PAGEPAGE9目錄第一章概述 11.1設計目的 21.2具體任務 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)的國內外現(xiàn)狀 32.2氧化鋁生產(chǎn)過程 42.3高壓溶出工序 9第三章氧化鋁高壓溶出工序生產(chǎn)設備及控制要求 123.1雙程預熱器 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)設計 164.1方案論證 164.2硬件設計 174.3控制算法 204.4軟件設計 21第五章總結 245.1方案評價及改進方向 245.2收獲及體會 24參考文獻 26第一章概述現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程，隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，生產(chǎn)過程的強化，對產(chǎn)品質量的嚴格要求，以及各公司的激烈競爭，人工操作與控制已遠遠不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，工業(yè)過程控制系統(tǒng)已成為工業(yè)生產(chǎn)過程必不可少的設備，因為，它是保證現(xiàn)代企業(yè)安全、優(yōu)化、低功耗和高效益生產(chǎn)的主要技術手段。由于工業(yè)生產(chǎn)過程各種各樣而且非常復雜，工業(yè)生產(chǎn)過程可分連續(xù)的生產(chǎn)過程和離散的生產(chǎn)過程。因此，在設計工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)時，必須花大量的時間和精力了解該工業(yè)生產(chǎn)過程的基本原理、操作過程和過程特性，這是設計和實現(xiàn)一個工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的首要條件。工業(yè)生產(chǎn)過程由簡單到復雜，規(guī)模由小到大。至今，已有各種各樣的生產(chǎn)工業(yè)過程，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)過程的一部分的工業(yè)過程控制系統(tǒng)也在不斷發(fā)展和提高。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，通常需要測量和控制變量有：溫度、壓力、流量、物位（液位）、物質成分和物性（PH值）等。1.1設計目的經(jīng)過一個學期的過程控制系統(tǒng)課程的學習，對過程控制有了一個基本的了解。然而僅僅在理論方面是遠遠不夠的，需要將所學的應用于實際生產(chǎn)過程中，只有這樣才能真正的對過程控制有一個比較深入的認識，為以后的學習和工作打下一個良好的基礎。通過這次課程設計，我們可以了解具體生產(chǎn)工業(yè)過程控制系統(tǒng)設計的基本步驟和方法。同時也對氧化鋁的生產(chǎn)工藝有一個大概的認識，只有弄清楚生產(chǎn)工藝對控制的具體要求，才能去設計一個過程控制系統(tǒng)。1.2具體任務由于氧化鋁的生產(chǎn)工序相當復雜，相關的控制系統(tǒng)也很復雜。因此在此次的課程設計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)設備源自于鄭州鋁廠。本次課程設計的具體任務是設計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，一直以來都是經(jīng)濟發(fā)展過程中的重要材料，在國民經(jīng)濟的各個領域得到廣泛的應用。近年來，鋁產(chǎn)量大幅增長，作為電解鋁的原料，氧化鋁的供應顯得尤為重要，國內氧化鋁供應緊張、價格不斷攀升。近年以來氧化鋁的產(chǎn)量大幅攀升，供應的壓力得到一定的緩解，價格也有一定程度的回落。但從長遠來看，氧化鋁作為資源性產(chǎn)品的供應應該得到重視，我們不僅要增加產(chǎn)量，更重要的是提升氧化鋁的質量。從而提高鋁產(chǎn)品的質量，滿足日益增長的國民經(jīng)濟的需要。要提升氧化鋁的質量，除了改進工藝之外，改善控制系統(tǒng)和提高控制精度也至關重要。第二章氧化鋁高壓溶出工序介紹2.1鋁工業(yè)的國內外現(xiàn)狀鋁和鋁合金是國民經(jīng)濟、國防軍工和民用制品的基礎原材料。鋁工業(yè)是國家的基礎工業(yè)之一。高性能鋁合金是制造飛機、潛艇、火箭、導彈、魚雷、坦克的重要部件的原材料，被稱為國家的戰(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。我國具有豐富的鋁土礦資源，迄今，我國已探明鋁土礦礦區(qū)310處，分布于全國19個省、自治區(qū)、直轄市。其中工業(yè)儲量7.05億t，占總保有儲量的31%。國內的氧化鋁生產(chǎn)從50年代起步，80~90年代得到了快速發(fā)展，年生產(chǎn)能力已達到近800萬噸。2006年氧化鋁年產(chǎn)量約高達1300萬噸，較去年同期提高57%，居世界第二位。國內氧化鋁生產(chǎn)狀況，改革開放以來，為適應國民經(jīng)濟發(fā)展的需要，國家在鋁土礦資源豐富的四省區(qū)內大力發(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目。采用新工藝、新技術和先進設備，加大對已有的山東鋁廠、貴州鋁廠和鄭州鋁廠的技術改造，提高產(chǎn)能，形成了六個氧化鋁廠為基地的生產(chǎn)布局。為進一步發(fā)揮桂西和晉北鋁土礦資源優(yōu)勢，國家規(guī)劃建設華銀氧化鋁和晉北氧化鋁基地，進一步擴大氧化鋁產(chǎn)能，使氧化鋁基地由六個增加到八個。國內氧化鋁供應緊張、價格不斷攀升。據(jù)有關數(shù)據(jù)，2006年1-2月份，我國共生產(chǎn)氧化鋁177.6萬噸，同比增長44.6％。06年前9個月氧化鋁產(chǎn)量為944萬噸，較去年同期提高57%。2007年的國際市場上，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鋁產(chǎn)量增長過快，鋁市短期內出現(xiàn)了供過于求格局。全球金屬統(tǒng)計局（WBMS）去年10月中旬表示，2007年1-8月份全球鋁市過剩36.8萬噸。8月份原鋁產(chǎn)量為325.76萬噸，消費量為302萬噸，去年前8個月原鋁需求為2450萬噸，較去前年同期增加19.67萬噸。同期鋁產(chǎn)量增加25.85萬噸至2484萬噸。全球鋁需求的增長趕不上產(chǎn)出的增速。供應增長的壓力在庫存上得以顯現(xiàn)，并成為鋁價大幅回落的主要因素。2007年1-9月我國累計生產(chǎn)原鋁890.1萬噸，同比增長37.1%；累計生產(chǎn)鋁材839.8萬噸，同比增長47.1%。下游消費需求大幅增長的同時，氧化鋁供應亦高水平增長。1-9月我國累計生產(chǎn)氧化鋁1439.7萬噸，同比增加50.7%。在供需兩旺的情況下，供應方面的因素主導了下半年來氧化鋁價格的走勢。2.2氧化鋁生產(chǎn)過程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的含量又各不相同。為了最經(jīng)濟地生產(chǎn)出氧化鋁，對不同的鋁礦石便需采用不同的生產(chǎn)方法。鋁土礦的特點是化學組成和礦物組成多種多樣，要采用不同的方法來處理。鋁土礦處理方法和合理的工藝設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)氧化鋁的實質是將鋁轉變?yōu)殇X酸鈉進入苛性堿溶液。鋁原料中可溶SiO2含量越高，轉變?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。鋁硅比是評價鋁土礦質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）以鋁酸鈉的形式進入溶液。在95~100攝氏度時鋁酸鈉穩(wěn)定，當降低溫度和濃度時它轉變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，析出氫氧化鋁。精精礦礦漿配制預脫硅溶出赤泥分離種子分解過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、細碎和濕磨。堅硬的鋁土礦在工廠中用2~3級破碎，松軟的用1~2級破碎。鋁土礦在球磨機中濕磨，磨機與分級機或水利旋流器組成閉路循環(huán)。細磨過程在鋁酸鈉中進行，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機和攪拌槽中，以制備原礦漿。鋁土礦的溶出應該在消耗最小而氧化鋁進入溶液的溶出率最高的條件下進行。對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。溫度是影響溶出過程的主要因素。為了達到目前實踐中所允許的速度，三水鋁石型鋁土礦的溶出過程是在95~100攝氏度進行的，一水軟鋁石型鋁土礦是在150~200攝氏度進行的，一水硬鋁石型鋁土礦是在230~245攝氏度進行的。石灰石對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，向過程中添加石灰石對一水鋁石型鋁土礦的溶出過程有很大的意義。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。為了實現(xiàn)鋁酸鈉的脫硅并保證溶液黏度降低到赤泥分離過程能以工業(yè)要求的速度進行，這種稀釋過程是必要的。赤泥的分離和洗滌方法和設備流程取決于鋁土礦的處理方法。3、鋁酸鈉溶液的分解過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，分解過程持續(xù)很長時間（50~60小時）。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程。蒸發(fā)過的溶液冷卻時，結晶出純堿，隨同析出的還有各種有機物和其他雜質。5、循環(huán)純堿的苛化補充的純堿以及溶液蒸發(fā)時析出的棕色純堿都用石灰乳苛化，以制取苛性堿來補償拜耳法中的堿損失。為了避免在沉淀中生成難溶的復鹽，這個過程是在氧化鈉的濃度約為100克/升的溶液中進行的。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。燒結法的實質是含鋁原料與純堿、石灰石一同燒結時原料中的硅轉變?yōu)樵趬A溶液中難溶的化合物原硅酸鈣，而鋁和鐵轉變?yōu)殇X酸鈉和鐵酸鈉。含鋁原料與純堿、石灰石燒結時，各原始組分的固體粉末之間的化學反應，是在有少量熔體存在下進行的。硅渣、堿赤泥漿硅渣、堿赤泥漿配料過程鋁礦、石灰、煤、堿粉等原料配料濕磨生料漿調整燒結窯溶出脫硅過濾蒸發(fā)焙燒氧化鋁熟料新堿液圖2.2燒結法生產(chǎn)流程其制取氫氧化鋁的過程為：1、生料備制。2、生料燒結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分解的。純堿以蒸發(fā)后濃溶液形態(tài)返回到生料配制過程。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，由燒結法處理的只是少部分。這兩部分平行的進行直到成為鋁酸鈉溶液為止，然后將燒結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時的苛化來補償，降低了成本。燒結法部分除了實現(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)洗滌和過濾后，用燒結法回收其中的氧化鋁和氧化鈉。燒結法除了處理拜耳法赤泥外，尚添加相當數(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。熟料溶出后的鋁酸鈉溶液經(jīng)過脫硅，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)量應該保證完全補償拜耳法中苛性堿損失。圖2.4串聯(lián)法生產(chǎn)流程在燒結過程處理赤泥時，生料的組成應該保證在熟料中得到鋁酸鈉、原硅酸鈣，或是合成鐵酸鈣。在燒結過程中氧化時催化劑。串聯(lián)法適用于處理高硅鋁土礦，具有以下優(yōu)化：有當量的純堿來補償苛性堿的損失。原料中總氧化鋁回收高。燒結過程的生料流量較燒結法少。2.2.5選礦拜耳法生產(chǎn)工藝與燒結法有很大不同，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、礦漿調配等工段；拜耳法部分主要包括高壓溶出、種子分解、過濾洗滌、焙燒等工段。2.3高壓溶出工序高壓溶出工序屬于拜耳法中的一個環(huán)節(jié)。它也是混聯(lián)法生產(chǎn)氧化鋁的生產(chǎn)過程中的重要工序。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。雙程預熱器雙程預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。高壓溶出的化學反應可以分為兩大類：Ⅰ、氧化鋁水合物的溶出反應，這是主反應。Ⅱ、各種雜質在溶出過程中的化學反應，這是副反應。為了使高壓溶出過程得到良好的效果，必須掌握主副反應的規(guī)律。2、溶出化學反應在常壓下低堿濃度溶液中溶出三水鋁石型鋁土礦時，其中Al(OH)3與NaOH發(fā)生反應：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，反應如下：3、溶出速度鋁土礦溶出屬于多相反應，即液體和固體之間的反應，其特征是反應過程發(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，在這一層中的反應產(chǎn)物Al(OH)4-或Al(OH)2-的濃度則接近飽和，于是形成擴散層。OH-通過擴散層不斷地向固相（礦粒）表面移動與氧化鋁水合物反應，而反應產(chǎn)物Al(OH)4-或Al(OH)2-則不斷地通過擴散層向外移動（離開礦粒），使反應能繼續(xù)進行。因此，鋁土礦的溶出過程可分為下列幾步：(1)、循環(huán)母液濕潤礦粒表面；(2)、OH-與氧化鋁水合物反應；(3)、形成NaAl(OH)4或NaAl(OH)2擴散層；(4)、Al(OH)4-或AlO(OH)2-從擴散層擴散出來，而OH-則從溶液中擴散到固液接觸面上。鋁土礦的溶出過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反應。在高溫高堿濃度下，化學反應速度極快，此時溶出速度隨溫度變化而變化的幅度較小，因而這時溶出速度決定于擴散。溶出速度可以用下式表示：由溶出速度的表達式可得下式：當?shù)V石一定時，其粘度一定，且P、S均為常數(shù)，則從式中可以看出通過控制溫度T，可以控制反應速度。并且，通過提高溫度來提高溶出反應的速度也是可行的。第三章氧化鋁高壓溶出工序生產(chǎn)設備及控制要求高壓溶出工序的生產(chǎn)設備主要包含四個部分：1、雙程預熱器，2、溶出器，3、自蒸發(fā)器，4、蒸汽緩沖器。它們全部是不同結構的高壓罐。高壓溶出工序生產(chǎn)設備的四個部分中，各部分高壓罐的級數(shù)是由各工廠的實際情況和設計情況來定的。但是，各部分生產(chǎn)設備的功能并不因工廠的不同而不同。在此次的課程設計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)設備時，如涉及到具體的量或某高壓罐的級數(shù)的話，那就是說它是針對于鄭州鋁廠而言的。首先對后面將要用到的符號作相應的解釋：

I表示該監(jiān)測量要顯示

P表示該監(jiān)測量為壓力

T表示該監(jiān)測量為溫度

T這個T是緊跟在壓力或溫度后面的，表示該監(jiān)測量要傳送

F表示該監(jiān)測量為流量3.1雙程預熱器雙程預熱器有四組雙程預熱罐。采用高壓蒸汽間接加熱。其內部是蒸汽管。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，稱為預熱。這時，因為礦漿溫度低（反應溫度為245攝氏度），所以還不能用于生產(chǎn)。預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高壓罐串聯(lián)構成，1#罐和2#罐用高壓蒸汽直接加熱使礦漿達到溶出溫度（245攝氏度左右）。溶出器內加熱為直接加熱，其效率較高，但是加熱過程中由蒸汽帶來了水份，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，是提高溶出率的關鍵之一。在溶出穩(wěn)度低到一定值（240攝氏度），則控制變頻調速裝置，降低電機轉速，減少進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），則控制變頻調速裝置，提高電機速度，增加進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)，壓差應盡量穩(wěn)定在0.2MPa左右。溶出器需要監(jiān)測的量有: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)的設計中，設計的是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。它由五個高壓罐組成，各級壓力逐漸降低，由2.0~2.2Mpa下降到0.2Mpa。在壓力下降的過程中，蒸汽會從礦漿中逸出。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)測量。自蒸發(fā)器需要監(jiān)測的量有：自蒸發(fā)器各級的壓力PT501~PT505；同時還有就地顯示儀表PI501~PI505；需要控制的壓力PC,不能過高亦不能過低。在此次控制系統(tǒng)的設計中，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)器進入，通過調節(jié)蒸汽流量來控制自蒸發(fā)器的壓力。給定的礦漿流量值經(jīng)過調節(jié)蒸汽來達到所要求的Ⅰ#自蒸發(fā)器的出口壓力值。之后礦漿進入到Ⅱ#自蒸發(fā)器，經(jīng)調節(jié)最后由Ⅴ#自蒸發(fā)器流出，此時壓力為所需要的值。壓力的控制精度應為：+0.1Mpa。自蒸發(fā)器的壓力控制可以通過控制蒸汽的流量來調節(jié)壓力的變化，用壓力變送器來檢測壓力并返回控制。3.4蒸汽緩沖器蒸汽緩沖器用于存儲高壓蒸汽，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)的設計中，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，其進口壓力必須為3.3MPa,出口壓力為3.15MPa，若蒸汽緩沖器的進出口壓力降低了0.05MPa，則給出報警信號。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自鍋爐房（熱電廠）。有新蒸汽Z2、Z3加入。此處需要監(jiān)測蒸汽的流量FT101和FT102（此處監(jiān)測蒸汽流量主要是為了與鍋爐房輸出的流量作比較，用作蒸汽費用憑證）。新蒸汽的壓力是由電動閥門的開度來調節(jié)。第四章氧化鋁高壓溶出工序3#溶出器溫度控制系統(tǒng)設計4.1方案論證溶出器由九個高壓罐串聯(lián)構成，1#罐和2#罐用高壓蒸汽直接加熱使礦漿達到溶出溫度（245攝氏度左右）。然后礦漿從2#罐流入3#罐進行鋁土礦的溶出，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可以取得比較好的控制效果，。但采用單片機控制軟件編程復雜,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)，不僅簡單方便而且可靠性大大提高。PLC是一種專門用于工業(yè)環(huán)境過程控制的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng),是集自動控制、計算機網(wǎng)絡、通信等功能于一體的自動化裝置,可靠性高、功能完善，具有編程簡單、體積小、重量輕等特點。控制方案采用數(shù)字PID控制，根據(jù)檢測到的溫度值和設定值之間的偏差，經(jīng)過PID運算得到控制輸出值控制變頻調速裝置，以便調節(jié)電機轉速改變進入高壓溶出器的礦漿流量來控制溫度保持在設定值。整個溫度控制系統(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、調節(jié)對象3#溶出器、溫度傳感器等四大環(huán)節(jié)組成,構成負反饋閉環(huán)系統(tǒng)。4.2硬件設計4.2.1P根據(jù)控制工藝的要求、綜合輸入、輸出點以及性價比等綜合因素,選擇西門子公司的SIMATICS7-200作為數(shù)據(jù)采集、運算、自動操作和回路控制的核心，S7-200是德國西門子公司生產(chǎn)的一種小型PLC，其許多功能達到大中型PLC的水平，而價格卻和小型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。同時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)的設計時更加簡單，幾乎可以完成任何功能的控制任務。S7-200PLC硬件系統(tǒng)由CPU模塊、擴展模塊、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24點，可以有7個擴展模塊，有內置時鐘，它有更強的模擬量和高速計數(shù)的處理能力。另外同時還選擇一塊模擬量輸入擴展模塊EM231，模擬量輸入/輸出擴展模塊EM235。確定控制系統(tǒng)開關量輸入輸出信號點數(shù)：1、輸人信號點數(shù)溫度控制系統(tǒng)的啟動、停止開關各需點動按鈕一個,此外還需要手動/自動切換按鈕一個。因此,共需開關量輸入點3個。2、輸出信號點數(shù)指示系統(tǒng)運行和報警的指示燈各1個,因此,共需開關量輸出點2個。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)使用熱電偶來測量溶出器溫度,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轉換成數(shù)值為:0～1023,最大誤差≤0.2%。輸入點內部均有一放大器,增益<10～>100倍。2、模擬量輸人模塊的選擇PLC需要輸出4～20mA電流信號給變頻器，選取模擬量輸入/輸出擴展模塊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)擴展提供方便。表4.1輸入輸出地址分配表輸入地址外設名稱輸出地址外設名稱I0.0啟動按鈕Q0.0運行指示燈I0.1停止按鈕Q0.1報警指示燈I0.2手動/自動切換按鈕AQW0變頻器AIW0熱電偶輸入其配置圖如圖4.2所示。手動/自動切換按鈕手動/自動切換按鈕變頻器熱電偶運行指示燈故障指示燈停止按鈕啟動按鈕I0.0Q0.0I0.1Q0.1S7-200I0.2CPUEM231AIW0EM235AQW0圖4.2PLC與輸入、輸出設備之間的接線圖4.2.2為了實現(xiàn)對溶出器溫度的精確測量,可采用以下技術措施：1、選擇工業(yè)應用最多、適應氧化性氣氛、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I級，用于測量生產(chǎn)過程中范圍在0℃～+1300℃之間的液體、蒸汽、氣體介質及固體表面的溫度,以充分保證測量精度。2、為了保證測量結果能充分反映溶出器內的實際情況,采用適當?shù)臏y量點數(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之間用補償導線連接。4.2.3顯示儀表用于顯示溫度的值，以便進行監(jiān)測。本系統(tǒng)采用XSD多通道數(shù)顯表進行顯示，XSD多通道數(shù)顯表進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量變換和顯示。XSD多通道數(shù)顯表的注意性能指標如下：輸入信號類型，如電壓、電流、熱電阻、熱電偶、電位器、遠傳壓力表等。對來自傳感器、變送器的輸入信號具有誤差修正和故障檢測功能，有效提高系統(tǒng)的測控性能。最多可有8點報警輸出，可選擇10種報警方式，報警靈敏度獨立設定，防止干擾原因造成誤報。多重保護，隔離設計，抗干擾能力強，可靠性高。各通道輸入信號及量程獨立設定，各通道調校、數(shù)字濾波獨立設定。精度：優(yōu)于0.2%FS。供電：220VAC,24VDC或12VDC。測控周期：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)中常采用滑差調速、直流調速兩種傳統(tǒng)的調速方式,這些調速方式已滿足不了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。變頻調速控制系統(tǒng)克服了以上兩種調速系統(tǒng)的缺點,具有節(jié)能、線性調速、保護可靠、維護量小等諸多優(yōu)點。本系統(tǒng)選用西門子MMV400變頻器,將此變頻器設置為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轉換為對應的頻率后輸出控制電機,電路如圖4.3所示。圖4.3變頻器接線原理圖整個儀表的清單如表4.2所示：表4.2儀表清單儀表名稱儀表型號數(shù)量PLC西門子S7-2001臺溫度傳感器WRN系列K防爆熱電偶HT-1311個顯示儀表XSD多通道數(shù)顯表1臺變頻器西門子MMV4001臺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，只要有足夠的時間，積分控制將能完全消除誤差，積分作用太強會使系統(tǒng)超調加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；微分控制可以減小超調量，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，減小調整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(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)律的實現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。當采樣周期相當短時，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算機實現(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。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)行機構的位置u(k)，如閥門的開度，所以被稱為數(shù)字PID位置型算式。4.4軟件設計S7-200PLC采用梯形圖編程，其專門有一個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,可以是0-7的常數(shù)。PID指令有一個能流記憶位,用該位檢測到EN輸入端從0到1正跳時,指令執(zhí)行一系列操作,使PID能實現(xiàn)自動與手動的切換。PID運算程序流程如圖3所示。PID回路有2個輸入量即SP(給定值)和PV(過程變量)。SP通常是固定值,PV則要經(jīng)過擴展模塊經(jīng)A/D轉換后得到。SP與PV是實際值,由于PLC考慮到系統(tǒng)的通用性,對不同系統(tǒng)的數(shù)字大小、范圍與工程單位的區(qū)別,故在PID運算之前要將他們轉換成標準化浮點數(shù),即轉換為0.0～1.0之間的標準化實數(shù),這可通過指令運算來完成。與之相對應回路的輸出,要將運算后的標準化實數(shù)(0.0～1.0之間)轉換成相應的整數(shù),再通過D/A轉換輸出。S7-200的PID指令沒有設置控制方式,執(zhí)行PID指令時為自動方式,不執(zhí)行PID指令時為手動方式。I0.2是手動/自動轉換開關信號，I0.2為1時，為系統(tǒng)自動運行。整個程序包括主程序、初始化子程序SBR_0和中斷服務程序INT_0。主程序的方框圖：NNY開始調用初始化子程序停止嗎？結束圖4.5主程序框圖初始化子程序SBR_0是將設定值、采樣時間、比例增益、積分時間、微分時間和定時中斷設定好。由于溶出器的傳遞函數(shù)無法確定,因此的參數(shù)只能根據(jù)經(jīng)驗法來選取。假如還需要更精確的調整，在這個基礎上再進行整定。其程序框圖為開始開始設置設定值、采樣時間、比例增益、積分時間和微分時間結束設定定時中