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項目背景：氧化鋁廠工藝流程復雜、生產環境惡劣，控制分散。晉北氧化鋁廠建廠初期設計方案時，打破過
去氧化鋁廠控制分散的特點，引入了全集成自動化控制這一全新理念，并采用總線技術和通訊方式進行全廠集中的控制。在全廠設立集中控制中心進行集中操作、監控。并對全廠的生產流程進行統一調度，生產運行人員進行合理資源配置。正是這一構想使的PCS7系統的優勢突顯出來。
工藝過程簡述：
晉北氧化鋁廠采用串聯法生產工藝，流程如右圖，從礦山運來的鋁土礦經破碎后，與石灰和種分母液（循環母液）混合磨制成原礦漿，然后在高溫下將礦石中的Al2O3溶出，得到鋁酸鈉溶液和不溶殘渣（赤泥）。赤泥經洗滌排往赤泥堆場。凈化后鋁酸鈉溶液加入氫氧化鋁種子進行分解，析出氫氧化鋁。氫氧化鋁母液分離后，洗凈焙燒即得成品氧化鋁。母液和洗液通過蒸發濃縮。在蒸發時有一定數量得Na2CO3.H2O從母液結晶析出。將其分離出來用Ca(OH)2苛化成NaOH溶液與蒸發母液一同送往濕磨配料。
控制系統概述：
PCS7控制系統推出的是一種全集成自動化的控制理念。全集成自動化是指用一個系統或一個自動化的平臺完成原來由多種系統搭配起來才能完成的所有功能。應用這種方案可以大大地簡化系統的結構，減少大量地接口部件，可以克服上位機和工業控制器之間，連續控制和邏輯控制之間，集中和分散之間的界線。同時還可以為所有的自動化應用提供統一的技術環境。即統一的數據管理、統一的通訊、統一的組態和編程軟件。基于這種環境各種各樣的不同的技術可以在一個用戶的接口下，集成在一個有全局數據庫的系統中。因此，通過該系統可以實現了基于單一平臺提供用于所有過程控制的統一自動化技術，從工藝起始的物料輸入，到生產主要流程以及輔助流程，直到生產輸出。同時還優化氧化鋁廠的所有業務流程，從鋁廠的資源計劃(ERP)級，到管理執行系統(MES)級和過程控制級，直到現場級。
控制系統的實現：
根據上述的工藝流程晉北氧化鋁廠分為原礦片區、溶出片區、沉降片區、分解片區、蒸發片區、氫氧化鋁過濾及焙燒片區等六個片區。以往控制形式為各個片區分設控制器，控制站設置距離較遠各個片區聯系少，控制比較分散，操作崗位設置較多，管線敷設過長。SIMATIC PCS7 通過和工業以太網總線技術及PROFIBUS現場總線技術相結合使的系統具有更分散的配置、更加適用于分散的過程控制系統。與PROFIBUS總線及以太網技術有機的結合在一起的PCS7在魯能晉北鋁廠的應用如圖2和圖3：
圖2
氧化鋁廠的每個片區設立現場集中控制室并設有獨立的控制系統，實際配置如下：原料磨片區為AS414H冗余控制器；壓煮溶出兩組為兩套冗余的AS417H冗余控制器；分解片區為一套冗余的AS417H冗余控制器；赤泥沉降片區為一套冗余的AS417H冗余控制器；母液蒸發兩組共為兩套冗余的AS417H冗余控制器；氫氧化鋁焙燒及過濾兩組共為兩套冗余的AS417H冗余控制器；另外每個片區的集中控制室中分別設有兩臺臨時的操作員站。全廠局域網為100M光纖工業以太環網，車間級DCS控制系統可通過其以太網光纖通訊卡接入以太網，并通過4臺冗余的服務器和全廠的集中操作員站相聯系實現集中控制、管理和操作。每個片區的臨時操作員站也與該以太網相連接，便于現場調試。網絡最上層（廠級控制層）設有全廠管理網絡系統(MES/ERP)，通過該管理系統可隨時隨處上網瀏覽全廠生產流程的執行的情況，根據各個片區的生產進展情況作出實時的判斷并統一調度生產運行人員；各個片區車間控制級的PCS7系統通過冗余的Profibus Dp總線與現場PLC,OEM及變頻器等現場設備進行通訊。現場設備與PCS7系統通訊主要有如下幾種方式：
1、 一般電機的數據傳輸由低壓配電柜回路中配有的馬達控制器對電機控制，并通過馬達控制器的通訊接口上傳至低壓配電室的MCC柜的PLC系統，PLC系統與DCS控制系統的電氣接口模塊Y-LINK進行通訊。2、一般電動閥等需采集控制點的現場設備采用現場分布式I/O模塊形式控制，然后通過該模塊提供的通訊接口上傳數據仍然至低壓配電室的MCC柜的PLC系統。再與電氣接口模塊Y-LINK進行通訊。3、對于現場帶變頻的電機由變頻器提供的通訊接口直接上傳數據至DCS控制系統中的電氣接口模塊Y-LINK。4、對于成套的OEM設備只需提供與DCS通訊協議一致的接口，就可上傳數據至DCS控制系統的的電氣接口模塊Y-LINK進行通訊。電氣接口模塊Y-LINK作用是上傳數據時對數據進行篩選分離成互為冗余的兩組通過Profibus Dp總線上傳至控制器。對于任何的現場設備PCS7系統只提供了一種Profibus Dp的通訊協議，各種現場設備如果與PCS7進行數據通訊，需提供與之相通訊的Profibus Dp的接口
2、 生產調試中的實際應用情況（優缺點）：
由于業主方招標時，PLC、變頻器及馬達控制器的提供商不同，通訊協議也不一樣，協議的轉換成為系統實施中的難點。晉北鋁廠的馬達控制器、變頻器、PLC控制系統、OEM設備提供的通訊接口大致有三種：
Profibus Dp、 Devicenet、 ModBus。由于車間級管理層采用的網絡系統為PCS7系統，如果不同通訊協議的現場設備進行向上通訊時須提供其與之相同的通訊接口（Profibus Dp接口）。如PLC為羅克威爾產品通訊接口為Devicenet接口，馬達控制器為ABB產品提供modbus通訊接口，馬達控制器向上與PLC通訊需提供ModBus轉Devicenet通訊接口，PLC與DCS通訊需提供Devicenet轉Profibus Dp通訊接口，有些協議的轉換模塊是成套廠商的產品，而有些協議的轉換模塊是第三方的通訊接口模塊，第三方的產品對于系統的配置和數據的傳輸設置都帶來很大的困難。另外馬達控制器監控的參數過多，致使電氣設備跳停頻繁。工業以太環網上的四個服務器成為向上傳輸數據的瓶頸。還有諸多的缺點需要在生產運行中去逐步改造。盡管如此，但是PCS7的全集成自動化的控制平臺的結構已經搭建起來，它依靠總線技術的面向工藝過程的分散控制功能，高模塊化、可擴展性和開放性以及強大的系統軟件編程和組態功能時時體現著它無與倫比的優勢。
結束語：
全集成自動化控制在氧化鋁行業中首此采用，這是氧化鋁行業提高自動化水平邁出的一大步。目前山西魯能晉北氧化鋁廠已全面投產， 由于采用了總線技術使得生產運行穩定可靠，減少了很多的配線，安裝成本和故障率大大降低，同時實現全廠集中控制，操作崗位也大大減少。全廠數據實現共享，從車間現場級到全廠管理級，對于全廠的生產運行情況，人力資源管理，生產資料的調度和配置都進行了優化。同時通過PCS7的全集成自動化在氧化鋁廠的應用對于鋁行業的控制提供了一個新的思路。并對未來的氧化鋁控制水平的提高起到了很好的推動作用。
圖3
作者簡介：
張向民（1973－）,男，畢業于沈陽工程學院熱工檢測與控制專業，后畢業于吉林大學計算機科學技術專業。現工作于東北大學設計院電力自控室，主要從事自控設計工作。
徐立波（1976－）,男，畢業于沈陽工程學院熱工檢測與控制專業。現工作于東北大學設計院電力自控室，主要從事自控設計、現場施工管理、自控系統調試工作。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號