、电解质水平、铝液水平、槽底压降以及阳极效应系数等。上述技术条件都是相互影响、相互关联的。总的来说，在一定时期内应尽可能保持相对稳定。目前，高效能大型预焙铝电解槽的发展十分迅速。90年代，国际上大型预焙铝电解槽电流效率为93%95%，直流电耗为1320013400kwh/tAl的电解系列愈来愈多。在槽型确定的情况下，铝电解工艺技术条件就成为电解技术经济指标的决定性因素。铝电解槽实现氧化铝点式下料和浓度控制技术后，需
20、要一套与此相适应的铝电解工艺技术条件，实现大幅度提高电流效率、降低电耗的目的。自80年代以来，国际上最先进的经济技术指标都是在所谓“四低一高”(即低分子比、低氧化铝浓度、低电解质温度、低阳极效应系数、高极距或称高工作电压)的工艺技术条件下实现的。“四低一高”工艺技术条件的提出，是建立在以“高电流效率求得低电耗”的指导思想基础上的，它彻底改变了国内铝电解传统的“以低槽电压求得低电耗”的工艺技术条件。在“四低一高”工艺技术条件的控制中，低氧化铝浓度和低电解质温度的控制为其核心与关键。近几年，我国大型预焙铝电解槽铝厂都试图采用此工艺技术条件。2.2 净化工艺流程铝电解生产行业各种类型电解槽的烟气治理
21、一般采用干法净化技术，其主要技术内容是：利用铝电解的生产原料氧化铝粉的表面积大、吸附能力强的特性来吸附烟气中的HF和沥青烟。其吸附过程有化学吸附和物理吸附，HF的化学吸附式为：Al203+6HF2AlF3+3H20HF的吸附效率可达98%99%，沥青烟的吸附效率在95%以上。载有氟和沥青烟的氧化铝由布袋除尘器分离后供电解使用。回收的氟返回电解槽可补充电解生产过程中损失的氟元素，沥青焦油返槽后可逐步被烧掉。铝电解车间产生的烟气收集、治理和排放工艺流程如图2.1所示： 图2.1 烟气干法净化工艺流程图干法净化流程主要包括电解槽集气、吸附反应、气固分离、氧化铝输送、机械排风等五个部分。(1)电解槽集
22、气电解槽散发的烟气呈无组织扩散状态，为了有效地控制污染，必须对电解槽进行密封。收集的烟气通过电解槽的排烟支管汇到电解厂房外的排烟总管，然后送往净化系统集中处理。(2)吸附反应将吸附剂新鲜氧化铝粉加入到电解烟气中，并使之与烟气充分接触而吸附烟气中的氟化氢(HF)，然后送到布袋除尘器袋滤室。(3)气固分离吸附后的氧化铝为载氟氧化铝,载氟氧化铝与烟气的分离是由布袋除尘器来完成的。分离下来的载氟氧化铝，一部分作为循环氧化铝继续参与吸附反应，另一部分由氧化铝输送系统送入载氟氧化铝料仓，供电解使用。(4)氧化铝输送新鲜氧化铝定量地由新鲜氧化铝料仓排出，经输送风动溜槽给入到文丘里反应器中。吸附后的载氟氧化铝
23、由除尘器的沸腾床的溢流口，经输送风动溜槽及垂直输送气力提升机输送到载氟氧化铝料仓，供电解使用。(5)机械排风排风是整个净化系统的主动力源。净化系统的烟气输送、氧化铝输送、除尘器等均在负压状态下操作，不向外界排放污染物。机械排风的设备为罗茨引风机。电解槽产生的烟气经密闭集气罩收集，通过直径300mm的支烟管进入水平排烟总管到地下烟道，烟气在地下烟道与来自氧化铝储槽下部圆盘给料机的新鲜氧化铝接触混合，经文丘里反应器进行吸附反应后，送到布袋除尘器袋滤室过滤。吸附后的载氟氧化铝由除尘器的沸腾床的溢流口，一部分经输送风动溜槽及垂直输送气力提升机输送到载氟氧化铝料仓，供电解使用，另一部分作为循环氧化铝继续
24、参与吸附反应。净化后的烟气由排烟机抽送到烟囱，排入到大气。2.3 净化系统组成本次设计采用干法净化，所用主要设备有文丘里反应器、脉冲袋式除尘器、风动溜槽、气力提升机以及引风机等。2.3.1 文丘里反应器文丘里反应器是从法国引进翻版改进的国产化设备。其工作原理和特点是烟气向上通过文丘里反应器的喉口时，流速突然增大，形成湍流。在此加入氧化铝，氧化铝与烟气由于湍流而充分混合，进行充分反应，烟气自下而上穿过这层段面与A2lO3接触。A2lO3连续地加入，烟气连续地流过，为烟气和A2lO3提供了均匀接触的机会，完成A2lO3对HF的吸附过程。喉口上方形成的湍流使A2lO3能充满整个管道断面，克服了管道稀
25、相反应器布料不均的缺点，缩短了所需的管道长度，提高了净化效率。这种反应器制造成本低廉，反应效率高，阻力损失较小，达到了节能的目的。2.3.2 脉冲袋式除尘器袋式除尘器也称为过滤除尘器，它是利用纤维编织物制作的袋式过滤元件来捕集含尘气体中固体颗粒物的除尘装置。袋式除尘器按其清灰方式不同可分为振动式、逆气流反吹风式、脉冲式、声波式及其复合式等几种类型，其中脉冲清灰袋式除尘器由于其脉冲喷吹强度和频率可以控制，清灰效果好，是当前国内外应用最为广泛的除尘装置。脉冲清灰袋式除尘器的结构如图所示：图2.2 除尘器含尘气体从袋式除尘器进口引入后，通过烟气分配装置均匀进入滤袋，在此过程中粉尘即被滤袋的外侧所阻挡
26、，经过净化处理的气体从出口排出，当滤袋表面的粉尘不断增加达到一定厚度，导致设备阻力上升到设定值时，微压差控制器有信号输出。控制仪便发出信号，使喷吹系统工作，电磁脉冲阀打开，此时压缩空气从气包顺序经脉冲阀和喷吹管上的喷咀向滤袋内喷射。在滤袋膨胀产生的加速度和反向气流的作用下。附于袋外的粉尘脱离滤袋落入灰斗，然后由回转排灰阀将粉尘排出。除尘器内的滤袋分为若干组，每组滤袋的喷射时间只需0.20.5s左右，一组喷射完毕经过1530s左右的时间间隔后，接着对下一组进行喷射，全部滤袋喷射完毕至下一周期的时间则根据滤袋数量和积灰情况决定。 2.3.3 气力提升机我国90年代以前，氧化铝提升多采用压缩空气稀相
27、提升。过去国内载氟氧化铝提升多采用斗式提升机，这种设备投资大，运行维修工作量大且困难，密封性能差，跑、漏氧化铝严重。气力提升机节能显著，可做到连续进料和排料，输送高度1550m。采用罗茨风机供风无机械运行部件，整个系统是密封的。设备占地面积小，运行可靠。气力提升机是一种低压吹送的垂直提升气吸式输送设备，可用作粉状物料的运输机械。其工作原理是：靠真空来吸取物料。即当鼓风机工作后，整个系统被抽成一定的真空度，在压力差的作用下，大气中的空气流从物料堆的间隙通过，把物料吸入吸嘴，并沿输料管进入分离器中，在分离器中物料和空气被分离，物料直接从底部卸出，空气进入除尘器，净化以后的空气通过鼓风机排入大气。气
28、力提升机的优点是结构简单、质量轻、无运动部件、操作维修方便可靠，用于提升高度大于45m以上较为经济。缺点是电耗大，提升高度越低耗电越大。2.3.4 风动溜槽风动溜槽可在任何距离间散装地输送干燥松散易流态化的粉状物质，输送能力可达1500m3/h。粒度大、水分多、流态化性能差的物料不宜选用。该输送装置分为下充气层、中透气层和上输料层，由风机给与低压小容量的空气，由充气层内透过透气层，使物料流态化，从而实现物料的移动。该装置能耗小、无噪音、无污染、少维修，且输送能力大、轻便、不占用有效空间、布线灵活、容易改变输送方向。风动溜槽只能在一定角度下向下输送，不能向上输送。风动溜槽的斜度，在工艺布置允许的
29、条件下，采用较大的斜度对输送有利。其斜度一般为46%，输送粗料时，斜度不小于10%。新鲜氧化铝从贮仓输送到反应器，返回的载氟氧化铝输送到气力提升机，循环氧化铝加入到反应器的输送都采用风动溜槽。2.4 净化控制技术综述电解铝生产是一个污染较严重的生产工艺。我国一直重视铝电解槽烟气净化的开发研究，特别是近20年来引进了国外铝电解烟气净化先进技术，取得了良好的经济和社会效益。2.4.1 自动控制方式选择DCS与PLC都是应用于自控领域的控制系统。随着工业生产的快速发展，工业自动化程度越来越高，对自动控制系统的可靠性、可操作性的要求越来越高。PLC与DCS无疑是目前自动控制系统中最为流行的两大工具。基
30、于DCS、PLC的控制系统结构及特点DCS(Distributed Control System)，又称为集中分散型控制系统，简称分散控制系统。DCS是以微处理器为核心，实现地理和功能上相对分散的控制系统，通过数据通道把各个分散点的信息集中起来,进行集中的监视和操作。它具有事故分析、性能计算、历史数据存储、分析、各种报表生成、打印等功能,目前已经在国内外得到非常广泛的应用。在DCS系统中，测量变送、执行器一般由模拟仪表来完成，它们与控制室的监控计算机共同构成控制系统，是模拟和数字混合系统，可实现高级复杂规律的控制。可编程控制器(PLC)自动控制装置，是一种嵌入式的工控机，它以顺序控制为主，回路
31、调节为辅，能完成逻辑判断、定时、计数记忆和算术运算等功能。既能进行开关量控制，又能进行模拟量控制，还具有通信功能。在单台设备自动化、多台设备自动化和整个工厂的生产过程中，PLC发挥着重要作用。(1) DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。从结构上划分，DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括:操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统(MIS系统)，作为DCS更高层次的应用，目前国内应用这一系统的行业较少。DCS的关键技术在于网络，从上到下是树状拓扑和并行连续的链路
32、结构，中间站联接计算机、现场仪器仪表和控制装置。PLC从结构上分为固定式和组合式(模块式)2种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。PLC的关键技术在于其内部固化了一个能解释梯形图语言的程序及辅助通讯程序，梯形图语言的解释程序的效率决定了PLC的性能，通讯程序决定了PLC与外界交换信息的难易。对于简单的应用，通常以独立控制器的方式运作，不需与外界交换信息，只需内部固化有能解释梯形图语言的程序即可。(2)在网络方面，DCS网络是整个系统
33、的中枢神经，和利时公司的MACS系统中的系统网采用的是双冗余的100Mbps的工业以太网，采用国际标准协议TCP/IP。它是安全可靠双冗余的高速通讯网络，系统的拓展性与开放性更好。而PLC因为基本上都为个体工作，在与别的PLC或上位机进行通讯时，所采用的网络形式基本都是单网结构，网络协议也经常与国际标准不符。在网络安全上，PLC没有很好的保护措施。(3)DCS整体考虑方案。操作员站都具备工程师站的功能，站与站之间在运行方案程序下装后是一种紧密联合的关系，任何站、任何功能、任何被控装置之间都是相互连锁控制，协调控制的。DCS可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是，由于自身的致
34、命弱点，其I/O信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在DCS工程师站上对现场仪表(比如变送器、执行器等)进行远方诊断、维护和组态。当采用现场总线仪表时才能通过现场测控站对现场仪表进行诊断和维护。原来单用PLC互相连接构成的系统，其站与站(PLC与PLC)之间的联系是一种松散的连接方式，做不出协调控制的功能。现在的PLC可以采用共同的上位机，使用PLC网络(如SIEMENS公司的SINEC-L1、SINEC-H1、S4、S5、S6、S7等，GE公司的GENET、三菱公司的MELSEC-NET、MELSEC-NET/MINI等)来协调控制。(4) DCS在整个设计上留有大量的可扩展性接口，外接系
35、统或扩展系统都十分方便，缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作，大DCS系统是各家不同的。PLC所搭接的整个系统完成后，想随意的增加或减少操作员站都很难实现的。(5)在安全性上，DCS系统为保证控制设备的安全可靠，采用了双冗余的控制单元，当重要控制单元出现故障时，都会有相关的冗余单元实时无扰动的切换为工作单元，保证整个系统的安全可靠。PLC所搭接的系统基本没有冗余的概念，更谈不上冗余控制策略。特别是当其某个PLC单元发生故障时，不得不将整个系统停下来，才能进行更换、维护并需重新编程。所以DCS系统安全可靠性更高。(6)系统软件，对各种工艺控制方案进行更新是DCS的一项最基本的功能，当某个
36、方案发生变化后，工程师只需要在工程师站上将更改过的方案编译后，执行下装命令就可以了。下装过程是由系统自动完成的，不影响原控制方案运行。对于PLC构成的系统来说，工作量极其庞大，首先需要确定所要编辑更新的是哪个PLC，然后要用与之对应的编译器进行程序编译，最后再用专用的机器(读写器)专门一对一的将程序传送给这个PLC。在系统调试期间，调试时间长和调试成本高，而且极其不利于日后的维护，在控制精度上相差甚远。因此在大中型控制项目中(500点以上),基本不采用全部由PLC所连接而成的系统。(7)模块DCS系统所有I/O模块都带有CPU，可以实现对采集及输出信号品质的判断与标量变换，故障带电插拔,随机更
37、换。而PLC模块只是简单电气转换单元，没有智能芯片，发生故障后相应单元全部瘫痪。PLC响应速度快；DCS响应速度慢。DCS要作复杂的运算，内存较大；PLC一般不做复杂运算，内存小。DCS的数据库统一，可以应用工位号管理；PLC的数据库不统一，必须以地址为基础管理。冗余功能，DCS更容易实现。(8)DCS与PLC的系统内核的实现形式不同。因为DCS的控制程序编译以后的代码是采用程序调用运行的，而PLC的程序是采用编译后对语句代码的顺序扫描实现的。这就是为什么PLC至今对模拟量的处理不如DCS功能强大，而DCS对开关量的处理不如PLC快速的原因。该设计采用基于PLC控制的自动控制系统，PLC控制使
38、其工作可靠，运行速度快，组合灵活、有良好的兼容性、程序编制及生成简单、丰富、网络功能强而且成本低。2.4.2 净化方式选择关于铝电解烟气净化处理的工艺方法，国内外大多采用干法净化方式，即首先用新鲜的氧化铝吸附烟气中的有害物质，然后经过布袋过滤，最后将优于国家标准的烟气排入大气。铝电解烟气净化工艺主要有湿法净化和干法净化回收两种。(1)湿法净化湿法净化对于清除可溶性气体具有很高的效率，对于清除颗粒物质具有中等效率。洗涤塔的效率大约与烟气洗涤塔的接触装置所耗用能量的多少成正比。湿式洗涤塔通常与静电收尘器联合使用，湿法净化有碱法，酸法和氨法等。但从净化效果好，设备简单，维护方便及设备腐蚀低等方面考虑
39、，湿法净化以碱法为多。湿法净化回收有多种方法，如先用清水洗涤、碱水洗涤、海水洗涤等，洗液再通过碱法、氨法和酸法流程加以回收制取冰晶石、氟化钠、氟化铝等。一般多用于制造冰晶石。虽然烟气净化最简单经济的方法是用水洗涤，但由于水溶解氟化氢后变为氢氟酸，容易腐蚀设备。从近十几年的发展趋势看，湿法净化回收大部分已被干法净化回收所取代。 (2)干法净化烟气干法净化技术适用于铝电解生产行业各种类型电解槽的烟气治理。干法净化的基本原理是利用氧化铝对气态氟化物等具有较强吸附能力的特性，使电解烟气与氧化铝充分接触，烟气中的氟化氢气体吸附在氧化铝表面，然后进行气固分离，氟化氢得以净化。氧化铝与烟气中的氟化氢接触后，
40、吸附反应速度很快，几乎是在0.1秒钟完成。干法净化回收的吸附效率主要取决于氧化铝的物理性能和投入到烟气中的数量。干法净化也存在一些问题，如：对二氧化碳和二氧化硫净化效果差；吸氟后的氧化铝飞扬加大；氧化铝在吸附过程中循环次数多，造成氧化铝破碎率高，带入Fe、Si杂质增多；铝电解烟气净化系统增加动力消耗。该设计采用干法净化，易于控制、流程简单、环境好、操作容易，而且干法净化回收过程中产生的二次污染小、净化效果好。第三章 系统设计在电解铝烟气净化的过程中，为了有效的进行生产操作，就需要对生产过程中的工艺参数（温度、压力、流量等）进行自动检测，并与控制仪表、执行机构相配合，实现对生产过程的自动控制。3
41、.1 系统控制原理及目标根据工艺流程，在此主要是对除尘器出入口压差、新鲜/载氟氧化铝料位、排烟温度以及烟气出口压力的控制原理进行介绍，并且阐述了其控制目标。3.1.1 控制原理该设计中的控制系统选择单变量控制系统，被控对象是核心，被测信号经变送器转换成标准信号，与给定值进行比较，并对结果进行调节运算，以输出作为控制信号，经执行器实现对被控变量的调节作用。其控制系统方框图如图3.1所示：图3.1 单变量控制系统方框图现场检测元件用数字式仪表，采用现场总线作为一级网络构成控制系统，将现场测得的数据送到PLC进行控制，以便使生产过程顺利进行。当输入端有输入信号时，伺服放大器将输入信号和反馈信号相比较
42、，所得差值信号经过功率放大后，驱使两相伺服电机转动，在经减速器减速，带动输出轴改变转角。使减速器输出轴朝着减小这一偏差信号的方向转动，若差值为正，伺服电机正转，输出轴转角增大；若差值为负，伺服电机反转，输出轴转角减小。直到位置反馈信号和输入信号相等为止，此时输出轴就稳定在与输入信号相对应的转角位置上。其执行机构框图如图3.2所示：图3.2 电动执行机构方框图设计系统中布袋除尘器的出入口压差、载氟氧化铝的物位控制、新鲜氧化铝的物位控制、排烟机的温度控制以及出口烟气压力的控制是本次设计的主要内容。该电解铝净化系统采用干法净化工艺流程，其工作过程是：从电解槽出来的烟气进入文丘里反应器，烟气中的有害物
43、质与新鲜氧化铝反应后，烟气经过布袋除尘器，除掉烟气中的固体载氟氧化铝，得到符合排放标准的净化烟气，经引风机排放到大气中。对布袋除尘器的控制需要测量的量有进出布袋除尘器的前后差压，当出入口差压达到上限值，开始进行反吹清灰。出口烟气有两个量需要测量：分别为出口烟气压力和出口烟气温度。其中出口温度不需要控制，但出口压力需要控制，因为当内外压差太大时，布袋除尘器中的烟气没有被除掉，就会被直接吸出，影响净化效果。为了保证烟气净化过程顺畅进行，当压力超出这个设定值时，通过调节烟气档板开度，来调节压力。本系统中载氟氧化铝贮仓料位和新鲜氧化铝贮仓料位的控制也相当重要，系统中分别设定了上限报警和下限报警，当测量
44、值高于上限设定值的时候，上限报警指示灯亮，当测量值低于下限设定值时下限报警指示灯亮。贮仓料位控制的好坏直接影响到烟气净化的效果，因此是致关重要的一个环节。当排烟机温度高于130时，自动跳闸，进行降温。电解烟气净化控制的具体工作方式有三种，分别是压差、手动、定时工作方式。 压差工作方式是当有害烟气由布袋除尘器中间入口经气流分布板均匀进入到过滤单元，烟气中的氟化氢与氧化铝发生化学吸附反应，反应后的载氟氧化铝随烟气经滤袋过滤被阻留，滤袋进出口压力达到一定压差后，由PLC按预先设定的控制程序进行自动反吹清灰操作。 手动工作方式是由操作人员根据有害烟气经过布袋除尘器的实际工作情况手动控制反吹风机启动、停
45、止，由PLC按预设程序进行反吹清灰。 定时工作方式是PLC按预设的定时控制子程序控制反吹风机的启动、停止，进行反吹清灰操作。3.1.2 控制目标电解铝烟气净化系统的主要设备为除尘器，在该系统中有除尘器(十个袋滤室)，两个排烟机、四个罗茨风机和两个反吹风机。根据工艺流程的特点以及其存在的问题，建立该控制系统，使其中各子系统协调内部的设备有序运转，整套系统之间协调运行，从而优化整个系统，获得最佳的净化效果。具体有如下功能：(1) 过程数据的自动采集。 (2) 对采集的数据进行处理，判断各除尘器当前的运行情况。(3) 袋式除尘器、反吹风机、新鲜/载氟氧化铝料位等主要工艺设备的运行状态显示及异常报警。
46、 (4) 按一定程序控制除尘器的“反吹清灰”过程。 (5) 自动控制除尘器前后压差，以确保除尘器正常运行。 3.2 压力检测压力是工业生产过程中重要参数之一。许多工艺过程只有在一定的压力条件下进行，才能取得预期的效果，压力检测也是安全生产所必须的，通过监视压力可以及时防止生产设备因过压而引起的破坏或操作。压力的检测和控制是保证工业生产过程经济性和安全性的重要环节。本次系统设计所选的压力测量点如表3.1所示：表3.1 电解铝烟气净化系统压力测量点列表序号采样信号名称性质传感器范围1除尘器出入口压差模拟量电容式差压变送器06 KPa2烟气出口压力1模拟量压电式传感器04 KPa3烟气出口压力2模拟
47、量压电式传感器04 KPa4压缩空气罐出口压力模拟量压电式传感器02 KPa3.3 物位检测物位测量在现代工业生产自动化中具有重要的地位。随着现代化工业设备规模的扩大和集中管理，特别是计算机投入运行以后，物位的测量和远传显得更为重要。通过物位的测量，可以正确获知容器设备中所储物质的体积或质量，监视或控制容器内的介质物位，使它保持在工艺要求的高度，或对它的上、下限位置进行报警，以及根据物位来连续监视或控制容器中流入与流出物料的平衡。所以对物料测量的相对值要求非常准确，要能迅速正确反映某一特定水准面上的物料相对变化，用以连续控制生产工艺过程。物位测量与生产安全的关系十分密切。该设计中采用的是电容式物位传感器。其测量原理是： 在电容器的极板之间，充以不同介质时，电容量的大小也有所不同。因此，可通过测量电容量的变化来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。 图3.1是由两个同轴圆柱极板1，2组成的电容器，在两圆筒间充以介电系数为的介质时，则两圆筒间的电容量表达式为： C (3-1)式中，L两极板相互遮盖部分的长度； d，D分别为圆筒形电容器内电极的外径和外电极的内径； 中间介质的介电常数。所以，当D和d一定时，电容量C的大小与极扳的长度L和介质的介电常数的乘积成比例。这
