1 引言
開曼鋁業位于陜西省陜縣境內，是三門峽建市以來投資最大的工業項目，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工藝，設計年產氧化鋁120萬噸。
開曼鋁業（三門峽）在初期的方案設計敲定后即開始系統、品牌的招標，在國內、外多家系統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。
集成過程控制系統以羅克韋爾自動化的集成架構為核心，是一套全面集成的過程控制解決方案。集成架構作為一種技術框架,將車間現場不同的應用項目通過統一的控制、可視化和通信平臺集成在一起。這樣一來，所有的數據都能夠在整個企業內進行無逢的傳遞。這正是現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；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。至此，開曼鋁業達到年產氧化鋁120萬噸的生產能力，達到設計目標，羅克韋爾自動化集成過程控制系統在國內氧化鋁行業首次大規模應用獲得成功。
2 氧化鋁生產過程的特點和控制要求
2．1 氧化鋁生產過程簡介
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。開曼鋁業采用拜耳法堿法生產工藝。
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），經蒸發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，就能夠連續地處理鋁土礦，從中不斷析出純的AI(OH)3產品，構成所謂的拜爾法循環。
拜耳法的實質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氧化鋁生產對自控系統的要求
氧化鋁生產的多工序性，工序之間的互相制約性，要求控制系統必須長期連續穩定運行。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 集成過程控制系統的硬件設計
3．1 慨述
集成過程控制系統是一個分布式控制系統。
系統下設原料磨、石灰消化、溶出、沉降、種子過濾、蒸發、成品過濾、焙燒八個過程控制子系統（車間），每個車間均有一臺工程師站EWS和2-3臺操作員站OPS。車間內部工藝參數的數據采集、實時監控、數據處理等信息的傳輸由ControlNet控制網實現。整個氧化鋁廠的主要生產操作由這八套子系統完成。
集成過程控制系統的信息層采用EtherNet/IP工業以太網 DP網橋，12MBDP-BRIDGE/12MB ，通過以太網將上述八個車間的信息傳送到全廠生產信息調度中心，該中心設有兩臺服務器SERVER1、SERVER2和兩臺操作站OPS1、OPS2，對全廠生產過程進行集中監視、控制和管理。
整個控制系統共配置有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 緊急停止開關HW 量，系統網絡拓撲見。
3．2冗余技術是集成過程控制系統的基礎
這個由13000多個控制點構成的龐大的自動控制工程，如果因故障停止運行，每天經濟損失高達100多萬元人民幣，如何保證氧化鋁生產長期連續穩定運行，決不是一句套話，一句口頭禪，而是擺在每一個設計、調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：控制層網絡故障；
第3種故障：信息層網絡故障；
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年內將不會失效。但實際上，影響系統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建一個穩定合理的系統。就象鋼鐵，可以造就萬噸巨輪遠航四海，也可能變為沉淪海底的一堆銹鐵一樣。
羅克韋爾自動化集成過程控制系統的冗余技術合理地解決了這些問題。
所謂“冗余”，是指“一個具有相同設備功能的備用系統”，當主設備出現故障時，冗余設備是可以立即使用的替代設備。
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。當主控制器失效時，從控制器在100ms內接替主控制器，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，除了觸發相應的報警或事件，不會對操作產生其他的影響，切換的時間可以忽略。
※可靠的存儲：當進行同步數據傳輸時，只有主機架和從機架都收到相同的信息時，系統才確認數據傳輸成功。
※切換時數據連貫性：進行冗余切換時，輸出保持不變，保證過程不發生擾動。
※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適配器構成）。它們分別由兩路不同的系統供電，當任一路供電系統故障時，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 控制層網絡冗余
中1756-CNBR是ControlNet通信模塊，它有兩個冗余的網絡通道：A口和B口，使控制信息實現冗余。傳送速率達5Mbps,傳送介質是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 信息層網絡冗余
信息層網絡故障借助交換機冗余和雙光纖環網兩個途徑解決。
3.5.1交換機冗余
每個車間的現場信息，是通過兩個冗余以太網交換機獲取，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，這樣做的好處是現場信息具有冗余功能。
3.5.2雙光纖環網
全廠設有兩條100m光纖以太網環網。
(1)環網1
設有9個以太網光纖交換機，用于原料磨、石灰消化、溶出、沉降、分解、蒸發、成品和焙燒等8個車間的現場數據和冗余服務器（ServerS、erver2）進行數據交換。
(2)環網2
設有7個以太網光纖交換機，并在原料磨、溶出、沉降、分解、蒸發和焙燒等6個主要車間各設一臺操作員站OPS3，可以監視全廠其他車間的運行情況（只看不控）。
環網1和環網2是兩個獨立的網絡，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。
服務器采用雙層網絡結構，下層以太網（環網1）直接接處理器，上層以太網（環網2）接操作站，上、下二層網絡只能通過冗余服務器才能進行通信，互不影響，上層網故障不影響下層網正常工作。
需要說明的是：光纖以太網交換機對網絡性能起到十分重要的作用，本系統選用ED6008-MM-SC型光纖交換機，該交換機可進行流量設置，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，可以有效的防止網絡堵塞。
3.6服務器冗余
采用主/從服務器結構。當主服務器出現故障時，從服務器自動轉為主服務器，提供與控制器/RTU的通信、數據采集等功能，并為其他操作站提供服務。主服務器定時將數據庫中的所有數據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（）
開關量輸入隔離
(1)信號隔離
開關量輸入/輸出經過繼電器 繼電器座-TP-28X 隔離；模擬量輸入/輸出經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)數顯 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 集成過程控制系統的軟件設計
軟件設計主要包括兩大部分：控制程序設計和監控畫面設計。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的①編制程序②組態網絡③開發操作界面。為此，在工程師站（操作系統為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：網絡配置
(4)RSV Studio for RSV Enterprise：操作員界面開發.
羅克韋爾自動化的集成架構主要由Logix控制平臺、NetLinx通信網絡、ViewAnyWare人機界面 Smart PC BoxMPCSN01NDJ00H 和FactoryTalk企業實時數據交換技術構成。本文以鋁廠生產流程中最重要的環節-高壓溶出車間（一期）為例，說明集成架構的優勢。
4.1 網絡組態
一期控制系統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軟件進行網絡組態，為了避免網絡負荷過重，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），組態后獲得。
經組態后，機架上的任一點的信息，利用ControlNet特有的“生產者/消費者&r
