1 前言
炭素陽極是鋁電解工藝中至關重要的原料。在炭素陽極的生產過程中，各種物料重量的配比準確與否，直接決定了產品質量的好壞。國內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確，經常出現在混捏過程中發現配料有誤差，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象發生。同時，由于炭素粉末很細，造成現場環境惡劣，對配料工人的身體健康構成很大威脅，因此我們設計了配料過程的自動控制系統，采用先進的PLC控制技術和配料智能補償算法，運用變頻調速方式控制電機，實現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品質量。
2 系統簡介
炭素陽極產品的生產需要經過原料的配料與預碎、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。本系統是其中配料、混捏的過程。
固體炭素材料經破碎、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。配料就是把各種不同力度、不同性質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，可以使制品的結構趨于完善，性能趨于穩定。混捏的過程在混捏鍋中完成，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，它是間斷性生產的設備，即加料 -混捏 -卸料周期地循環操作。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。混捏的工藝操作主要是控制糊料的溫度和混捏時間。
我公司炭素廠原由1、2 #
配料系統均采用電動小車實現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，在惡劣的環境下控制配料車的行進、停止，并根據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系統配料的設計采用了自動控制。如圖1所示:
新增3系統配料由自動控制實現生產全流程。原料存放在7個儲料倉內，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，負責將三個配料倉內配置好的原料自動運送到空鍋等待的混捏鍋內。原料在混捏鍋中混捏，由PLC控制時間并自動下油。混捏結束后，拉糊車自動將糊料運送到天車起吊位置，等待天車。
3 系統詳述
3.1 系統結構及組成
炭素陽極配料自動控制系統選擇了日本三菱MITSUBISHI的A2AS系列PLC作為系統的下位機，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系統能夠的接口，炭素陽極配料自動控制系統的總貌圖如圖2所示:
3.2 PLC自動控制系統
控制系統主要實現的功能包括:配料和運輸部分、瀝青下油部分、混捏部分自動控制。每個設備的運行狀態分為三種:就地、手動操作、自動控制。
就地控制:由操作工在現場扳動切換開關轉入就地操作，PLC不輸出到該設備。
手動控制:在上位機上對設備進行直接輸出。
自動控制:PLC根據連鎖條件自動輸出到設備。
3.3 自動配方
自動配方算法由VB語言設計，通過DDE數據傳送到FIX軟件。生產操作人員在計算機上輸入生產產品類型、各種配料的技術參數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。操作人員也可以在計算機上手工輸入和/或調整各種物料的配比。配方與總重量的修改，僅當本次配料過程結束后方可有效，配料過程中進行的修改不能影響本次配方配比。
配方的原始依據來自篩分的純度結果。將純度值按照要求填入下表，其理論配方方案分別為:
根據理論配方和處理分析結果進行第一次估算(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
配方及計算參數表
根據理論配方和處理分析結果進行第一次估算(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
1—0粒子料重: G3=1—G1—G2—G4—G5
根據估算結果，帶入負算公式進行自動復算，得出最終重量配比值，作為控制依據。最后進行驗算，驗算結果由下式確定:
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
驗算結果合格，則配方計算結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給定值與實際值的差值自動動態調整，最大限度保證配料的精確性。振動給料稱量系統采用二步振料，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，根據上一次振料的終值與設定值的之差，進行本次振料值補償。
根據本系統對某物料重復撐量的特點，能利用過去的稱量誤差數據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波動。控制算法如下:
振動速度由下式決定:
S1.........SJI>(90%×Wg)
S= S2.........SJI>(90%×Wg)
0 .........SJI=Wg+ε
SJI為第I次采集的數據，S1為慢振速度，S2為快振速度，令:
C1=90%×Wg
C2=(1-90%)×Wg
則可得各速度對應下料量:
C1.........ed ＞λ
Y={ C2.........ed ＞λ
0 .........ed ＞ε
當稱量誤差超出不靈敏帶且e△有發散趨勢時，采用累計補償。開始進入累加補償的稱量次數為X，累積補償持續到稱量誤差區域收斂為止。當稱量誤差向e△內收斂時，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
當處于自動控制的混捏鍋混捏過程完成后，操作人員根據小車上料斗情況，按動確認按鈕，拉糊小車自動運行到相應的混捏鍋下面，等待接料。混捏鍋門關閉以后，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。
3.6 專家診斷系統
在本系統中，專家診斷系統在自動控制過程中通過連鎖提示畫面實現連鎖過程提示、連鎖故障診斷以及操作失誤判斷等。該系統由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。一旦產生連鎖故障，將有相應報警聲響，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 變頻技術應用
隨著現代工業技術的發展，生產過程對電氣傳動的運行精度要求日益提高，同時也對節能提出了要求，而變頻調速技術正好能夠滿足此種要求。為了實現自動配料的準確性，本系統7個電振給料機、配料車、拉糊小車均采用了變頻調速。在本系統中，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 工業電視監視系統
在本系統中，采用了四套工業電視顯示，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拉料過程四個方面進行了監視。操作工在主控室中可以從各個方位監視本系統工藝的全過程，在不去現場的情況下也能完全了解現場生產狀況，避免了控制系統不能控制的一切異常故障的出現。
4 結論
該系統經過現場運行證明系統硬件合理，軟件設計完善，功能齊全，保證了生產過程穩定運行，提高了產品的質量和產量，降低了能耗，改善了勞動條件。該系統的應用，填補了國內同行業計算機自動監控的空白，推動了國內碳素陽極配料技術的進一步發展，具有十分顯著的經濟效益和社會效益。
參 考 文 獻
(1) 《工業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基礎應用教程》 寶鋼工業技術學校 許江、蔣躍宗著
(3) 《三菱大容量變頻器FR—F500L》使用手冊
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