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1 概述
　　近年來隨著鋁電解工業(yè)的飛速發(fā)展，作為鋁生產(chǎn)第二大原材料的鋁用炭素材料生產(chǎn)發(fā)展很快。持續(xù)二十年的鋁工業(yè)和消費(fèi)的增長(zhǎng)刺激了我國(guó)鋁用炭素材料需求在二十年間持續(xù)增長(zhǎng)，現(xiàn)已成為世界上生產(chǎn)炭素制品產(chǎn)量大國(guó)之一。但是我國(guó)的炭素生產(chǎn)質(zhì)量與世界先進(jìn)水平差距還比較大。我國(guó)的鋁用炭素生產(chǎn)企業(yè)雖然數(shù)量眾多，但是鋁用炭素工業(yè)的技術(shù)裝備水平低，設(shè)備老化，造成企業(yè)高污染、高消耗和高成本，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力差。國(guó)內(nèi)炭素生產(chǎn)線自動(dòng)化水平低，只有少數(shù)廠家能夠?qū)崿F(xiàn)炭素生產(chǎn)的自動(dòng)控制。提高國(guó)內(nèi)炭素生產(chǎn)企業(yè)的自動(dòng)化裝備水平，成為提高國(guó)內(nèi)炭素產(chǎn)品國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要環(huán)節(jié)。

2 工藝流程介紹
　　鋁用陽(yáng)極生產(chǎn)原料為石油焦和煤瀝青，生產(chǎn)工序包括：原料貯運(yùn)破碎、煅燒、瀝青熔化、生陽(yáng)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(yáng)極的最終各項(xiàng)指標(biāo)。

　　石油焦是預(yù)焙陽(yáng)極生產(chǎn)的原料，但石油焦不能直接用于預(yù)焙陽(yáng)極生產(chǎn)。因?yàn)樵鲜徒怪泻幸欢康乃帧]發(fā)分;微觀結(jié)構(gòu)不規(guī)整，存在著很多缺陷，表現(xiàn)為導(dǎo)電性和抗氧化性很差，密度和機(jī)械強(qiáng)度低。水分的存在使成型生產(chǎn)過程中焦炭的破碎，篩分和磨粉困難，甚至無法進(jìn)行。如果物料在混捏前不能除去水分，還會(huì)影響混捏效果，是糊料塑性變差，導(dǎo)致成型后的生塊產(chǎn)生汽包和裂紋。而揮發(fā)分在成型過程中無法排除，在焙燒時(shí)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(chǎn)生大量的裂紋和變形廢品，保證不了焙燒制品質(zhì)量的合格率。因此，原料石油焦在進(jìn)入成型工序前必須經(jīng)過鍛燒。所謂緞燒，就是為改善碳質(zhì)原料的理化性能，以滿足生產(chǎn)需要而進(jìn)行的高溫?zé)崽幚磉^程。鍛燒的目的，就是要排除原料石油焦中的水分和揮發(fā)分，增大焦炭的密度和機(jī)械強(qiáng)度，提高其導(dǎo)電性和抗氧化性，以滿足預(yù)焙陽(yáng)極生產(chǎn)的需要。鍛燒過程的物料流動(dòng)如圖1所示。

3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　炭素煅燒上料排料控制系統(tǒng)采用單機(jī)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(duì)系統(tǒng)過程的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制、聯(lián)鎖和報(bào)警以及報(bào)表打印，通過使用一系列通訊鏈，完成整個(gè)工藝流程所必需的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)通訊，順序控制，時(shí)間控制，回路調(diào)節(jié)及上位監(jiān)視和管理作用。
　　整個(gè)系統(tǒng)主干傳輸網(wǎng)采用100Mbps工業(yè)以太網(wǎng)，支持IEEE802.3規(guī)約和標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議；也可采用工業(yè)級(jí)專用控制局域網(wǎng)，該控制網(wǎng)具備確定性和可重復(fù)性及I/O共享，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸和實(shí)時(shí)控制。
　　整個(gè)系統(tǒng)由1個(gè)中央控制室、1個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站組成?，F(xiàn)場(chǎng)PLC控制站由HOLLiAS LK系列可編程序控制器（PLC）系統(tǒng)及檢測(cè)儀表組成，對(duì)炭素煅燒上料排料過程進(jìn)行分散控制；再由中央控制室上位機(jī)實(shí)行集中監(jiān)控管理。中央控制室上位機(jī)與PLC控制站之間的數(shù)據(jù)通訊采用高速的、實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)，通訊速率為100Mbps，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線。
　　現(xiàn)場(chǎng)的PLC控制站為單機(jī)控制器，PLC采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，然后通過工業(yè)以太網(wǎng)與控制監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，控制方式采用“全開放全分布”方式。
　　控制系統(tǒng)分為三級(jí)管理，包括管理級(jí)（中心控制室）、控制級(jí)（PLC控制站）及現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。

　　管理級(jí)（中心控制室）
　　管理級(jí)是系統(tǒng)的核心部分，完成對(duì)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(shí)現(xiàn)廠級(jí)的辦公自動(dòng)化。管理級(jí)提供人機(jī)接口，是整個(gè)控制系統(tǒng)與外部信息交換的界面 。
      考慮到管理層功能結(jié)構(gòu)的層次性和可分割性，采用客戶/服務(wù)器（Client/Server）的體系結(jié)構(gòu)。服務(wù)器具有遠(yuǎn)程控制操作功能、狀態(tài)顯示功能、數(shù)據(jù)處理功能、報(bào)警功能、報(bào)表功能、通訊功能和冗余功能等。中央控制室中設(shè)備包括：一臺(tái)安裝和利時(shí)公司FacView監(jiān)控組態(tài)軟件的冗余服務(wù)器作為上位機(jī)。生產(chǎn)管理人員可在辦公室實(shí)時(shí)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況。這種配置的最主要的優(yōu)點(diǎn)是保證數(shù)據(jù)的完整性和監(jiān)控
操作的連續(xù)性。這種配置的最大優(yōu)點(diǎn)是最大程度的降低投資成本。
　　控制級(jí)（PLC控制站）
　　控制級(jí)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，也是管理級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)之間的樞紐層。因此，控制級(jí)采用以和利時(shí)公司高性能、高可靠性的HOLLiAS LK系列PLC為主的控制系統(tǒng)，其主要功能是接受管理層設(shè)置的參數(shù)或命令，對(duì)炭素生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)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(wǎng)接口、冗余PROFIBUS-DP總線接口、串口，控制級(jí)PLC系統(tǒng)通過高速冗余工業(yè)以太網(wǎng)與管理級(jí)上位機(jī)進(jìn)行通信。另外，CPU模塊作為PROFIBUS-DP主站，與遠(yuǎn)程分布式智能I/O通過冗余的PROFIBUS-DP進(jìn)行數(shù)據(jù)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(hù)人員在維修時(shí)更換模塊非常方便、快捷。
　　現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)接受生產(chǎn)管理級(jí)的調(diào)度，但并不依賴于生產(chǎn)管理級(jí)而運(yùn)行：若監(jiān)控計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障或者并沒有投入使用或者通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，現(xiàn)場(chǎng)控制站仍繼續(xù)正常工作，對(duì)整個(gè)工藝過程沒有影響。
　　現(xiàn)場(chǎng)級(jí)
　　現(xiàn)場(chǎng)級(jí)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。現(xiàn)場(chǎng)級(jí)主要由檢測(cè)儀表（如料位計(jì)、傳感器等）、控制設(shè)備等組成。其功能主要是對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)、傳感器參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并把監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)上傳；接受控制級(jí)的指令對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。
將現(xiàn)場(chǎng)控制箱上的“就地/遠(yuǎn)程”旋鈕切換至“就地”位置，通過箱上的“啟動(dòng)/停止”按鈕實(shí)現(xiàn)就地手動(dòng)控制。

4 工藝控制策略
　　炭素生產(chǎn)煅燒環(huán)節(jié)加料排料自動(dòng)控制系統(tǒng)共分為三個(gè)控制部分：原料破碎控制系統(tǒng)、上料控制系統(tǒng)和排料控制系統(tǒng)。炭素生產(chǎn)煅燒環(huán)節(jié)加料排料自動(dòng)控制系統(tǒng)控制方式設(shè)計(jì)為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備就地手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、程序自動(dòng)控制三種控制模式。三種模式的級(jí)別由高到低依次為就地手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、程序自動(dòng)控制。
　　4.1 原料破碎控制系統(tǒng)
　　原料破碎控制系統(tǒng)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(hào)原料倉(cāng)和3、4號(hào)原料倉(cāng)。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(shè)備有振動(dòng)給料機(jī)、兩個(gè)振倉(cāng)器、原料破碎機(jī)、輸送皮帶機(jī)、除鐵器、斗式提升機(jī)、三通閥和兩個(gè)原料倉(cāng)。系統(tǒng)的控制要求遵循如下原則：
　　破碎給料原則
　　1） 流程預(yù)啟：進(jìn)行流程選擇，并啟動(dòng)相應(yīng)流程上的預(yù)啟動(dòng)設(shè)備，做好啟動(dòng)準(zhǔn)備。即將所有設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)控制箱的現(xiàn)場(chǎng)控制箱上的“就地/遠(yuǎn)程”旋鈕切換至“遠(yuǎn)程”位置。并將上位機(jī)操作界面的“自動(dòng)/手動(dòng)”旋鈕切換至“自動(dòng)”位置；
　　2） 流程啟動(dòng)：接收到流程啟動(dòng)允許信號(hào)后，系統(tǒng)主設(shè)備按逆原料流方向延時(shí)順序啟動(dòng)。即將上位機(jī)操作界面的自動(dòng)啟動(dòng)按鈕按下后系統(tǒng)按照如下順序啟動(dòng)設(shè)備：根據(jù)石油焦儲(chǔ)存?zhèn)}的料位檢測(cè)情況判斷要料狀態(tài)→三通閥選擇下料方向→斗式提升機(jī)啟動(dòng)→除鐵器啟動(dòng)→輸送皮帶機(jī)啟動(dòng)→雙齒破碎機(jī)啟動(dòng)→電機(jī)振動(dòng)給料機(jī)啟動(dòng)→雙齒破碎機(jī)料倉(cāng)振倉(cāng)器啟動(dòng)。
　　3） 流程停止：停止指令下達(dá)后，系統(tǒng)主設(shè)備按順原料流方向延時(shí)順序停止。根據(jù)石油焦儲(chǔ)存?zhèn)}的料位檢測(cè)情況判斷停止上料→雙齒破碎機(jī)料倉(cāng)振倉(cāng)器停止→電機(jī)振動(dòng)給料機(jī)停止→雙齒破碎機(jī)停止→輸送皮帶機(jī)停止→除鐵器停止→斗式提升機(jī)停止；
　　4） 故障聯(lián)鎖停機(jī)：當(dāng)所選流程上的系統(tǒng)主設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，立即聯(lián)鎖跳停設(shè)備故障點(diǎn)上游（逆原料流方向）的主設(shè)備；
　　4.2 上料控制系統(tǒng)
　　上料控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)將原料倉(cāng)中的原料輸送到煅燒爐，在上料控制系統(tǒng)中分為加料小車的自動(dòng)控制和皮帶輸送自動(dòng)控制兩部分。在小車自動(dòng)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(dú)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(tài)影響皮帶輸送的啟動(dòng)和停止。上料控制系統(tǒng)的主要設(shè)備有：加料小車四個(gè)、接料皮帶機(jī)兩個(gè)、接料皮帶分料閥兩個(gè)、提升機(jī)兩臺(tái)、提升機(jī)前三通閥一個(gè)、倉(cāng)底皮帶機(jī)一個(gè)和分料器四個(gè)。系統(tǒng)控制要求遵循以下原則：
　　上料原則
　　1） 流程預(yù)啟：進(jìn)行流程選擇，并啟動(dòng)相應(yīng)流程上的預(yù)啟動(dòng)設(shè)備，做好啟動(dòng)準(zhǔn)備。即將所有設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)控制箱的現(xiàn)場(chǎng)控制箱上的“就地/遠(yuǎn)程”旋鈕切換至“遠(yuǎn)程”位置。并將上位機(jī)操作界面的“自動(dòng)/手動(dòng)”旋鈕切換至“自動(dòng)”位置；
　　2） 流程啟動(dòng)：接收到流程啟動(dòng)允許信號(hào)后，系統(tǒng)主設(shè)備按逆輸料流向延時(shí)順序啟動(dòng)。即將上位機(jī)操作界面的自動(dòng)啟動(dòng)按鈕按下后系統(tǒng)按照如下順序啟動(dòng)設(shè)備：根據(jù)加料車定位檢測(cè)情況、料車內(nèi)料位檢測(cè)情況綜合判斷要料狀態(tài)→接料皮帶機(jī)啟動(dòng)→接料皮帶分料閥開啟→斗式提升機(jī)啟動(dòng)→提升機(jī)