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　　摘  要 石油焦煅燒是炭素生產中的一個重要環節，而加料和排料自動控制系統是煅燒工藝能夠順利進行的重要保障，本文介紹基于和利時公司HOLLiAS LK系列PLC的炭素生產煅燒環節自動化控制系統，該系統為單機CPU配置，所有模塊均支持帶電插拔。

　　關鍵詞 炭素；自動控制；加料系統；排料系統；HOLLiAS LK PLC；

　　1 概述

　　近年來隨著鋁電解工業的飛速發展，作為鋁生產第二太原材料的鋁用炭素材料生產發展很快。持續二十年的鋁工業和消費的增長刺激了我國鋁用炭素材料需求在二十年間持續增長，現已成為世界上生產炭素制品產量大國之一。但是我國的炭素生產質量與世界先進水平差距還比較大。我國的鋁用炭素生產企業雖然數量眾多，但是鋁用炭素工業的技術裝備水平低，設備老化，造成企業高污染、高消耗和高成本，國際競爭力差。國內炭素生產線自動化水平低，只有少數廠家能夠實現炭素生產的自動控制。提高國內炭素生產企業的自動化裝備水平，成為提高國內炭素產品國際競爭力的重要環節。

　　2 工藝流程介紹

　　鋁用陽極生產原料為石油焦和煤瀝青，生產工序包括：原料貯運破碎、煅燒、瀝青熔化、生陽極制造、焙燒及炭塊貯存和殘極處理等。煅燒作為的煅燒過程中的首要步驟，直接影響陽極的最終各項指標。

圖1(a) 煅燒過程物料流動圖1



圖1(b) 煅燒過程物料流動圖2

　　石油焦是預焙陽極生產的原料，但石油焦不能直接用于預焙陽極生產。因為原料石油焦中含有一定量的水分、揮發分;微觀結構不規整，存在著很多缺陷，表現為導電性和抗氧化性很差，密度和機械強度低。水分的存在使成型生產過程中焦炭的破碎，篩分和磨粉困難，甚至無法進行。如果物料在混捏前不能除去水分，還會影響混捏效果，是糊料塑性變差，導致成型后的生塊產生汽包和裂紋。而揮發分在成型過程中無法排除，在焙燒時以大量氣體形式排出，并伴隨著焦炭本身體積的高度收縮，使焙燒制品產生大量的裂紋和變形廢品，保證不了焙燒制品質量的合格率。因此，原料石油焦在進入成型工序前必須經過鍛燒。所謂緞燒，就是為改善碳質原料的理化性能，以滿足生產需要而進行的高溫熱處理過程。鍛燒的目的，就是要排除原料石油焦中的水分和揮發分，增大焦炭的密度和機械強度，提高其導電性和抗氧化性，以滿足預焙陽極生產的需要。鍛燒過程的物料流動如圖1所示。

　　3 自動化控制系統設計

　　炭素煅燒上料排料控制系統采用單機配置的HOLLiAS LK系列PLC完成原料破碎、煅燒爐上料及排料的功能，PLC置于中央程控室。對系統過程的工藝參數、電氣參數和設備運行狀態進行監測、控制、聯鎖和報警以及報表打印，通過使用一系列通訊鏈，完成整個工藝流程所必需的數據采集，數據通訊，順序控制，時間控制，回路調節及上位監視和管理作用。

　　整個系統主干傳輸網采用100Mbps工業以太網，支持IEEE802.3規約和標準的TCP/IP協議；也可采用工業級專用控制局域網，該控制網具備確定性和可重復性及I/O共享，實現數據的高速傳輸和實時控制。

　　整個系統由1個中央控制室、1個現場PLC控制站組成。現場PLC控制站由HOLLiAS LK系列可編程序控制器（PLC）系統及檢測儀表組成，對炭素煅燒上料排料過程進行分散控制；再由中央控制室上位機實行集中監控管理。中央控制室上位機與PLC控制站之間的數據通訊采用高速的、實時的工業以太網，通訊速率為100Mbps，傳輸介質為屏蔽雙絞線。

　　現場的PLC控制站為單機控制器，PLC采集現場信號，然后通過工業以太網與控制監控計算機進行數據通信，控制方式采用“全開放全分布”方式。

　　控制系統分為三級管理，包括管理級（中心控制室）、控制級（PLC控制站）及現場級。

　　管理級（中心控制室）

　　管理級是系統的核心部分，完成對炭素原料粉碎、煅燒上料和煅后排料三部分的管理和控制 ，并實現廠級的辦公自動化。管理級提供人機接口，是整個控制系統與外部信息交換的界面 。

　　考慮到管理層功能結構的層次性和可分割性，采用客戶/服務器（Client/Server）的體系結構。服務器具有遠程控制操作功能、狀態顯示功能、數據處理功能、報警功能、報表功能、通訊功能和冗余功能等。中央控制室中設備包括：一臺安裝和利時公司FacView監控組態軟件的冗余服務器作為上位機。生產管理人員可在辦公室實時監視現場的運行情況。這種配置的最主要的優點是保證數據的完整性和監控

　　操作的連續性。這種配置的最大優點是最大程度的降低投資成本。

　　控制級（PLC控制站）

　　控制級是實現系統功能的關鍵，也是管理級與現場級之間的樞紐層。因此，控制級采用以和利時公司高性能、高可靠性的HOLLiAS LK系列PLC為主的控制系統，其主要功能是接受管理層設置的參數或命令，對炭素生產過程進行控制，同時將現場狀態輸送到管理層。

　　LK系列PLC的CPU模塊上集成多種通信接口，包括冗余以太網接口、冗余PROFIBUS-DP總線接口、串口，控制級PLC系統通過高速冗余工業以太網與管理級上位機進行通信。另外，CPU模塊作為PROFIBUS-DP主站，與遠程分布式智能I/O通過冗余的PROFIBUS-DP進行數據通信。

　　LK系列PLC模塊接線端子集成在背板上，與模塊本體分離，且所有模塊均支持帶電插拔，因此維護人員在維修時更換模塊非常方便、快捷。

　　現場控制級接受生產管理級的調度，但并不依賴于生產管理級而運行：若監控計算機出現故障或者并沒有投入使用或者通信網絡出現故障，現場控制站仍繼續正常工作，對整個工藝過程沒有影響。

　　現場級

　　現場級是實現系統功能的基礎。現場級主要由檢測儀表（如料位計、傳感器等）、控制設備等組成。其功能主要是對系統設備的狀態、傳感器參數進行監測，并把監測到的數據上傳；接受控制級的指令對執行機構進行控制。

　　將現場控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“就地”位置，通過箱上的“啟動/停止”按鈕實現就地手動控制。

　　4工藝控制策略

　　炭素生產煅燒環節加料排料自動控制系統共分為三個控制部分：原料破碎控制系統、上料控制系統和排料控制系統。炭素生產煅燒環節加料排料自動控制系統控制方式設計為現場設備就地手動控制、遠程手動控制、程序自動控制三種控制模式。三種模式的級別由高到低依次為就地手動控制、遠程手動控制、程序自動控制。

　　4.1 原料破碎控制系統

　　原料破碎控制系統中由東線和西線組成，兩條線分別將破碎得到的原料裝入1、2號原料倉和3、4號原料倉。東西兩條線完全相同，是分別控制的，互不影響。每條線的的主要設備有振動給料機、兩個振倉器、原料破碎機、輸送皮帶機、除鐵器、斗式提升機、三通閥和兩個原料倉。系統的控制要求遵循如下原則：

　　破碎給料原則

　　1） 流程預啟：進行流程選擇，并啟動相應流程上的預啟動設備，做好啟動準備。即將所有設備現場控制箱的現場控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“遠程”位置。并將上位機操作界面的“自動/手動”旋鈕切換至“自動”位置；

　　2） 流程啟動：接收到流程啟動允許信號后，系統主設備按逆原料流方向延時順序啟動。即將上位機操作界面的自動啟動按鈕按下后系統按照如下順序啟動設備：根據石油焦儲存倉的料位檢測情況判斷要料狀態→三通閥選擇下料方向→斗式提升機啟動→除鐵器啟動→輸送皮帶機啟動→雙齒破碎機啟動→電機振動給料機啟動→雙齒破碎機料倉振倉器啟動。

　　3） 流程停止：停止指令下達后，系統主設備按順原料流方向延時順序停止。根據石油焦儲存倉的料位檢測情況判斷停止上料→雙齒破碎機料倉振倉器停止→電機振動給料機停止→雙齒破碎機停止→輸送皮帶機停止→除鐵器停止→斗式提升機停止；

　　4） 故障聯鎖停機：當所選流程上的系統主設備發生故障時，立即聯鎖跳停設備故障點上游（逆原料流方向）的主設備；

　　4.2 上料控制系統

　　上料控制系統負責將原料倉中的原料輸送到煅燒爐，在上料控制系統中分為加料小車的自動控制和皮帶輸送自動控制兩部分。在小車自動控制中分為南線和北線兩條完全相同的加料線。南線和北線是單獨控制的，互不影響，小車按照周期為煅燒爐加料。小車的位置和料位狀態影響皮帶輸送的啟動和停止。上料控制系統的主要設備有：加料小車四個、接料皮帶機兩個、接料皮帶分料閥兩個、提升機兩臺、提升機前三通閥一個、倉底皮帶機一個和分料器四個。系統控制要求遵循以下原則：

　　上料原則

　　1） 流程預啟：進行流程選擇，并啟動相應流程上的預啟動設備，做好啟動準備。即將所有設備現場控制箱的現場控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“遠程”位置。并將上位機操作界面的“自動/手動”旋鈕切換至“自動”位置；

　　2） 流程啟動：接收到流程啟動允許信號后，系統主設備按逆輸料流向延時順序啟動。即將上位機操作界面的自動啟動按鈕按下后系統按照如下順序啟動設備：根據加料車定位檢測情況、料車內料位檢測情況綜合判斷要料狀態→接料皮帶機啟動→接料皮帶分料閥開啟→斗式提升機啟動→提升機前輸送皮帶機啟動→螺旋輸送機啟動。

　　3） 流程停止：停止指令下達后，系統主設備按順輸料流方向延時順序停止。根據加料車定位檢測情況、料車內料位檢測情況綜合判斷要料狀態→螺旋輸送機停止→輸送皮帶機停止→斗式提升機停止→接料皮帶分料閥關閉→接料皮帶機停止。

　　4） 故障聯鎖停機：當所選流程上的系統主設備發生故障時，立即聯鎖跳停設備故障點上游（逆輸料流向）的主設備；

　　4.3 排料控制系統

　　排料控制系統負責將煅燒爐中的煅燒后的料排出送往成品倉。排料過程中，排料閥會周期性排料，排料的運行時間和停止時間可以在上位操作界面中輸入。排料控制系統的主要設備有：排料閥八個、粉料輸送機八個、提升機兩臺、提升機后三通閥一個、倉頂皮帶機一個和原料倉兩個。系統控制要求遵循以下原則：

　　排料原則

　　1） 流程預啟：進行流程選擇，并啟動相應流程上的預啟動設備，做好啟動準備。即將所有設備現場控制箱的現場控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“遠程”位置。并將上位機操作界面的“自動/手動”旋鈕切換至“自動”位置；

　　2） 流程啟動：接收到流程啟動允許信號后，系統主設備按逆排料流方向延時順序啟動。即將上位機操作界面的自動啟動按鈕按下后系統按照如下順序啟動設備：根據成品倉料位情況控制三通閥的排料方向→倉頂皮帶機啟動→根據提升機前粉料閥的狀態判定提升機的啟動→粉料輸送機啟動→排料閥排料。

　　3） 排料流程：在設備啟動以后，排料閥按照預先設定的周期進行排料，排料時間和停止排料時間可以在上位操作界面進行設定，排料停止的時間內，除排料閥關閉外，其他設備均正常運行。

　　4） 流程停止：停止指令下達后，系統主設備按順排料方向延時順序停止。排料閥停止排料→粉料輸送機停止→提升機停止→倉頂皮帶機停止。

　　5） 故障聯鎖停機：當所選流程上的系統主設備發生故障時，立即聯鎖跳停設備故障點上游（逆排料方向）的主設備；

　　5 系統功能

　　顯示功能

　　具有多窗口的報警畫面、趨勢圖、指導畫面、控制畫面、參數修改畫面、故障診斷畫面、動態畫面等各種監視畫面。調用任一畫面的擊鍵次數不大于3次，任何LCD畫面能在1秒的時間內完全顯示出來。任何操作指令均在1秒或更短的時間內完全被執行，從發出操作指令到返回信號輸入至LCD上顯示的總 時間小于2秒。

　　安全功能

　　分別設定操作員和系統員的進入口令。在運行環境下，屏蔽Windows所有熱鍵，從而鎖定系統自由進出。系統上電后自動恢復運行狀態。在多重上位機監控平臺時設定操作站的優先級保證控制室內操作站與現場人機接口同時操作的安全性。

　　歷史數據管理

　　對所有采集數據任意設定存取間隙和存取方式。

　　打印報表

　　按用戶定義的報表格式進行定時、報警和隨機打印。

　　事件記錄

　　事件和內部時鐘可按時間順序區分和管理，并可及時顯示和打印。

　　定期記錄包括交接班記錄、日報、和月報。對交接班記錄和日報，系統在每一小時的時間間隔內，提供200個預選變量的記錄。月報，則在每一天的時間間隔內，提供200個預選變量的記錄。在每一個交接班后，或每一天結束時，或每一個月結束時，應自動進行記錄打印。或根據運行人員指令召喚打印。

　　系統記錄運行人員在集控室進行的所有操作項目及每次操作的精確時間。通過對運行人員操作行為的準確記錄，可便于分析運行人員的操作意圖，分析事故原因。監控TAG及調試：

　　采用結構化TAG定義。既可通過TAG定義隨時修改每個測點的有效狀態、報警管理、歷史數據、死區與PLC通訊參數等，同時按修改實時數據庫的TAG值來執行調試操作。

　　數據庫接口與數據通訊

　　具備開放性的實時數據可接受任何任務的訪問并與其交換數據。系統具備復制和分發功能，將信息分送給其它的通用數據庫應用程序，同時應支持SQL、ODBC或OLE DB的應用程序。所有數據可用符號代表，如：VAVLE、MOTOR等，需要時可對變量的每次改變進行監視和處理。

　　在一臺操作員站上生成的任何顯示畫面和趨勢圖等，均應能通過網絡加載到另一臺操作員站。程控系統PLC控制程序的組態和修改應可在水系統PLC網絡控制系統的工程師站上進行，并通過網絡下載到程序控制系統的PLC中。通過網絡，操作員站能調出系統內任一PLC站的系統組態信息和有關數據，還可以使買方人員將組態的數據從操作員站下載到PLC站。此外，當重新組態的數據被確認后，系統能自動地刷新其內存。

　　控制操作功能

　　可按組態通過鼠標指定畫面上的對象進行開關或增減操作。回路響應時間不大于2秒。

　　控制系統采用程控、遠控、就地控制相結合的方式，對于電動門、氣動門、泵、風機等控制對象除了在控制室進行遠方控制外，保留就地操作手段。

　　對于程序控制系統具有自動、半自動、步操、鍵操、及就地手操五種操作方式。在手動方式下操作員啟停電動機、開關閥門及其它設備時，LCD畫面應提供操作指導。

　　現場設備故障，影響程控前進時，在滿足相關約束下，運行人員干預可進行跳步操作。

　　設備處于就地操作方式時，上位機操作無效。

　　6 系統特點

　　編程特點

　　本系統中具有控制設備多，控制設備類型相似，控制條件復雜且相似設備控制條件相差較大的特點。根據系統的特點，采用LK系列PLC進行控制時，根據PowerPro編程語言多樣，配合靈活的特點，采用結構化編程，系統采用9個功能塊和1個主程序進行控制。

圖3  程序結構圖

對于電機復雜的啟停控制條件可以采用圖3所示的功能塊進行編程，使啟停條件一目了然，并且縮短了編程的行數。

圖4  上料控制系統停止條件程序圖

　　操作界面特點

　　本系統中的大量設備功能相似，操作相同，在組態畫面的編輯過程中，使用FacView組態軟件中的精靈和超級精靈功能，大大減少編輯界面的工作量。一個設備的編輯只需一個或者兩個變量的輸入即可：

圖5  超級精靈編輯界面



圖6  精靈編輯界面



圖7  精靈調用界面



圖8  精靈和超級精靈的使用界面

　　7 結束語

　　炭素煅燒控制由于現場的電機多，分布分散，現場環境惡劣。在人工控制時不僅需要耗費大量的人力物力，并且現場環境對工人造成較大傷害。采用和利時LK系列PLC進行自動控制，在保證安全運行的前提下，節省大量的人力物力，提高工作效率，并且使得加料和排料量更加精確，提高生產質量。

　　參考文獻

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