1 引言
開曼鋁業(yè)位于陜西省陜縣境內(nèi)，是三門峽建市以來投資最大的工業(yè)項目，占地面積一平方公里，鋁土礦取自本地。采用國際先進的拜耳法生產(chǎn)工藝，設(shè)計年產(chǎn)氧化鋁120萬噸。
開曼鋁業(yè)（三門峽）在初期的方案設(shè)計敲定后即開始系統(tǒng)、品牌的招標，在國內(nèi)、外多家系統(tǒng)廠商激烈競標的情況下，羅克韋爾自動化的集成過程控制系統(tǒng)脫穎而出，博得專家評委的一致青睞，最終中標。
集成過程控制系統(tǒng)以羅克韋爾自動化的集成架構(gòu)為核心，是一套全面集成的過程控制解決方案。集成架構(gòu)作為一種技術(shù)框架,將車間現(xiàn)場不同的應用項目通過統(tǒng)一的控制、可視化和通信平臺集成在一起。這樣一來，所有的數(shù)據(jù)都能夠在整個企業(yè)內(nèi)進行無逢的傳遞。這正是現(xiàn)代化鋁廠真正需要的東西。
整個工程分為一期、二期和二期擴建三個項目。一期工程于2005年12月26日順利投產(chǎn)；二期工程于2006年9月29日出料，二期擴建工程于2007年1月底建成投產(chǎn)。至此，開曼鋁業(yè)達到年產(chǎn)氧化鋁120萬噸的生產(chǎn)能力，達到設(shè)計目標，羅克韋爾自動化集成過程控制系統(tǒng)在國內(nèi)氧化鋁行業(yè)首次大規(guī)模應用獲得成功。
2 氧化鋁生產(chǎn)過程的特點和控制要求
2．1 氧化鋁生產(chǎn)過程簡介
氧化鋁是一種兩性氧化物，能溶解于酸中也能溶解于堿溶液中。因此，由礦石中提取氧化鋁的方法分為酸法和堿法。開曼鋁業(yè)采用拜耳法堿法生產(chǎn)工藝。
拜耳法的基本原理有兩條：
（1）用NaOH溶液溶出鋁土礦所得到的鋁酸鈉溶液，在添加晶種不斷攪拌和逐漸降溫的條件下，溶液中的氧化鋁便呈AI(OH)3析出；
（2）分解得到的母液（主要含NaOH），經(jīng)蒸發(fā)濃縮后在高溫下用來溶出新的一批鋁土礦。
交替使用這兩個過程，就能夠連續(xù)地處理鋁土礦，從中不斷析出純的AI(OH)3產(chǎn)品，構(gòu)成所謂的拜爾法循環(huán)。
拜耳法的實質(zhì)就是使如下反應在不同條件下朝不同的方向交替進行：
2．2氧化鋁生產(chǎn)對自控系統(tǒng)的要求
氧化鋁生產(chǎn)的多工序性，工序之間的互相制約性，要求控制系統(tǒng)必須長期連續(xù)穩(wěn)定運行。被控量既有溫度、壓力、流量、液位、密度等物理量，又有NT、A/S（硅鋁比）、αK（濃度）、AI2O3等化學量，對自控系統(tǒng)的實時性、準確性、安全性等方面提出了極高的要求。
3 集成過程控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
3．1 慨述
集成過程控制系統(tǒng)是一個分布式控制系統(tǒng)。
系統(tǒng)下設(shè)原料磨、石灰消化、溶出、沉降、種子過濾、蒸發(fā)、成品過濾、焙燒八個過程控制子系統(tǒng)（車間），每個車間均有一臺工程師站EWS和2-3臺操作員站OPS。車間內(nèi)部工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理等信息的傳輸由ControlNet控制網(wǎng)實現(xiàn)。整個氧化鋁廠的主要生產(chǎn)操作由這八套子系統(tǒng)完成。
集成過程控制系統(tǒng)的信息層采用EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng) DP網(wǎng)橋，12MBDP-BRIDGE/12MB ，通過以太網(wǎng)將上述八個車間的信息傳送到全廠生產(chǎn)信息調(diào)度中心，該中心設(shè)有兩臺服務器SERVER1、SERVER2和兩臺操作站OPS1、OPS2，對全廠生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、控制和管理。
整個控制系統(tǒng)共配置有35個CPU模塊，650多個I/O模塊，100多個通信模塊，這些模塊分別安裝在近90個機架上。用于控制4000多點模擬量和9000多點開關(guān) 緊急停止開關(guān)HW 量，系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲見。
3．2冗余技術(shù)是集成過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)
這個由13000多個控制點構(gòu)成的龐大的自動控制工程，如果因故障停止運行，每天經(jīng)濟損失高達100多萬元人民幣，如何保證氧化鋁生產(chǎn)長期連續(xù)穩(wěn)定運行，決不是一句套話，一句口頭禪，而是擺在每一個設(shè)計、調(diào)試人員面前必須解決的基本課題。
具體而言，我們需要找到下述五種故障的解決途徑：
第1種故障：CPU故障；
第2種故障：控制層網(wǎng)絡故障；
第3種故障：信息層網(wǎng)絡故障；
第4種故障：主機硬件故障；
第5種故障：軟件故障。
我們雖然知道：1756/1757系統(tǒng)硬件模塊的平均無故障時間（MTBF）在150萬小時左右，并且獲得了TUV的SIL2的認證。以每天24小時，每年365天計算，模塊在171年內(nèi)將不會失效。但實際上，影響系統(tǒng)有效性的因素遠不只模塊本身，更重要的是如何用上千個模塊構(gòu)建一個穩(wěn)定合理的系統(tǒng)。就象鋼鐵，可以造就萬噸巨輪遠航四海，也可能變?yōu)槌翜S海底的一堆銹鐵一樣。
羅克韋爾自動化集成過程控制系統(tǒng)的冗余技術(shù)合理地解決了這些問題。
所謂“冗余”，是指“一個具有相同設(shè)備功能的備用系統(tǒng)”，當主設(shè)備出現(xiàn)故障時，冗余設(shè)備是可以立即使用的替代設(shè)備。
3．3控制器 液位控制器FLR-261B 冗余
硬件冗余
3.3.1控制站冗余
兩個互為冗余的控制站配置必須完全相同（中的主/從機架），冗余功能是依靠冗余模塊1757-SRM實現(xiàn)。當主控制器失效時，從控制器在100ms內(nèi)接替主控制器，主從控制器的同步對用戶來說是完全透明的，冗余模塊之間通過冗余的光纜連接。
冗余功能的主要特性如下：
※ 同步透明性：控制器的同步不會引起任何可能的控制中斷。
※切換透明性：主從控制器切換時，除了觸發(fā)相應的報警或事件，不會對操作產(chǎn)生其他的影響，切換的時間可以忽略。
※可靠的存儲：當進行同步數(shù)據(jù)傳輸時，只有主機架和從機架都收到相同的信息時，系統(tǒng)才確認數(shù)據(jù)傳輸成功。
※切換時數(shù)據(jù)連貫性：進行冗余切換時，輸出保持不變，保證過程不發(fā)生擾動。
※完全不要用戶編程。
3.3.2電源冗余
所示，每一個I/O遠程機架配置一組1756-PAR2冗余電源（每組冗余電源由兩個1756-PA75R電源模塊，兩根1756-CPR電纜和一個1756-PSCA適配器構(gòu)成）。它們分別由兩路不同的系統(tǒng)供電，當任一路供電系統(tǒng)故障時，另一路仍保持供電，因此可以確保I/O機架供電不間斷。
3.4 控制層網(wǎng)絡冗余
中1756-CNBR是ControlNet通信模塊，它有兩個冗余的網(wǎng)絡通道：A口和B口，使控制信息實現(xiàn)冗余。傳送速率達5Mbps,傳送介質(zhì)是75Ω阻抗的1786-RG6同軸電纜，通過BNC連接器 GTY引進銅連接管GTY-4 與ControlNet總線相連。
3.5 信息層網(wǎng)絡冗余
信息層網(wǎng)絡故障借助交換機冗余和雙光纖環(huán)網(wǎng)兩個途徑解決。
3.5.1交換機冗余
每個車間的現(xiàn)場信息，是通過兩個冗余以太網(wǎng)交換機獲取，例溶出車間，左邊的交換機接收來自一期、二期和二期擴建主機架上的1756-ENBT模塊信息，右邊的交換機接收來自一期、二期和二期擴建副機架上的1756-ENBT模塊信息，這樣做的好處是現(xiàn)場信息具有冗余功能。
3.5.2雙光纖環(huán)網(wǎng)
全廠設(shè)有兩條100m光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)。
(1)環(huán)網(wǎng)1
設(shè)有9個以太網(wǎng)光纖交換機，用于原料磨、石灰消化、溶出、沉降、分解、蒸發(fā)、成品和焙燒等8個車間的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和冗余服務器（ServerS、erver2）進行數(shù)據(jù)交換。
(2)環(huán)網(wǎng)2
設(shè)有7個以太網(wǎng)光纖交換機，并在原料磨、溶出、沉降、分解、蒸發(fā)和焙燒等6個主要車間各設(shè)一臺操作員站OPS3，可以監(jiān)視全廠其他車間的運行情況（只看不控）。
環(huán)網(wǎng)1和環(huán)網(wǎng)2是兩個獨立的網(wǎng)絡，他們之間只有一個通信通道，即信息只有通過服務器才可以進行交換。
服務器采用雙層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，下層以太網(wǎng)（環(huán)網(wǎng)1）直接接處理器，上層以太網(wǎng)（環(huán)網(wǎng)2）接操作站，上、下二層網(wǎng)絡只能通過冗余服務器才能進行通信，互不影響，上層網(wǎng)故障不影響下層網(wǎng)正常工作。
需要說明的是：光纖以太網(wǎng)交換機對網(wǎng)絡性能起到十分重要的作用，本系統(tǒng)選用ED6008-MM-SC型光纖交換機，該交換機可進行流量設(shè)置，也可對端口進行控制，交換機的電源具有冗余功能，故障恢復時間小于300mS，可以有效的防止網(wǎng)絡堵塞。
3.6服務器冗余
采用主/從服務器結(jié)構(gòu)。當主服務器出現(xiàn)故障時，從服務器自動轉(zhuǎn)為主服務器，提供與控制器/RTU的通信、數(shù)據(jù)采集等功能，并為其他操作站提供服務。主服務器定時將數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)信息傳送到從服務器，以確保主/從服務器之間的完全同步。
3.7其他可靠性措施（）
開關(guān)量輸入隔離
(1)信號隔離
開關(guān)量輸入/輸出經(jīng)過繼電器 繼電器座-TP-28X 隔離；模擬量輸入/輸出經(jīng)過模擬量隔離器隔離
(2)繼電器一次回路、二次回路、模擬量隔離器由三路獨立的冗余直流電源 WYJ 0-60V/5A 單路 (可調(diào))數(shù)顯 供電
(3)工程師站、操作員站和服務器均由UPS不間斷電源 UPS MT系列 供電.
4 集成過程控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
軟件設(shè)計主要包括兩大部分：控制程序設(shè)計和監(jiān)控畫面設(shè)計。軟件編制是在工程師站完成的，在這里進行集成過程控制系統(tǒng)的①編制程序②組態(tài)網(wǎng)絡③開發(fā)操作界面。為此，在工程師站（操作系統(tǒng)為Windows2000 SP4）安裝了下列軟件：
(1)RSLinx Classic Gateway：通信功能
(2)RSLogix5000：編程功能
(3)RSNet Worx for ControlNet：網(wǎng)絡配置
(4)RSV Studio for RSV Enterprise：操作員界面開發(fā).
羅克韋爾自動化的集成架構(gòu)主要由Logix控制平臺、NetLinx通信網(wǎng)絡、ViewAnyWare人機界面 Smart PC BoxMPCSN01NDJ00H 和FactoryTalk企業(yè)實時數(shù)據(jù)交換技術(shù)構(gòu)成。本文以鋁廠生產(chǎn)流程中最重要的環(huán)節(jié)-高壓溶出車間（一期）為例，說明集成架構(gòu)的優(yōu)勢。
4.1 網(wǎng)絡組態(tài)
一期控制系統(tǒng)由兩個冗余機架和五個遠程I/O機架組成，首先用RSNet Worx for ControlNet軟件進行網(wǎng)絡組態(tài)，為了避免網(wǎng)絡負荷過重，將遠程機架分成兩組（相應地在兩個冗余機架上各插有2塊1756-CNBR/D模塊），組態(tài)后獲得。
經(jīng)組態(tài)后，機架上的任一點的信息，利用ControlNet特有的“生產(chǎn)者/消費者&r
