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实现综合自动化是氧化铝工业的发展趋势
【本文作者龙凤翔先生，沈阳铝镁设计研究院教授级高工】
关键词：流程工业 综合自动化 先进控制 氧化铝工业
引言
流程工业是对生产过程为连续或半连续的工业企业的总称。氧化铝生产是连续过程，属典型的流程工业。它不仅对流程中各工序本身有实现自动控制的需求，而且与其上下游工序的物流在质与量等方面都有直接的关联，所以还必须从整个生产流程的全局，统筹对各工序的控制需求和信息交换需求进行优化。
我国氧化铝工业受资源限制，大多不能简单地采用国外普遍应用的拜耳法工艺。因此，不能直接套用国外已成功应用的相关自控技术，更不可能依靠国外开发适合我国氧化铝生产工艺的自控技术，而只能靠我们自己。
加入WTO后，我国铝厂必须从氧化铝的产量、质量、能耗、劳动生产率、经营成本、环境保护等方面提升其竞争力，实现自动化是重要途径之一。但目前我国氧化铝生产自动化水平较低，迫切需要采用工业自动化高新技术成果，提升我国氧化铝生产的自动化水平。
一 现状与差距
我国氧化铝工业大部分以高铝、高硅、低铁、难溶出的一水硬铝石为原料，采用碱石灰烧结法和混联法工艺。与国外采用三水软铝石为原料的拜耳法工艺相比，不利于信号检测和实现自动化。这主要因为工艺流程更为复杂(混联法工艺中还有3处物流交叉)，对上下游工艺的衔接质量的要求更高，且能耗高、结疤严重，使自动检测和控制的难度加大。
我国氧化铝生产应用过程控制技术起步于20世纪80年代。近20年来，各厂已经做了大量的工作。在信号检测方面，山东和郑州铝厂采用中子活化分析仪进行生料浆组分的在线分析；山西铝厂采用从匈牙利引进的铝酸钠溶液在线分析仪对蒸发母液进行检测；山东、中州铝厂采用红外测温技术对大窑烧成带温度进行检测；郑州铝厂采用摄像仪和温度图像分析技术，检测大窑烧成带温度并了解结圈状况；各厂均已大量采用放射线密度计、雷达物位计、超声料位计、放射线料位计等非接触式检测仪表。在控制方面，通过采用DCS，对大窑、石灰炉、溶出、分解、蒸发、焙烧等主要工序实现了常规控制；PLC的应用较为普遍。在信息集成方面，郑铝和贵铝已走出了一大步；采用拜耳法工艺的平果铝厂，通过引进5家公司的自动化技术，已达到较高的自动化水平。
但是，与国外先进水平相比，目前我国氧化铝厂在自动化方面仍存在较大的差距，这主要表现在以下3个方面：
(1)检测水平亟待提高
由于氧化铝生产流程中的很多检测点具有高温、高压、易结疤、易磨损、强腐蚀等特点，要求某些在线仪表能在恶劣的使用环境下长期可靠地运行，其中有的参数测量可以通过引进仪表来解决，有的可以通过非接触式测量仪表进行检测，有的可以采用软测量技术，如大窑烧成带温度、蒸发母液浓度等的检测。对于那些早期建设的项目，很多仪表需要更新换代。有些在当时尚无法检测的参数，如今已能实现。
现场总线技术在数字化、智能化、抗干扰、信息集成化等方面具有很大的优势，在国内化工、石油、钢铁、热电等领域已有不少成功应用的先例，而在氧化铝行业还未见其应用。
(2)DCS应用中尚未实现过程优化
某些工序尽管采用了功能强大的DCS，但是应用软件的开发水平还较低，一般只是按供货厂家提供的软件平台完成组态和简单的PID调节，实现常规监控，谈不上过程优化，更谈不上本工序与上下游工序的优化衔接。因此迫切需要应用先进控制技术，对多变量强耦合系统开发数学模型，研制高水平的应用软件。
(3)没有建立全生产过程的执行系统(MES)
目前国内氧化铝厂虽在某些工序实现了自动控制，但多是自成系统，形成若干个自动化孤岛。特别是不同工序采用不同厂家的主控设备时，受当时技术的局限，在参数控制和信息方面，“彼此不相往来”。与此同时，生产过程的信息管理，也仅限于本工序有限的信息，缺乏对整个生产流程实现物料控制、成本控制、质量控制、设备监控等进行优化调度和科学决策的信息基础，更缺乏行之有效的分析手段。有的厂虽然从硬件角度讲已经建成了MES系统，但因缺少基础信息和分析手段，远远没有二 实现综合自动化所需的基本条件已经具备
目前，我国氧化铝工业的产量、质量已成为制约生产发展的瓶颈；加入WTO后，我国的氧化铝工业在成本方面也将成为突出问题。因此，当务之急是把氧化铝生产综合自动化提到重要位置，以提升我国氧化铝工业的竞争力。
实现综合自动化所需的硬件条件已经具备。无论是进口的还是国产的DCS，都能为综合自动化提供可靠的硬件平台。大部分检测仪表都可以现购解决，不能直接检测的参数还可以通过软测量技术解决。与自动控制相配套的电气设备如变频调速装置等都是成熟可靠的。
DCS的软件平台功能强大，各种应用软件开发工具、网络技术与设备都很完备，可随意选择。
剩下的问题就是采用先进控制策略开发高性能的应用软件。对于先进控制，目前尚无准确完整的定义，但其特点和实际应用价值已为业内所瞩目。
传统的处理单变量的控制技术，不能满足多变量强耦合的复杂过程对控制和优化的要求。20世纪80年代末，以多变量预测控制与优化控制为主要特征的先进控制技术，首先在石油、化工、钢铁等行业得到了广泛应用。90年代，以多变量解耦、推断控制和预估、多变量约束控制、预测控制、人工神经元网络控制等先进控制技术为代表，实现了过程优化控制；在此基础上，将生产调度、计划优化、经营管理与决策纳入进来，形成了综合自动化。
与传统的 PID控制不同，先进控制是一种基于模型和知识的控制策略，它以现代控制理论和人工智能为基础，在常规控制之上建立动态协调约束控制，以适应实际生产过程的动态特性，如模型预测、推断控制、智能控制、模糊控制、无模型自适应控制等。对于氧化铝生产过程中的大时滞、多变量强耦合、被控变量与控制变量存在各种约束等工况，先进控制可以在该领域大显身手，解决常规控制所无法解决的问题。
实施了过程控制软件后，下一步就是在此基础上建立计算机网络，利用基础信息建立相关的管理信息系统。该系统不仅具备常规的信息处理能力，还应该具备对整个生产过程和管理等的分析决策能力，这就形成了整个氧化铝生产综合自动化系统。
三 实施策略
实施综合自动化的基本原则是“效益驱动”，指导方针是“先下后上、先易后难、重点突破”。
工作的出发点和落脚点，都应该是获取最大的经济效益，即解决目前存在的问题，使之在产量、质量、成本等方面，都能产生明显的效果，这就是“效益驱动”。“先下后上”是指在组成的综合自动化计算机网络拓扑结构中，应先从最下层的现场信号检测开始，进而实施现场过程控制系统，使处于上层的生产执行系统能够获取足够的、可靠的、自动生成的基础信息。否则MES成了空中楼阁，不能创造经济效益。“先易后难”是指在诸多现场控制子系统中，应根据本厂的实际基础条件，选择那些经过短期努力就能完成并见效的子项，先行实施，积累经验，为以后攻克较难的子项奠定技术基础。“重点突破”是指那些在整个流程中卡脖子的重要工序，应尽早投入人力、物力进行攻关，使整个系统的效益更为明显。
在实施生产自动化系统过程中，必将涉及到原有设备甚至局部系统的改造，如取消一些易结疤流程中的阀门，改为变频调速系统；对于大型专用设备的故障检测，需要安装必要的传感器或监控装置；增加对电、水、汽、压缩空气等计量的装置，等等。在实施MES过程中，除实施好生产自动化系统之外，还必然涉及上下左右各部门之间的信息交换、管理与决策的优化，甚至涉及到现有各部门的设置和职责。以上这些，都需要厂领导加以组织、协调、统筹运作。
四 结语
综上所述，综合自动化是提升我国氧化铝工业竞争力的重要途径。目前我国氧化铝工业的自动化水平较低，亟待以先进控制技术实施改造。国家计委已批准在山西铝厂实施“氧化铝生产过程综合自动化技术产业化示范工程”。相信，通过多方的密切合作，该项目定能取得成功，为推动氧化铝工业的技术进步，为先进控制技术在我国氧化铝工业中的推广应用，起到示范作用。发挥其作用。
