矿石提锂控制系统解决探讨

矿石提锂控制系统解决探讨

【摘要】结合雅化锂业(雅安)有限公司年产2万吨电池级氢氧化锂生产线建设工程,简介工程概况和矿石提锂的工艺流程,以及介绍控制系统的网络结构、仪表选型、典型检测控制技术和系统功能等。本工程选用DCS控制站搭建控制系统,实现生产过程的分散控制、集中管理。

【关键词】矿石提锂;DCS;控制系统

1工程概况及工艺流程

雅化锂业(雅安)有限公司新建年产2万吨电池级氢氧化锂生产线。氢氧化锂用途广泛,目前主要集中在新能源、新材料、新药品行业,三大行业属于新兴朝阳行业,正处于行业生命周期的发展初期,具有旺盛的生命力和广阔的发展前景。特别是新能源行业,锂离子电池正广泛应用于笔记本电脑、手机等电子移动设备,电动摩托车、电动自行车和储能电池的应用正方兴未艾,电动汽车的应用也逐年增长,前景广阔[1]。本工程的工艺技术生产方法,原材料为锂辉石精矿,拟通过氢氧化锂转化法工艺,将锂从锂辉石精矿中提取出来,工艺流程较短,辅料成本较低。本工程的矿石提锂整体工艺流程详见图1。本工程分冶金段、化工段和公用工程;冶金段主要包含焙烧装置和酸化装置等,化工段主要包含净化车间、冻硝车间、母液罐区、氢氧化锂车间和硫酸钠车间等;公用工程主要包含水泵站、废水处理站、空压泵站和锅炉房等。

2控制系统设计

2.1设计原则

遵循“技术先进、经济合理、运行可靠、操作方便”的原则,根据工艺装置的生产规模、流程特点、产品质量、工艺操作要求,并参考国内同类型装置的自动化水平,对生产装置实施集中监控。本设计提供的仪表和控制系统将保证生产装置的正常、稳定、安全、可靠运行以及在异常情况下的安全保护。

2.2自动化水平

本工程采用技术先进、性能可靠、基于现场控制站和操作员站的集散控制系统(DCS),对各生产线集中监视、操作和分散控制,可有效提高仪表、电控设备的可靠性和可维护性,实现生产过程的控制、监视、操作的现代化。通过DCS与工厂调度管理系统的网络连接,使管理人员能随时掌握工厂生产的实际情况,实现管理现代化。在全厂的控制及分析检测分析新建中心控制室,包括机柜室、操作室、更衣室和资料室等。由于本工程部分工艺过程的间歇性,需要现场操作人员的及时干预,采用现场控制室与中心控制结合设置的方式,自动化程度不高的工艺过程在现场控制室操作,自动化程度高的工艺过程在中心控制室操作。冶金段包含现场控制室、1#焙烧窑头控制站、1#焙烧窑尾控制站、1#酸化窑控制站、2#焙烧窑头控制站、2#焙烧窑尾控制站、2#酸化窑控制站和原料库控制站;化工段各车间就地设置现场控制室,包括净化车间现场控制室、氢氧化锂车间现场控制室、硫酸钠车间现场控制室、冻硝车间现场控制室;公用工程的水泵站和锅炉房就地设现场控制室。各现场控制室包括机柜室、操作室、办公室、成套设备机柜室等。过程控制网与全厂信息管理网之间的数据交换通信,优先选用OPC技术。OPC用于过程控制对象链。采用以太网OPC的通信方式将过程控制层和管理层(包括生产运行管理和企业资源管理)集成为一个整体。在过程控制层设置共享的实时数据库也为管理层的关系数据库提供了生产数据平台。信息管理网和过程控制网预留足够的网络铺设通道,控制系统具有OPCServer功能,为实时数据库系统建设提供基础条件。

2.3硬件配置

本工程控制系统选用ABB公司Freelance系统,控制器采用最新的AC900F系列产品,以及输入输出模块选用最新的WinIO1000系列产品。控制系统采用三级网络结构:工厂管理级、区域监控级和现场测控级,对应于生产调度管理系统、生产过程控制系统、现场控制仪表和机电设备,三者采用以太网、控制网和设备网连接[2,3]。整个控制系统基于三级网络层:信息层、控制层和设备层。矿石提锂控制系统整体采用大环套小环的网络结构,以太网交换机、光缆、通信模块和操作员站网口等均冗余配置,具体如图2所示。生产过程控制系统的冶金段和化工段之间,通过以太网交换机、光缆和工业以太网Ethernet/IP协议等构成主光纤冗余以太环网;冶金段的各控制站之间和化工段的各控制站之间,通过以太网交换机、光缆和工业以太网Ethernet/IP协议等构成子光纤冗余以太环网;各控制站的成套设备控制系统之间,通过profibus-DP转光纤模块、光缆和工业profibus-DP协议等构成光纤冗余DP环网。图2矿石提锂控制系统网络结构图本工程各装置的主要工艺参数检测和控制都在DCS上进行,在DCS上完成所有工艺参数的显示、调节、记录、报警等操作,各装置内的主要机泵设备的运行状态均在DCS进行显示。DCS由工艺操作员站、工程师站、打印机、过程控制站、配电柜及网络设备等组成。过程控制站包含CPU模块、电源模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、开关量输入模块、开关量输出模块、信号隔离器和中间继电器等。工艺操作员站用于生产数据的实时采集、存储、报警、打印等,工程师站用于组态维护、故障诊断及开车等。现场仪表、机电设备的配电柜均采用硬接线方式传输控制信号,模拟量输入输出信号为4~20mADC,开关量输入信号为干接点信号,开关量输出采用24VDC接点输出信号,并驱动外加隔离继电器。

3仪表选型

在满足工艺要求的前提下,以先进、可靠、经济和使用方便为原则,尽可能选用系列化、标准化的仪表,以提高仪表互换性。尽可能集中选用一个厂家或地区的产品,利于以后的采购、服务以及备品备件、维护等。本工程现场检测仪表类型分为:温度、压力、流量、液位、控制阀和分析仪表等。现场仪表选型的原则具体如下:(1)温度仪表:就地温度指示选用双金属温度计,远传温度指示选用热电阻。(2)压力仪表:就地压力指示一般选用不绣钢压力表,对于含固体颗粒、腐蚀性、高粘度等介质选用隔膜压力表,对于脉动场合选用耐震压力表;远传压力测量一般选用短接头压力变送器,对于含固体颗粒、腐蚀性、高粘度等介质选用法兰压力变送器,真空压力测量选用绝压变送器。(3)物位仪表:就地液位指示一般选用磁翻板液位计,对于单台就地液位计无法覆盖的场合选用多台仪表重叠;常压容器远传液位测量选用单法兰差压变送器,带压容器远传液位测量选用双法兰差压变送器,水池远传液位测量选用雷达液位计。(4)流量仪表:电导率稳定的液体流量测量一般选用电磁流量计,蒸汽流量测量一般选用涡街流量计,对于大口径蒸汽流量测量选用德尔塔巴流量计或平衡流量计。固体粉料流量测量选用电子皮带称或料仓称重仪表。(5)控制阀:调节阀选用气动调节阀。阀门根据工艺介质的特性、公称通径等分别选用三偏心调节型蝶阀、单座调节阀、偏心旋转调节阀等。开关阀选用气动开关阀,对于大口径、阀门分散的场合选用电动开关阀。阀门根据工艺介质的特性、公称通径等分别选用“O”型球阀、开关型蝶阀和刀闸阀等。(6)分析仪表:储罐密度测量一般选用2台单法兰压力变送器,管道密度测量一般选用质量流量计;pH值测量选用插入式智能传感器,现场配置可调式二次仪表。

4典型检测控制技术

4.1单回路PID

PID控制,即比例、积分、微分控制,PID控制是利用实际被控对象的输出反馈达到跟随控制,必在工程实际中应用广泛。图3为PID控制原理图,R(t)为输入量(即设定值),F(t)为测量变送反馈量,Y(t)为输出量,U(t)为调节控制量[4]。本工程PID控制回路占闭环控制回路的比例约90%。根据工艺过程控制的需要,设置温度、压力、流量、液位和分析仪表等现场检测仪表,经过过程控制站CPU的数据处理,输出信号控制调节阀或变频机泵等设备的动作,调节被检测过程变量恒定在预先设定的控制值。(1)本工程通过检测仪表、调节阀和控制站等实现的PID控制回路,举例如下:净化车间净化釜液相物料温度恒定调节;净化车间调浆工序酸熟料料位恒定调节;全厂压缩空气主管压力恒定调节;冻硝车间离心母液槽液位恒定调节;硫酸钠车间MVR蒸发器液位恒定调节;氢氧化锂车间湿品MVR进料流量恒定调节;氢氧化锂车间热水换热器出口温度恒定调节;氢氧化锂车间氢氧化锂溶解槽物料温度恒定调节。(2)本工程通过检测仪表、变频机泵和控制站等实现的PID控制回路,举例如下:净化车间精密过滤器进料流量恒定调节;水泵站生产供水压力恒定调节;冶金段焙烧窑进料流量恒定调节;冶金段焙烧窑出料温度恒定调节。

4.2复杂控制回路

4.2.1比值控制

比值控制系统是控制两种物料流量混合比值,开环比值控制的控制品质较差,工程实践中一般采用闭环比值控制。比值控制从控制原理来看,属于前馈控制。图4为比值控制典型原理图,主流量检测变送器的输出信号,经比值器运算后,作为控制器的设定值,从流量检测变送器送过来的信号与主流量信号决定的设定进行比较,根据两者偏差实现从流量的控制。不可控的为主流量,可控的为从流量。比值控制系统简单,能克服各种扰动对控制对象的影响[5]。本工程通过检测仪表、调节阀和控制站等实现的比值控制回路,举例如下:净化车间净化釜进料流量调节;净化车间钙粉配浆槽进料流量调节;冻硝车间制液槽进料流量调节。

4.2.2串级控制

串级控制由主回路和副回路组成。主回路又称外回路,是一个定值控制系统,可按照单回路控制系统设计;副回路有称内回路,其设计应包含变化剧烈、频繁且幅度大的主要干扰,且调节速度快。图5为串级值控制典型原理图,回路由2个调节控制器、2个被控对象、2个测量变送器和1个调节阀构成。2个控制器串联工作,主回路的控制器输出作为副回路的输入设定值。串级控制的控制精度高,能克服生产过程影响被控对象的主要扰动[6]。(1)本工程通过检测仪表、调节阀和控制站等实现的串级控制回路,举例如下:冻硝车间一级化硝槽物料温度调节,一级化硝槽物料温度控制为主回路,蒸汽主管压力控制为副回路。(2)本工程通过检测仪表、变频机泵和控制站等实现的串级控制回路,举例如下:净化车间钙粉配浆槽液位恒定调节,钙粉配浆槽液位控制为主回路,石灰石螺旋输送机流量控制为副回路。

5系统功能

本工程通过DCS实现生产过程在工艺操作员站上的集中监控。DCS的功能主要包含数据采集、调节控制、联锁控制、信号报警、故障诊断、打印报表、网络通讯和人机接口等,具体如下:(1)数据采集功能:对过程参数,主要是压力、液位、流量、温度、分析仪表和机泵等设备的控制信号进行数据采集、变换、处理、显示、存储、趋势曲线显示等。(2)调节控制功能:采集现场的测量信号,求出设定值与测量值的偏差,并对偏差进行控制运算,进而求出新的控制量,并将此控制量转换成相应的电流送至调节阀、变频机泵等执行机构驱动被控对象。(3)联锁控制功能:通过来自过程状态输入输出信号和反馈控制功能等状态信号,按预先设定的顺序和条件,对控制的各阶段进行顺序控制。根据工艺控制要求,实现单台设备的启停控制和多台设备的自动联锁控制。(4)信号报警功能:对过程参数设置上下限,若超过上限或下限进行越限报警;对异常的开关量状态进行报警;对出现的事故进行报警。信号的报警是以声音、光或CRT屏幕显示颜色变化来表示。(5)故障诊断:具有先进的综合诊断功能,能快速正确的识别模块配置错误、模拟量超程等故障、判断网络运行及设备工作是否正常,降低设备的损坏率。(6)打印报表功能:定时打印报表;随机打印过程参数;事故报表的自动记录打印。(7)网络通讯功能:系统具有直接通讯、高速对等通讯和开放性标准通讯功能,使系统高性能的联结成一个整体,实现各控制器之间的及控制器与计算机之间的紧密联系,完成实时数据的传送与统计。(8)人机接口功能:人机接口功能,即用彩色大屏幕终端中的直观动态显示画面代替操作台上的大量显示仪表和按钮开关,实现系统监视功能,包括故障报警与记录、电气系统故障报警与记录、动态参数显示与记录、电气设备故障预报和自动化控制系统自检。

6总论

本工程选用优质的自控现场仪表、DCS控制系统及网络设备等,以及应用一些实用、先进的检测控制技术,提高了整个工艺生产过程的自动化水平。本工程已于2020年投产,目前该DCS控制系统运行稳定可靠、操作简便,得到了业主的认可。

作者:雷春元 单位:中蓝长化工程科技有限公司