過(guò)程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

PAGEPAGE9目錄第一章概述 11.1設(shè)計(jì)目的 21.2具體任務(wù) 21.3氧化鋁生產(chǎn)的意義 2第二章氧化鋁高壓溶出工序介紹 32.1鋁工業(yè)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 32.2氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程 42.3高壓溶出工序 9第三章氧化鋁高壓溶出工序生產(chǎn)設(shè)備及控制要求 123.1雙程預(yù)熱器 123.2溶出器 123.3自蒸發(fā)器 133.4蒸汽緩沖器 14第四章氧化鋁高壓溶出工序3#溶出器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 164.1方案論證 164.2硬件設(shè)計(jì) 174.3控制算法 204.4軟件設(shè)計(jì) 21第五章總結(jié) 245.1方案評(píng)價(jià)及改進(jìn)方向 245.2收獲及體會(huì) 24參考文獻(xiàn) 26第一章概述現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)過(guò)程的強(qiáng)化，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的嚴(yán)格要求，以及各公司的激烈競(jìng)爭(zhēng)，人工操作與控制已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)已成為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程必不可少的設(shè)備，因?yàn)椋潜ＷC現(xiàn)代企業(yè)安全、優(yōu)化、低功耗和高效益生產(chǎn)的主要技術(shù)手段。由于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程各種各樣而且非常復(fù)雜，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程可分連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程和離散的生產(chǎn)過(guò)程。因此，在設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)時(shí)，必須花大量的時(shí)間和精力了解該工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的基本原理、操作過(guò)程和過(guò)程特性，這是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的首要條件。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，規(guī)模由小到大。至今，已有各種各樣的生產(chǎn)工業(yè)過(guò)程，生產(chǎn)出各種各樣的產(chǎn)品滿足人們的生活需要。作為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的一部分的工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)也在不斷發(fā)展和提高。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，通常需要測(cè)量和控制變量有：溫度、壓力、流量、物位（液位）、物質(zhì)成分和物性（PH值）等。1.1設(shè)計(jì)目的經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的過(guò)程控制系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)，對(duì)過(guò)程控制有了一個(gè)基本的了解。然而僅僅在理論方面是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要將所學(xué)的應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，只有這樣才能真正的對(duì)過(guò)程控制有一個(gè)比較深入的認(rèn)識(shí)，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我們可以了解具體生產(chǎn)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟和方法。同時(shí)也對(duì)氧化鋁的生產(chǎn)工藝有一個(gè)大概的認(rèn)識(shí)，只有弄清楚生產(chǎn)工藝對(duì)控制的具體要求，才能去設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)。1.2具體任務(wù)由于氧化鋁的生產(chǎn)工序相當(dāng)復(fù)雜，相關(guān)的控制系統(tǒng)也很復(fù)雜。因此在此次的課程設(shè)計(jì)中所做的是氧化鋁生產(chǎn)中的高壓溶出工序，其具體生產(chǎn)設(shè)備源自于鄭州鋁廠。本次課程設(shè)計(jì)的具體任務(wù)是設(shè)計(jì)氧化鋁高壓溶出工序中的3#溶出器溫度控制系統(tǒng)。3#溶出器需要將其溫度控制在工藝要求的溶出溫度245攝氏度左右，精度控制在+0.5攝氏度。溶出器的溫度是溶出溫度，對(duì)氧化鋁的溶出率影響很大，保持溶出溫度穩(wěn)定，是提高溶出率的關(guān)鍵之一。1.3氧化鋁生產(chǎn)的意義鋁由于其自身的優(yōu)良性能，一直以來(lái)都是經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中的重要材料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，鋁產(chǎn)量大幅增長(zhǎng)，作為電解鋁的原料，氧化鋁的供應(yīng)顯得尤為重要，國(guó)內(nèi)氧化鋁供應(yīng)緊張、價(jià)格不斷攀升。近年以來(lái)氧化鋁的產(chǎn)量大幅攀升，供應(yīng)的壓力得到一定的緩解，價(jià)格也有一定程度的回落。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，氧化鋁作為資源性產(chǎn)品的供應(yīng)應(yīng)該得到重視，我們不僅要增加產(chǎn)量，更重要的是提升氧化鋁的質(zhì)量。從而提高鋁產(chǎn)品的質(zhì)量，滿足日益增長(zhǎng)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)的需要。要提升氧化鋁的質(zhì)量，除了改進(jìn)工藝之外，改善控制系統(tǒng)和提高控制精度也至關(guān)重要。第二章氧化鋁高壓溶出工序介紹2.1鋁工業(yè)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀鋁和鋁合金是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防軍工和民用制品的基礎(chǔ)原材料。鋁工業(yè)是國(guó)家的基礎(chǔ)工業(yè)之一。高性能鋁合金是制造飛機(jī)、潛艇、火箭、導(dǎo)彈、魚(yú)雷、坦克的重要部件的原材料，被稱為國(guó)家的戰(zhàn)略物資。氧化鋁是鋁生產(chǎn)的主要原料，2噸氧化鋁可以生產(chǎn)1噸鋁錠。我國(guó)具有豐富的鋁土礦資源，迄今，我國(guó)已探明鋁土礦礦區(qū)310處，分布于全國(guó)19個(gè)省、自治區(qū)、直轄市。其中工業(yè)儲(chǔ)量7.05億t，占總保有儲(chǔ)量的31%。國(guó)內(nèi)的氧化鋁生產(chǎn)從50年代起步，80~90年代得到了快速發(fā)展，年生產(chǎn)能力已達(dá)到近800萬(wàn)噸。2006年氧化鋁年產(chǎn)量約高達(dá)1300萬(wàn)噸，較去年同期提高57%，居世界第二位。國(guó)內(nèi)氧化鋁生產(chǎn)狀況，改革開(kāi)放以來(lái)，為適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，國(guó)家在鋁土礦資源豐富的四省區(qū)內(nèi)大力發(fā)展氧化鋁工業(yè)，規(guī)劃并建成了山西鋁廠，平果鋁廠和中州鋁廠等氧化鋁項(xiàng)目。采用新工藝、新技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備，加大對(duì)已有的山東鋁廠、貴州鋁廠和鄭州鋁廠的技術(shù)改造，提高產(chǎn)能，形成了六個(gè)氧化鋁廠為基地的生產(chǎn)布局。為進(jìn)一步發(fā)揮桂西和晉北鋁土礦資源優(yōu)勢(shì)，國(guó)家規(guī)劃建設(shè)華銀氧化鋁和晉北氧化鋁基地，進(jìn)一步擴(kuò)大氧化鋁產(chǎn)能，使氧化鋁基地由六個(gè)增加到八個(gè)。國(guó)內(nèi)氧化鋁供應(yīng)緊張、價(jià)格不斷攀升。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，2006年1-2月份，我國(guó)共生產(chǎn)氧化鋁177.6萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)44.6％。06年前9個(gè)月氧化鋁產(chǎn)量為944萬(wàn)噸，較去年同期提高57%。2007年的國(guó)際市場(chǎng)上，雖然鋁市呈現(xiàn)供需兩旺的局面，但由于占全球鋁產(chǎn)量近三分之一的中國(guó)鋁產(chǎn)量增長(zhǎng)過(guò)快，鋁市短期內(nèi)出現(xiàn)了供過(guò)于求格局。全球金屬統(tǒng)計(jì)局（WBMS）去年10月中旬表示，2007年1-8月份全球鋁市過(guò)剩36.8萬(wàn)噸。8月份原鋁產(chǎn)量為325.76萬(wàn)噸，消費(fèi)量為302萬(wàn)噸，去年前8個(gè)月原鋁需求為2450萬(wàn)噸，較去前年同期增加19.67萬(wàn)噸。同期鋁產(chǎn)量增加25.85萬(wàn)噸至2484萬(wàn)噸。全球鋁需求的增長(zhǎng)趕不上產(chǎn)出的增速。供應(yīng)增長(zhǎng)的壓力在庫(kù)存上得以顯現(xiàn)，并成為鋁價(jià)大幅回落的主要因素。2007年1-9月我國(guó)累計(jì)生產(chǎn)原鋁890.1萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)37.1%；累計(jì)生產(chǎn)鋁材839.8萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)47.1%。下游消費(fèi)需求大幅增長(zhǎng)的同時(shí)，氧化鋁供應(yīng)亦高水平增長(zhǎng)。1-9月我國(guó)累計(jì)生產(chǎn)氧化鋁1439.7萬(wàn)噸，同比增加50.7%。在供需兩旺的情況下，供應(yīng)方面的因素主導(dǎo)了下半年來(lái)氧化鋁價(jià)格的走勢(shì)。2.2氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程2.2.1自然界產(chǎn)出的鋁礦石有各種類型，同一種類型的鋁礦石中各種雜質(zhì)的含量又各不相同。為了最經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出氧化鋁，對(duì)不同的鋁礦石便需采用不同的生產(chǎn)方法。鋁土礦的特點(diǎn)是化學(xué)組成和礦物組成多種多樣，要采用不同的方法來(lái)處理。鋁土礦處理方法和合理的工藝設(shè)備的選擇取決于許多因素，其中主要的是：a.硅指數(shù)，b.原料中硫化物；碳酸鹽和有機(jī)物的含量；c.鋁化合物和硅化合物的礦物組成；d.氧化鐵含量。已經(jīng)提出的氧化鋁生產(chǎn)方法可以歸納為四類，即堿法、酸法、酸堿聯(lián)合法與熱法。目前用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的只有堿法。堿法生產(chǎn)氧化鋁的實(shí)質(zhì)是將鋁轉(zhuǎn)變?yōu)殇X酸鈉進(jìn)入苛性堿溶液。鋁原料中可溶SiO2含量越高，轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苄猿恋淼乃箱X酸鈉就越多。而從原料提取到鋁酸鈉溶液的氧化鋁則越少。鋁硅比是評(píng)價(jià)鋁土礦質(zhì)量和選擇其具體處理方法的主要指數(shù)。生產(chǎn)氧化鋁的堿式法有四種：拜耳法，燒結(jié)法，混聯(lián)法，選礦拜耳法。拜耳法適合Al/SiO2較高（Al/SiO2〉16）的礦石，其成本較低；燒結(jié)法適合Al/SiO2較低（Al/SiO2〈8）的礦石，其成本較高；混聯(lián)法則適合Al/SiO2適中（大部分礦石的Al/SiO2在12以上，小部分礦石的Al/SiO2在8以下）的礦石，成本也適中；選礦拜耳法適合Al/SiO2為中低的礦石。我國(guó)由于礦石成分的原因，適合采用混聯(lián)法生產(chǎn)氧化鋁。2.2.2高溫和高濃度的鋁酸鈉溶液處于介穩(wěn)狀態(tài)，而在溫度和濃度降低的時(shí)候則自發(fā)分解析出氫氧化鋁沉淀，拜耳法便是建立在這樣的基礎(chǔ)上的。鋁土礦所含的一水和三水氧化鋁在一定條件下（提高溫度和濃度）以鋁酸鈉的形式進(jìn)入溶液。在95~100攝氏度時(shí)鋁酸鈉穩(wěn)定，當(dāng)降低溫度和濃度時(shí)它轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，析出氫氧化鋁。精精礦礦漿配制預(yù)脫硅溶出赤泥分離種子分解過(guò)濾洗滌焙燒氧化鋁水赤泥水圖2.1拜耳法生產(chǎn)流程按拜耳法制取氫氧化鋁的過(guò)程：1、鋁土礦的溶出鋁土礦在溶出之前，先在礦山粗碎，然后再冶金混勻、中碎、細(xì)碎和濕磨。堅(jiān)硬的鋁土礦在工廠中用2~3級(jí)破碎，松軟的用1~2級(jí)破碎。鋁土礦在球磨機(jī)中濕磨，磨機(jī)與分級(jí)機(jī)或水利旋流器組成閉路循環(huán)。細(xì)磨過(guò)程在鋁酸鈉中進(jìn)行，液固比為0.8~1.0。大部分循環(huán)溶液在其加熱溶出之前加入到分級(jí)機(jī)和攪拌槽中，以制備原礦漿。鋁土礦的溶出應(yīng)該在消耗最小而氧化鋁進(jìn)入溶液的溶出率最高的條件下進(jìn)行。對(duì)于鋁土礦的溶出速度和程度起作用的主要因素如下：溫度、循環(huán)液的濃度和苛性比、鋁土礦的細(xì)磨程度、原礦漿的攪拌速度和石灰添加量。溫度是影響溶出過(guò)程的主要因素。為了達(dá)到目前實(shí)踐中所允許的速度，三水鋁石型鋁土礦的溶出過(guò)程是在95~100攝氏度進(jìn)行的，一水軟鋁石型鋁土礦是在150~200攝氏度進(jìn)行的，一水硬鋁石型鋁土礦是在230~245攝氏度進(jìn)行的。石灰石對(duì)一水軟硬鋁石型鋁土礦的溶解速度和程度有十分良好的作用，向過(guò)程中添加石灰石對(duì)一水鋁石型鋁土礦的溶出過(guò)程有很大的意義。鋁土礦中未溶出的氧化鋁一般為0.5~5%。2、赤泥的分離和洗滌鋁土礦溶出后的漿液用赤泥洗滌過(guò)程得到的一次洗液稀釋至三氧化二鋁的濃度為120~150克/升。為了實(shí)現(xiàn)鋁酸鈉的脫硅并保證溶液黏度降低到赤泥分離過(guò)程能以工業(yè)要求的速度進(jìn)行，這種稀釋過(guò)程是必要的。赤泥的分離和洗滌方法和設(shè)備流程取決于鋁土礦的處理方法。3、鋁酸鈉溶液的分解過(guò)濾之后的鋁酸鈉溶液，在分解前，在換熱器中自95~100攝氏度冷卻到50~55攝氏度，分解過(guò)程持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間（50~60小時(shí)）。4、母液的蒸發(fā)為了使拜耳循環(huán)閉路，根據(jù)鋁土礦溶出條件將母液蒸發(fā)到氧化鈉濃度為200~300克/升的循環(huán)母液。蒸發(fā)水量取決于溶出溫度和被洗滌的赤泥的物理過(guò)程。蒸發(fā)過(guò)的溶液冷卻時(shí)，結(jié)晶出純堿，隨同析出的還有各種有機(jī)物和其他雜質(zhì)。5、循環(huán)純堿的苛化補(bǔ)充的純堿以及溶液蒸發(fā)時(shí)析出的棕色純堿都用石灰乳苛化，以制取苛性堿來(lái)補(bǔ)償拜耳法中的堿損失。為了避免在沉淀中生成難溶的復(fù)鹽，這個(gè)過(guò)程是在氧化鈉的濃度約為100克/升的溶液中進(jìn)行的。6、氫氧化鋁的煅燒最后這道工序的目的是將氫氧化鋁在1200~1250攝氏度煅燒使之成為成品氧化鋁。2.2.3所有類型的高硅原料都可以用這種方法處理。燒結(jié)法的實(shí)質(zhì)是含鋁原料與純堿、石灰石一同燒結(jié)時(shí)原料中的硅轉(zhuǎn)變?yōu)樵趬A溶液中難溶的化合物原硅酸鈣，而鋁和鐵轉(zhuǎn)變?yōu)殇X酸鈉和鐵酸鈉。含鋁原料與純堿、石灰石燒結(jié)時(shí)，各原始組分的固體粉末之間的化學(xué)反應(yīng)，是在有少量熔體存在下進(jìn)行的。硅渣、堿赤泥漿硅渣、堿赤泥漿配料過(guò)程鋁礦、石灰、煤、堿粉等原料配料濕磨生料漿調(diào)整燒結(jié)窯溶出脫硅過(guò)濾蒸發(fā)焙燒氧化鋁熟料新堿液圖2.2燒結(jié)法生產(chǎn)流程其制取氫氧化鋁的過(guò)程為：1、生料備制。2、生料燒結(jié)3、鋁酸鹽熟料的破碎和溶出。4、泥渣的分離和洗滌及鋁酸鈉溶液的脫硅5、溶液炭化分解，氫氧化鋁的分離和洗滌6、純堿母液的蒸發(fā)7、石灰石的煅燒和氫氧化鋁的煅燒在處理鋁土礦的燒結(jié)法中，循環(huán)的物料是純堿而不是拜耳法中的苛性鈉，溶液是用炭化方法來(lái)分解的。純堿以蒸發(fā)后濃溶液形態(tài)返回到生料配制過(guò)程。2.2.41、并聯(lián)法在并聯(lián)法中，大部分鋁土礦按拜耳法處理，由燒結(jié)法處理的只是少部分。這兩部分平行的進(jìn)行直到成為鋁酸鈉溶液為止，然后將燒結(jié)法的脫硅的鋁酸鈉溶液與拜耳法部分的溶液混合，再將混合的溶液加晶種分解。圖2.3并聯(lián)法生產(chǎn)流程并聯(lián)法的優(yōu)越性：可以在一個(gè)工廠里高硅和低硅兩種鋁土礦。拜耳法循環(huán)中的全部苛性堿損失都用鋁土礦燒結(jié)時(shí)的苛化來(lái)補(bǔ)償，降低了成本。燒結(jié)法部分除了實(shí)現(xiàn)純堿的熱化苛化，還增產(chǎn)一定量的氧化鋁。拜耳法赤泥經(jīng)洗滌和過(guò)濾后，用燒結(jié)法回收其中的氧化鋁和氧化鈉。燒結(jié)法除了處理拜耳法赤泥外，尚添加相當(dāng)數(shù)量的低品位的鋁土礦。2、串聯(lián)法在串聯(lián)法中，鋁土礦常壓溶出或壓煮溶出后的高氧化鋁和氧化鈉赤泥與純堿和石灰石一同燒結(jié)。熟料溶出后的鋁酸鈉溶液經(jīng)過(guò)脫硅，然后與稀釋的拜耳法溶液混合到一起分解。母液蒸發(fā)出的棕色純堿在燒結(jié)之前與赤泥、棕色純堿返料、石灰石和霞石組成的。加入的霞石數(shù)量應(yīng)該保證完全補(bǔ)償拜耳法中苛性堿損失。圖2.4串聯(lián)法生產(chǎn)流程在燒結(jié)過(guò)程處理赤泥時(shí)，生料的組成應(yīng)該保證在熟料中得到鋁酸鈉、原硅酸鈣，或是合成鐵酸鈣。在燒結(jié)過(guò)程中氧化時(shí)催化劑。串聯(lián)法適用于處理高硅鋁土礦，具有以下優(yōu)化：有當(dāng)量的純堿來(lái)補(bǔ)償苛性堿的損失。原料中總氧化鋁回收高。燒結(jié)過(guò)程的生料流量較燒結(jié)法少。2.2.5選礦拜耳法生產(chǎn)工藝與燒結(jié)法有很大不同，總體上可分為選礦和拜耳法兩大部分。選礦部分主要包括磨浮選礦、礦漿調(diào)配等工段；拜耳法部分主要包括高壓溶出、種子分解、過(guò)濾洗滌、焙燒等工段。2.3高壓溶出工序高壓溶出工序?qū)儆诎荻ㄖ械囊粋€(gè)環(huán)節(jié)。它也是混聯(lián)法生產(chǎn)氧化鋁的生產(chǎn)過(guò)程中的重要工序。高壓溶出的目的就是用苛性鈉溶液把鋁土礦中的氧化鋁溶出來(lái)。雙程預(yù)熱器雙程預(yù)熱器溶出堿液溶出器新蒸汽蒸汽新蒸汽自蒸發(fā)器乏汽稀釋蒸汽緩沖器圖2.5高壓溶出生產(chǎn)流程高壓溶出的生產(chǎn)條件為：2.0~2.2Mpa的高壓；245攝氏度的高溫。高壓溶出的化學(xué)反應(yīng)可以分為兩大類：Ⅰ、氧化鋁水合物的溶出反應(yīng)，這是主反應(yīng)。Ⅱ、各種雜質(zhì)在溶出過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)，這是副反應(yīng)。為了使高壓溶出過(guò)程得到良好的效果，必須掌握主副反應(yīng)的規(guī)律。2、溶出化學(xué)反應(yīng)在常壓下低堿濃度溶液中溶出三水鋁石型鋁土礦時(shí)，其中Al(OH)3與NaOH發(fā)生反應(yīng)：用高堿濃度或用稀堿溶液在較高溫度下溶出一水鋁石型鋁土礦時(shí)，反應(yīng)如下：3、溶出速度鋁土礦溶出屬于多相反應(yīng)，即液體和固體之間的反應(yīng)，其特征是反應(yīng)過(guò)程發(fā)生于兩相（礦粒與堿液）的界面上。兩相接觸界面的OH-,由于不斷反應(yīng)而逐漸消耗，在靠近礦粒表面層的溶液中的OH-濃度顯著降低。同時(shí)，在這一層中的反應(yīng)產(chǎn)物Al(OH)4-或Al(OH)2-的濃度則接近飽和，于是形成擴(kuò)散層。OH-通過(guò)擴(kuò)散層不斷地向固相（礦粒）表面移動(dòng)與氧化鋁水合物反應(yīng)，而反應(yīng)產(chǎn)物Al(OH)4-或Al(OH)2-則不斷地通過(guò)擴(kuò)散層向外移動(dòng)（離開(kāi)礦粒），使反應(yīng)能繼續(xù)進(jìn)行。因此，鋁土礦的溶出過(guò)程可分為下列幾步：(1)、循環(huán)母液濕潤(rùn)礦粒表面；(2)、OH-與氧化鋁水合物反應(yīng)；(3)、形成NaAl(OH)4或NaAl(OH)2擴(kuò)散層；(4)、Al(OH)4-或AlO(OH)2-從擴(kuò)散層擴(kuò)散出來(lái)，而OH-則從溶液中擴(kuò)散到固液接觸面上。鋁土礦的溶出過(guò)程在低溫低堿濃度下的溶出速度隨溫度變化很快，因而在這種情況下的溶出速度是決定于化學(xué)反應(yīng)。在高溫高堿濃度下，化學(xué)反應(yīng)速度極快，此時(shí)溶出速度隨溫度變化而變化的幅度較小，因而這時(shí)溶出速度決定于擴(kuò)散。溶出速度可以用下式表示：由溶出速度的表達(dá)式可得下式：當(dāng)?shù)V石一定時(shí)，其粘度一定，且P、S均為常數(shù)，則從式中可以看出通過(guò)控制溫度T，可以控制反應(yīng)速度。并且，通過(guò)提高溫度來(lái)提高溶出反應(yīng)的速度也是可行的。第三章氧化鋁高壓溶出工序生產(chǎn)設(shè)備及控制要求高壓溶出工序的生產(chǎn)設(shè)備主要包含四個(gè)部分：1、雙程預(yù)熱器，2、溶出器，3、自蒸發(fā)器，4、蒸汽緩沖器。它們?nèi)渴遣煌Y(jié)構(gòu)的高壓罐。高壓溶出工序生產(chǎn)設(shè)備的四個(gè)部分中，各部分高壓罐的級(jí)數(shù)是由各工廠的實(shí)際情況和設(shè)計(jì)情況來(lái)定的。但是，各部分生產(chǎn)設(shè)備的功能并不因工廠的不同而不同。在此次的課程設(shè)計(jì)中所做的高壓溶出工序源自于鄭州鋁廠。因此，在后面介紹高壓溶出工序各部分生產(chǎn)設(shè)備時(shí)，如涉及到具體的量或某高壓罐的級(jí)數(shù)的話，那就是說(shuō)它是針對(duì)于鄭州鋁廠而言的。首先對(duì)后面將要用到的符號(hào)作相應(yīng)的解釋：

I表示該監(jiān)測(cè)量要顯示

P表示該監(jiān)測(cè)量為壓力

T表示該監(jiān)測(cè)量為溫度

T這個(gè)T是緊跟在壓力或溫度后面的，表示該監(jiān)測(cè)量要傳送

F表示該監(jiān)測(cè)量為流量3.1雙程預(yù)熱器雙程預(yù)熱器有四組雙程預(yù)熱罐。采用高壓蒸汽間接加熱。其內(nèi)部是蒸汽管。礦漿在蒸汽管外，包圍著蒸汽管，由60攝氏度被加熱到195攝氏度左右，稱為預(yù)熱。這時(shí)，因?yàn)榈V漿溫度低（反應(yīng)溫度為245攝氏度），所以還不能用于生產(chǎn)。預(yù)熱器在此次控制系統(tǒng)未作要求。3.2溶出器溶出器由九個(gè)高壓罐串聯(lián)構(gòu)成，1#罐和2#罐用高壓蒸汽直接加熱使礦漿達(dá)到溶出溫度（245攝氏度左右）。溶出器內(nèi)加熱為直接加熱，其效率較高，但是加熱過(guò)程中由蒸汽帶來(lái)了水份，使得礦漿溶液的濃度降低。溶出器的溫度是溶出溫度，對(duì)氧化鋁的溶出率影響很大，保持溶出溫度穩(wěn)定，是提高溶出率的關(guān)鍵之一。在溶出穩(wěn)度低到一定值（240攝氏度），則控制變頻調(diào)速裝置，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少進(jìn)入高壓溶出器的礦漿流量（每降低1攝氏度，則減少礦漿流量0.5%）；若溶出溫度高到一定值（250攝氏度），則控制變頻調(diào)速裝置，提高電機(jī)速度，增加進(jìn)入高壓溶出器的礦漿流量（每提高1攝氏度，則增加礦漿流量0.5%），以保證溶出溫度的穩(wěn)定。礦漿經(jīng)1￣9溶出器后，形成一定的壓差，為了保證正常生產(chǎn)，壓差應(yīng)盡量穩(wěn)定在0.2MPa左右。溶出器需要監(jiān)測(cè)的量有:1#~9#溶出器的壓力PT401~PT409以及就地儀表顯示的量PI401~PI409。在此次控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的是3#溶出器溫度控制系統(tǒng)，3#溶出器需要將其溫度控制在工藝要求的溶出溫度245攝氏度左右，精度控制在+0.5攝氏度。3.3自蒸發(fā)器自蒸發(fā)器的作用主要是回收熱量。它由五個(gè)高壓罐組成，各級(jí)壓力逐漸降低，由2.0~2.2Mpa下降到0.2Mpa。在壓力下降的過(guò)程中，蒸汽會(huì)從礦漿中逸出。其產(chǎn)生的蒸汽稱為乏氣。不同壓力的乏氣被送至雙程預(yù)熱器用作加熱礦漿。圖3.1自蒸發(fā)器高壓罐為了既充分利用乏汽又保證自蒸發(fā)器正常工況，選擇自蒸發(fā)器壓力作為監(jiān)測(cè)量。自蒸發(fā)器需要監(jiān)測(cè)的量有：自蒸發(fā)器各級(jí)的壓力PT501~PT505；同時(shí)還有就地顯示儀表PI501~PI505；需要控制的壓力PC,不能過(guò)高亦不能過(guò)低。在此次控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，自蒸發(fā)器部分包括Ⅰ#，Ⅱ#，Ⅲ#自蒸發(fā)器壓力控制三部分。氧化鋁高壓溶出工序蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)分為Ⅰ#~Ⅴ#自蒸發(fā)器的分步控制，通過(guò)這五步的控制使壓力由2.0~2.2Mpa降到0.2Mpa。礦漿由Ⅰ#自蒸發(fā)器進(jìn)入，通過(guò)調(diào)節(jié)蒸汽流量來(lái)控制自蒸發(fā)器的壓力。給定的礦漿流量值經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)蒸汽來(lái)達(dá)到所要求的Ⅰ#自蒸發(fā)器的出口壓力值。之后礦漿進(jìn)入到Ⅱ#自蒸發(fā)器，經(jīng)調(diào)節(jié)最后由Ⅴ#自蒸發(fā)器流出，此時(shí)壓力為所需要的值。壓力的控制精度應(yīng)為：+0.1Mpa。自蒸發(fā)器的壓力控制可以通過(guò)控制蒸汽的流量來(lái)調(diào)節(jié)壓力的變化，用壓力變送器來(lái)檢測(cè)壓力并返回控制。3.4蒸汽緩沖器蒸汽緩沖器用于存儲(chǔ)高壓蒸汽，給1#溶出器和2#溶出器提供加熱蒸汽。其高壓蒸汽一般為2.4Mpa。它有穩(wěn)定加熱蒸汽壓力的作用。在此次控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，蒸汽緩沖器部分包括蒸汽緩沖器壓力控制。為了防止蒸汽緩沖器的礦漿倒流，其進(jìn)口壓力必須為3.3MPa,出口壓力為3.15MPa，若蒸汽緩沖器的進(jìn)出口壓力降低了0.05MPa，則給出報(bào)警信號(hào)。圖3.2蒸汽緩沖器高壓罐蒸汽緩沖器需要監(jiān)視的量有：TT301和PT301；就地顯示的量有：TI301和PI301蒸汽緩沖器中的蒸汽來(lái)自鍋爐房（熱電廠）。有新蒸汽Z2、Z3加入。此處需要監(jiān)測(cè)蒸汽的流量FT101和FT102（此處監(jiān)測(cè)蒸汽流量主要是為了與鍋爐房輸出的流量作比較，用作蒸汽費(fèi)用憑證）。新蒸汽的壓力是由電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)。第四章氧化鋁高壓溶出工序3#溶出器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1方案論證溶出器由九個(gè)高壓罐串聯(lián)構(gòu)成，1#罐和2#罐用高壓蒸汽直接加熱使礦漿達(dá)到溶出溫度（245攝氏度左右）。然后礦漿從2#罐流入3#罐進(jìn)行鋁土礦的溶出，在3#溶出器中需要將其溫度控制在工藝要求的溶出溫度245攝氏度左右，精度控制在+0.5攝氏度?？刂破鞑捎脝纹瑱C(jī)可以取得比較好的控制效果，。但采用單片機(jī)控制軟件編程復(fù)雜,積木式搭建的硬件可靠性較低。采用小型的模塊化PLC控制溫度系統(tǒng)，不僅簡(jiǎn)單方便而且可靠性大大提高。PLC是一種專門(mén)用于工業(yè)環(huán)境過(guò)程控制的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng),是集自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信等功能于一體的自動(dòng)化裝置,可靠性高、功能完善，具有編程簡(jiǎn)單、體積小、重量輕等特點(diǎn)。控制方案采用數(shù)字PID控制，根據(jù)檢測(cè)到的溫度值和設(shè)定值之間的偏差，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算得到控制輸出值控制變頻調(diào)速裝置，以便調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速改變進(jìn)入高壓溶出器的礦漿流量來(lái)控制溫度保持在設(shè)定值。整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的原理如圖4.1所示：TTueR(s)——變頻器交流電機(jī)PLC3#溶出器溫度傳感器圖4.13#溶出器溫度控制系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由控制器PLC、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)對(duì)象3#溶出器、溫度傳感器等四大環(huán)節(jié)組成,構(gòu)成負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。4.2硬件設(shè)計(jì)4.2.1P根據(jù)控制工藝的要求、綜合輸入、輸出點(diǎn)以及性價(jià)比等綜合因素,選擇西門(mén)子公司的SIMATICS7-200作為數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、自動(dòng)操作和回路控制的核心，S7-200是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的一種小型PLC，其許多功能達(dá)到大中型PLC的水平，而價(jià)格卻和小型PLC的一樣。S7-200CPU22*系列PLC具有多種功能模塊和人機(jī)界面(HMI)可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易的組成PLC網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)更加簡(jiǎn)單，幾乎可以完成任何功能的控制任務(wù)。S7-200PLC硬件系統(tǒng)由CPU模塊、擴(kuò)展模塊、特殊功能模塊、編程器和工業(yè)軟件。CPU模塊采用CPU224，它由14輸入/10輸出，I/O共計(jì)24點(diǎn)，可以有7個(gè)擴(kuò)展模塊，有內(nèi)置時(shí)鐘，它有更強(qiáng)的模擬量和高速計(jì)數(shù)的處理能力。另外同時(shí)還選擇一塊模擬量輸入擴(kuò)展模塊EM231，模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊EM235。確定控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量輸入輸出信號(hào)點(diǎn)數(shù)：1、輸人信號(hào)點(diǎn)數(shù)溫度控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止開(kāi)關(guān)各需點(diǎn)動(dòng)按鈕一個(gè),此外還需要手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕一個(gè)。因此,共需開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)3個(gè)。2、輸出信號(hào)點(diǎn)數(shù)指示系統(tǒng)運(yùn)行和報(bào)警的指示燈各1個(gè),因此,共需開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)2個(gè)。模擬量輸入、輸出特殊功能模塊：1、模擬量輸人模塊的選擇與連接本系統(tǒng)使用熱電偶來(lái)測(cè)量溶出器溫度,選用可以與熱電偶直接相連而不需要溫度變送器的模擬量輸人特殊功能模塊EM231一塊，其包括有4路熱電偶輸入,其輸入電壓為0～24VDC,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)值為:0～1023,最大誤差≤0.2%。輸入點(diǎn)內(nèi)部均有一放大器,增益<10～>100倍。2、模擬量輸人模塊的選擇PLC需要輸出4～20mA電流信號(hào)給變頻器，選取模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊EM235，它具有4路模擬量輸入/1路模擬量輸出，為以后的系統(tǒng)擴(kuò)展提供方便。表4.1輸入輸出地址分配表輸入地址外設(shè)名稱輸出地址外設(shè)名稱I0.0啟動(dòng)按鈕Q0.0運(yùn)行指示燈I0.1停止按鈕Q0.1報(bào)警指示燈I0.2手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕AQW0變頻器AIW0熱電偶輸入其配置圖如圖4.2所示。手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕變頻器熱電偶運(yùn)行指示燈故障指示燈停止按鈕啟動(dòng)按鈕I0.0Q0.0I0.1Q0.1S7-200I0.2CPUEM231AIW0EM235AQW0圖4.2PLC與輸入、輸出設(shè)備之間的接線圖4.2.2為了實(shí)現(xiàn)對(duì)溶出器溫度的精確測(cè)量,可采用以下技術(shù)措施：1、選擇工業(yè)應(yīng)用最多、適應(yīng)氧化性氣氛、線性度好的K型熱電偶，WRN系列K防爆熱電偶HT-131允許等級(jí)I級(jí)，用于測(cè)量生產(chǎn)過(guò)程中范圍在0℃～+1300℃之間的液體、蒸汽、氣體介質(zhì)及固體表面的溫度,以充分保證測(cè)量精度。2、為了保證測(cè)量結(jié)果能充分反映溶出器內(nèi)的實(shí)際情況,采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量點(diǎn)數(shù)量和位置。3、為了節(jié)省昂貴的熱電極金屬以及避免熱電偶冷端受爐體熱輻射等的影響,在熱電偶和模擬量輸入模塊EM231之間用補(bǔ)償導(dǎo)線連接。4.2.3顯示儀表用于顯示溫度的值，以便進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)采用XSD多通道數(shù)顯表進(jìn)行顯示，XSD多通道數(shù)顯表進(jìn)行顯示可與各類模擬量輸出的傳感器、變送器配合完成溫度、壓力、流量和液位等物理量的測(cè)量變換和顯示。XSD多通道數(shù)顯表的注意性能指標(biāo)如下：輸入信號(hào)類型，如電壓、電流、熱電阻、熱電偶、電位器、遠(yuǎn)傳壓力表等。對(duì)來(lái)自傳感器、變送器的輸入信號(hào)具有誤差修正和故障檢測(cè)功能，有效提高系統(tǒng)的測(cè)控性能。最多可有8點(diǎn)報(bào)警輸出，可選擇10種報(bào)警方式，報(bào)警靈敏度獨(dú)立設(shè)定，防止干擾原因造成誤報(bào)。多重保護(hù)，隔離設(shè)計(jì)，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。各通道輸入信號(hào)及量程獨(dú)立設(shè)定，各通道調(diào)校、數(shù)字濾波獨(dú)立設(shè)定。精度：優(yōu)于0.2%FS。供電：220VAC,24VDC或12VDC。測(cè)控周期：0.2s。顯示范圍：-1999～9999。4.2.4變頻器的選型以前工業(yè)生產(chǎn)中常采用滑差調(diào)速、直流調(diào)速兩種傳統(tǒng)的調(diào)速方式,這些調(diào)速方式已滿足不了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)克服了以上兩種調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn),具有節(jié)能、線性調(diào)速、保護(hù)可靠、維護(hù)量小等諸多優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)選用西門(mén)子MMV400變頻器,將此變頻器設(shè)置為4～20mA的電流控制，由PLC控制器判斷比較用戶指令和現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)反饋后發(fā)送4～20mA電流至變頻器的4-,2,3+模擬量輸入口,變頻器將輸入的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的頻率后輸出控制電機(jī),電路如圖4.3所示。圖4.3變頻器接線原理圖整個(gè)儀表的清單如表4.2所示：表4.2儀表清單儀表名稱儀表型號(hào)數(shù)量PLC西門(mén)子S7-2001臺(tái)溫度傳感器WRN系列K防爆熱電偶HT-1311個(gè)顯示儀表XSD多通道數(shù)顯表1臺(tái)變頻器西門(mén)子MMV4001臺(tái)4.3控制算法由于溫度控制本身有一定的滯后性和慣性,這使系統(tǒng)控制出現(xiàn)誤差。為了減小誤差提高系統(tǒng)控制精度。我們采用PID控制算法。比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；積分控制的作用是，只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；微分控制可以減小超調(diào)量，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。模擬PID控制算法為：（4.1）在數(shù)字PID算法中，PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化為差分方程。數(shù)字PID位置型控制算法為為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，必須把式（4.1）變換為差分方程，為此可作如下近似：（4.2）（4.3）式中，T為采樣周期，k為采樣序號(hào)。由式（4.1）、（4.2）、（4.3）可得數(shù)字PID位置型控制算式為（4.4）式（4.4）表示的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置u(k)，如閥門(mén)的開(kāi)度，所以被稱為數(shù)字PID位置型算式。4.4軟件設(shè)計(jì)S7-200PLC采用梯形圖編程，其專門(mén)有一個(gè)PID指令，如圖4.4所示。PIDPIDENENOTBLLOOP圖4.4PID指令TBL是回路表的起始地址,LOOP是回路的編號(hào),可以是0-7的常數(shù)。PID指令有一個(gè)能流記憶位,用該位檢測(cè)到EN輸入端從0到1正跳時(shí),指令執(zhí)行一系列操作,使PID能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)的切換。PID運(yùn)算程序流程如圖3所示。PID回路有2個(gè)輸入量即SP(給定值)和PV(過(guò)程變量)。SP通常是固定值,PV則要經(jīng)過(guò)擴(kuò)展模塊經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到。SP與PV是實(shí)際值,由于PLC考慮到系統(tǒng)的通用性,對(duì)不同系統(tǒng)的數(shù)字大小、范圍與工程單位的區(qū)別,故在PID運(yùn)算之前要將他們轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化浮點(diǎn)數(shù),即轉(zhuǎn)換為0.0～1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù),這可通過(guò)指令運(yùn)算來(lái)完成。與之相對(duì)應(yīng)回路的輸出,要將運(yùn)算后的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)(0.0～1.0之間)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的整數(shù),再通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換輸出。S7-200的PID指令沒(méi)有設(shè)置控制方式,執(zhí)行PID指令時(shí)為自動(dòng)方式,不執(zhí)行PID指令時(shí)為手動(dòng)方式。I0.2是手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)信號(hào)，I0.2為1時(shí)，為系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。整個(gè)程序包括主程序、初始化子程序SBR_0和中斷服務(wù)程序INT_0。主程序的方框圖：NNY開(kāi)始調(diào)用初始化子程序停止嗎？結(jié)束圖4.5主程序框圖初始化子程序SBR_0是將設(shè)定值、采樣時(shí)間、比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間和定時(shí)中斷設(shè)定好。由于溶出器的傳遞函數(shù)無(wú)法確定,因此的參數(shù)只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法來(lái)選取。假如還需要更精確的調(diào)整，在這個(gè)基礎(chǔ)上再進(jìn)行整定。其程序框圖為開(kāi)始開(kāi)始設(shè)置設(shè)定值、采樣時(shí)間、比例增益、積分時(shí)間和微分時(shí)間結(jié)束設(shè)定定時(shí)中