炭陽極配料自動控制系統(tǒng)研制開發(fā)應(yīng)用

1  前言
　　
　　炭素陽極是鋁電解工藝中至關(guān)重要的原料。在炭素陽極的生產(chǎn)過程中，各種物料重量的配比準(zhǔn)確與否，直接決定了產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。國內(nèi)目前的炭素陽極配料過程，一般是采用配料車，用人工控制配料下料量的方法。這種方法很難確保配料比例的準(zhǔn)確，經(jīng)常出現(xiàn)在混捏過程中發(fā)現(xiàn)配料有誤差，需要進行補油操作。這樣的后果是影響了電解效率，甚至有陽極斷裂的現(xiàn)象發(fā)生。同時，由于炭素粉末很細，造成現(xiàn)場環(huán)境惡劣，對配料工人的身體健康構(gòu)成很大威脅，因此我們設(shè)計了配料過程的自動控制系統(tǒng)，采用先進的PLC控制技術(shù)和配料智能補償算法，運用變頻調(diào)速方式控制電機，實現(xiàn)了炭素陽極配料的精確計量和自動控制，不僅減輕了工人勞動強度，而且大大提高了炭素陽極的產(chǎn)品質(zhì)量。
　　2  系統(tǒng)簡介
　　
　　炭素陽極產(chǎn)品的生產(chǎn)需要經(jīng)過原料的配料與預(yù)碎、原料的煅燒、破碎和篩分、配料方的編制與配料操作、混捏、壓型、焙燒的過程才能最終形成。本系統(tǒng)是其中配料、混捏的過程。
　　固體炭素材料經(jīng)破碎、篩分后，得到大小不同的各種力度的物料，存放在不同的儲料倉內(nèi)。配料就是把各種不同力度、不同性質(zhì)的材料按一定的比例進行混合的過程。而這一比例的確定，就是所謂配方的編制。把配料操作出來的干料和粘結(jié)劑在一定的溫度下混合，捏合成可塑性的糊狀，即為混捏。均勻的混捏，可以使制品的結(jié)構(gòu)趨于完善，性能趨于穩(wěn)定�；炷蟮倪^程在混捏鍋中完成，混捏鍋主要是由雙層鍋體和一對麻花型絞刀以及減速傳動裝置組成，它是間斷性生產(chǎn)的設(shè)備，即加料 -混捏 -卸料周期地循環(huán)操作。混捏的過程分為干混和濕混兩個階段，即先將固體炭素原料顆粒加熱到100℃以上，然后再加入液體瀝青進行濕捏�；炷蟮墓に嚥僮髦饕�是控制糊料的溫度和混捏時間。
　　我公司炭素廠原由1、2 #
　　配料系統(tǒng)均采用電動小車實現(xiàn)配料的方法進行配料。磅稱裝在配料車上，在配料車行進過程中，始終需要操作工在配料車上進行操作，在惡劣的環(huán)境下控制配料車的行進、停止，并根據(jù)稱量的指示控制下料量，人為誤差極大。而混捏過程由電器連鎖系統(tǒng)完成，繁瑣的中間繼電器故障率高，不易維護。因此，針對所存在的問題，新增3系統(tǒng)配料的設(shè)計采用了自動控制。如圖1所示:
　　新增3系統(tǒng)配料由自動控制實現(xiàn)生產(chǎn)全流程。原料存放在7個儲料倉內(nèi)，使用電振給料器控制下料量，料分別下到三個配料倉中。PLC通過模擬量輸入模板，實時采樣監(jiān)測控制配料倉下料。在配料倉下方，采用變頻控制的運輸車，負責(zé)將三個配料倉內(nèi)配置好的原料自動運送到空鍋等待的混捏鍋內(nèi)。原料在混捏鍋中混捏，由PLC控制時間并自動下油�；炷蠼Y(jié)束后，拉糊車自動將糊料運送到天車起吊位置，等待天車。
　　3  系統(tǒng)詳述
　　3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成
　　
　　炭素陽極配料自動控制系統(tǒng)選擇了日本三菱MITSUBISHI的A2AS系列PLC作為系統(tǒng)的下位機，上位機選擇惠普工控機，配以美國Intellution
　　FIX軟件，該軟件作為一種開放型軟件，具有與多種PLC系統(tǒng)能夠的接口，炭素陽極配料自動控制系統(tǒng)的總貌圖如圖2所示:
　　3.2 PLC自動控制系統(tǒng)
　　
　　控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能包括:配料和運輸部分、瀝青下油部分、混捏部分自動控制。每個設(shè)備的運行狀態(tài)分為三種:就地、手動操作、自動控制。
　　就地控制:由操作工在現(xiàn)場扳動切換開關(guān)轉(zhuǎn)入就地操作，PLC不輸出到該設(shè)備。
　　手動控制:在上位機上對設(shè)備進行直接輸出。
　　自動控制:PLC根據(jù)連鎖條件自動輸出到設(shè)備。
　　3.3 自動配方
　　
　　自動配方算法由VB語言設(shè)計，通過DDE數(shù)據(jù)傳送到FIX軟件。生產(chǎn)操作人員在計算機上輸入生產(chǎn)產(chǎn)品類型、各種配料的技術(shù)參數(shù)和所陪物料的總重量，計算機能自動計算出各種物料的配比重量，并自動下載到PLC作為稱重控制依據(jù)。操作人員也可以在計算機上手工輸入和/或調(diào)整各種物料的配比。配方與總重量的修改，僅當(dāng)本次配料過程結(jié)束后方可有效，配料過程中進行的修改不能影響本次配方配比。
　　配方的原始依據(jù)來自篩分的純度結(jié)果。將純度值按照要求填入下表，其理論配方方案分別為:
　　根據(jù)理論配方和處理分析結(jié)果進行第一次估算(百分比):
　　+4  +2  +1  -0.5  0.075
　　P1   P2   P3   P4    P5 
　　純度物料 +4 +2 +1 +0.5 +0.15 0.025 -0.015
　　4-2mm    A1 A2 A3  A4
　　2-1mm       B1 B2  B3
　　1-0mm          C1  C2   C3    C4     C5
　　球磨粉　　 D1   D2    D3     D4
　　　　　　E1    E2     E3
　　配方及計算參數(shù)表
　　根據(jù)理論配方和處理分析結(jié)果進行第一次估算(百分比):
　　4-2料子粒重(G1): G1= P2/A2
　　2-1粒子料重(G2): G2= P3-G1×A3
　　球磨粉料重(G4):G4= P5-G5×E3
　　收塵粉料重(G5): G5=(%1至10%)逐調(diào)
　　1—0粒子料重: G3=1—G1—G2—G4—G5
　　根據(jù)估算結(jié)果，帶入負算公式進行自動復(fù)算，得出最終重量配比值，作為控制依據(jù)。最后進行驗算，驗算結(jié)果由下式確定:
　　G1×A1＜P1    G1×A2+G2×B1≈P2±1
　　G1×A3+G2×B2+G3×C1≈P3±1
　　(D3+D4)×G4+(C4+C5)×G3+(E2+E3)×G5≈P4±2
　　C5×G4+D4×G4+E3×G5≈P5±1
　　驗算結(jié)果合格，則配方計算結(jié)果可由配料自動控制程序使用。
　　3.4 自動配料
　　自動配料的啟動
　　和停止由操作工在上位機上進行操作。PLC根據(jù)上位機所輸出的配比值，自動控制7個電振給料器的下料量。對于3個配料斗而言，各種物料的下料順序應(yīng)遵循按照所占比例由大到小的過程依次下料。自動配料過程的過沖量根據(jù)給定值與實際值的差值自動動態(tài)調(diào)整，最大限度保證配料的精確性。振動給料稱量系統(tǒng)采用二步振料，既快速振料90%后，慢速振料10%。采用微機控制
　　整個振料配料過程，根據(jù)上一次振料的終值與設(shè)定值的之差，進行本次振料值補償。
　　根據(jù)本系統(tǒng)對某物料重復(fù)撐量的特點，能利用過去的稱量誤差數(shù)據(jù)對未來空間物料量的估計進行補償，保持誤差在最小的范圍內(nèi)波動。控制算法如下:
　　振動速度由下式?jīng)Q定:
　　S1.........SJI>(90%×Wg)
　　S=  S2.........SJI>(90%×Wg)
　　 0 .........SJI=Wg+ε
　　SJI為第I次采集的數(shù)據(jù)，S1為慢振速度，S2為快振速度，令:
　　C1=90%×Wg 
　　C2=(1-90%)×Wg
　　則可得各速度對應(yīng)下料量:
　　C1.........ed ＞λ
　　Y={ C2.........ed ＞λ
　　0 .........ed ＞ε
　　當(dāng)稱量誤差超出不靈敏帶且e△有發(fā)散趨勢時，采用累計補償。開始進入累加補償?shù)姆Q量次數(shù)為X，累積補償持續(xù)到稱量誤差區(qū)域收斂為止。當(dāng)稱量誤差向e△內(nèi)收斂時，采用恒值補償，一旦進入不靈敏帶之中，則將補償值清零，不對其進行補償。
　　3.5 拉糊小車控制
　　當(dāng)處于自動控制的混捏鍋混捏過程完成后，操作人員根據(jù)小車上料斗情況，按動確認按鈕，拉糊小車自動運行到相應(yīng)的混捏鍋下面，等待接料。混捏鍋門關(guān)閉以后，小車自動運行到天車起吊位置，等待天車。上述部分全部由PLC自動控制實現(xiàn)。
　　3.6 專家診斷系統(tǒng)
　　在本系統(tǒng)中，專家診斷系統(tǒng)在自動控制過程中通過連鎖提示畫面實現(xiàn)連鎖過程提示、連鎖故障診斷以及操作失誤判斷等。該系統(tǒng)由PLC進行判斷，在連鎖示意的畫面上進行顯示，并在報警屏上予以提示。一旦產(chǎn)生連鎖故障，將有相應(yīng)報警聲響，報警屏有紅色故障提示，操作工可由連鎖示意圖查找故障原因。
　　3.7 變頻技術(shù)應(yīng)用
　　隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)過程對電氣傳動的運行精度要求日益提高，同時也對節(jié)能提出了要求，而變頻調(diào)速技術(shù)正好能夠滿足此種要求。為了實現(xiàn)自動配料的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)7個電振給料機、配料車、拉糊小車均采用了變頻調(diào)速。在本系統(tǒng)中，我們選用日本安川616G5A系列電流型變頻器。該系列變頻器除了能滿足調(diào)速的要求外，還具有過壓、過流、欠壓、過載、接地等完善的保護功能。
　　3.8 工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)
　　在本系統(tǒng)中，采用了四套工業(yè)電視顯示，分別從儲料倉下料過程、配料車配料過程、瀝青下油過程和拉糊小車?yán)�料過程四個方面進行了監(jiān)視。操作工在主控室中可以從各個方位監(jiān)視本系統(tǒng)工藝的全過程，在不去現(xiàn)場的情況下也能完全了解現(xiàn)場生產(chǎn)狀況，避免了控制系統(tǒng)不能控制的一切異常故障的出現(xiàn)。
　　4  結(jié)論
　　該系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場運行證明系統(tǒng)硬件合理，軟件設(shè)計完善，功能齊全，保證了生產(chǎn)過程穩(wěn)定運行，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，降低了能耗，改善了勞動條件。該系統(tǒng)的應(yīng)用，填補了國內(nèi)同行業(yè)計算機自動監(jiān)控的空白，推動了國內(nèi)碳素陽極配料技術(shù)的進一步發(fā)展，具有十分顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

　　參 考 文 獻
　　(1) 《工業(yè)自動化儀表與過程控制》西安交大施仁、劉文江編
　　(2) 《可編程序控制器PLC基礎(chǔ)應(yīng)用教程》 寶鋼工業(yè)技術(shù)學(xué)校  許江、蔣躍宗著
　　(3) 《三菱大容量變頻器FR—F500L》使用手冊