氧化铝生产分解过程控制系统软件设计与开发

作     者：王浪波 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：柴天佑;张立岩

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0835[工学-软件工程] 081202[工学-计算机软件与理论] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：氧化铝生产分解过程 中间降温过程 控制系统软件 未建模动态补偿 仿真实验 软件测试 

摘      要：分解过程是拜耳法的氧化铝生产的重要工序,其主要作用是从沉降得到的铝酸钠溶液中分解析出氢氧化铝。分解过程的目标是在保证氢氧化铝粒度合格的前提下,实现分解率指标在目标范围内容尽可能接近上限。分解过程工艺复杂、流程长、设备多、物料转化过程复杂,难以实现全过程的自动化运行,关键回路如分解工序的中间降温过程影响着分解率,该过程具有大惯性、非线性、强干扰等综合复杂性,处于操作人员凭经验来进行人工控制,导致了生产效率和产品质量降低。因此,实现分解过程的自动控制是保证分解目标的关键。针对上述问题,本文以国内某氧化铝工程项目为背景,研发了氧化铝生产分解过程控制系统软件。本文的主要工作如下:(1)针对分解的中间降温过程模型具有强非线性、模型参数时变等的特性,从非稳态能量平衡原理出发建立了中间降温过程的机理模型;在分析模型特性的基础上,针对常规串级控制难以将分解槽的分解温度控制在工艺规定的范围内的难题,提出换热器料浆进出口温差的基于未建模动态补偿串级PI控制方法,其冷却水流量内环采用PI控制,料浆进出口温差外环采用基于未建模动态补偿PI控制。(2)根据分解过程的工艺要求,将DCS控制系统与分解过程结合,设计了分解过程控制系统软件,该软件由回路控制软件、逻辑控制软件、过程监控软件组成。回路控制软件实现了对旋流器给料压力和浓度、旋流器底流浓度、换热器料浆温差的稳定控制。逻辑控制实现分解槽搅拌电机、分级喂料泵、电动蝶阀、底流泵、板式换热器喂料泵等单体设备的启停控制和上下游设备的安全联锁控制。过程监控软件实现对分解过程数据和设备状态进行监控,并在发现异常时自动报警等。(3)基于DCS控制系统平台,采用组态软件工具Studio 5000及模块化编程思想,开发了分解过程逻辑控制软件模块和回路控制软件模块,其中逻辑控制软件模块使用标准管脚实现外部联锁条件的灵活定义,回路控制软件模块实现了本文所提出的料浆进出口温差串级回路控制算法及其他常规回路控制算法。采用监控组态软件FactoryTalk View SE开发了基于C/S架构的分解过程监控软件模块,实现了对分解过程的实时监控。(4)结合半实物仿真系统,开发了中间降温过程模型的仿真软件,对所开发的料浆进出口温差的串级控制软件进行仿真实验,针对所开发的氧化铝生产分解过程控制系统软件中的逻辑控制模块和过程监控模块进行了软件功能测试、系统测试和工业现场测试。