電解鋁廠殘極破碎系統(tǒng)及其過程控制

高峰 黃立興

摘 要 本文主要以哈薩克斯坦電解鋁廠殘極破碎系統(tǒng)為背景，著重介紹殘極破碎系統(tǒng)的設(shè)備組成及其過程控制的構(gòu)成和具體實(shí)現(xiàn)步驟方法，此系統(tǒng)及過程控制方法已經(jīng)成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。在電解鋁廠，電解槽更換后的陽(yáng)極炭塊稱之為“殘極”，電解鋁生產(chǎn)過程中預(yù)焙陽(yáng)極炭塊的實(shí)際利用率約為80%左右，剩余部分為20%左右，因?yàn)殡娊怃X廠預(yù)焙陽(yáng)極炭塊消耗量巨大，而且殘極作為良好的炭素制品生產(chǎn)原料，其回收利用具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。如果依靠人工破碎殘極，不僅易造成工人砸傷，工作效率低下而且破碎過程中產(chǎn)生大量粉塵，造成環(huán)境污染。因此，本殘極破碎系統(tǒng)及其過程控制，以安全環(huán)保、工作效率高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，解決上述現(xiàn)有存在的問題。

關(guān)鍵詞 殘極 PLC 順序控制 觸摸屏

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）07-0005-02

1 系統(tǒng)工藝設(shè)備構(gòu)成

本系統(tǒng)電解鋁廠殘極破碎系統(tǒng)工藝設(shè)備主要有殘極料倉(cāng)、殘極料倉(cāng)料位計(jì)、除塵系統(tǒng)、電磁鐵、殘極輸送斗式提升機(jī)（一用一備）、電液動(dòng)三通、圓錘破碎機(jī)、大傾角膠帶輸送機(jī)、顎式破碎機(jī)、膠帶輸送機(jī)等組成。

1.殘極料倉(cāng)：用于存儲(chǔ)經(jīng)過破碎后的殘極。

2.殘極料倉(cāng)料位計(jì)：用于測(cè)量殘極料倉(cāng)的連續(xù)料位，用于系統(tǒng)報(bào)警及聯(lián)鎖。

3.料倉(cāng)袋式除塵器：用于料倉(cāng)收塵的作用。

4.主用或備用殘極輸送斗式提升機(jī)：用于輸送已經(jīng)破碎到規(guī)定力度的殘極到殘極料倉(cāng)。

5.電液動(dòng)三通：用于轉(zhuǎn)向到主用或殘極輸送斗式提升機(jī)的工位通道。

6.圓錘破碎機(jī)：用于已經(jīng)破碎到一定力度的殘極深度破碎到規(guī)定力度。

7.大傾角膠帶輸送機(jī)：用于輸送已經(jīng)破碎到一定力度的殘極到圓錘破碎機(jī)。

8.顎式破碎機(jī)：用于破碎原料殘極到一定力度。

9.膠帶輸送機(jī)：用于輸送原料殘極到顎式破碎機(jī)。

10.輸送及破碎袋式除塵器：用于輸送及破碎收塵的作用。

11.電磁鐵：用于收集原料中的鐵質(zhì)雜物。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成以及功能

控制系統(tǒng)由二層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，即設(shè)備控制層和設(shè)備層。設(shè)備控制層：Siemens300系列PLC系統(tǒng)1套（含SiemensM370觸摸屏）。包括一臺(tái)主控柜和一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O站機(jī)柜，SiemensM370觸摸屏用于監(jiān)控以及參數(shù)設(shè)定等，一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O站機(jī)柜與主控柜通過現(xiàn)場(chǎng)總線RPOFIBUS通訊。設(shè)備層：所有現(xiàn)場(chǎng)儀表、設(shè)備。[1]

2.1 設(shè)備控制層即PLC配置

主控柜包括：主控單元CPU315-2DP1臺(tái)、觸摸屏Siem ensM3701臺(tái)、電源模塊1臺(tái)、數(shù)字量輸入模塊4臺(tái)、數(shù)字量輸出模塊2臺(tái)、模擬量輸入模塊1臺(tái)。主控柜主要接入其區(qū)域內(nèi)的設(shè)備輸入輸出信號(hào)。

遠(yuǎn)程I/O站機(jī)柜包括：電源模塊1臺(tái)、RPOFIBUS通訊模塊1臺(tái)、數(shù)字量輸入模塊2臺(tái)、數(shù)字量輸出模塊1臺(tái)、模擬量輸入模塊1臺(tái)。

主控單元CPU315-2DP一路接口DP與觸摸屏Siemens M370通過RPOFIBUS通訊相連，另一路DP接口與遠(yuǎn)程I/O站機(jī)柜RPOFIBUS通訊模塊相連，西門子S7-300系列PLC通過RPOFIBUS總線連接，對(duì)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行采集和控制，由CPU處理器完成處理后，通過觸摸屏組態(tài)軟件把數(shù)據(jù)顯示在觸摸屏上，并在觸摸屏上可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。觸摸屏組態(tài)軟件WinCCflexible作為開發(fā)及監(jiān)控軟件，作為一款面向機(jī)器的自動(dòng)化概念的HMI軟件，WinCCflexible用于組態(tài)用戶界面以操作和監(jiān)視機(jī)器與設(shè)備，提供了對(duì)面向解決方案概念的組態(tài)任務(wù)的支持。[2]

2.2 設(shè)備控制層實(shí)現(xiàn)的功能

1.數(shù)據(jù)采集并傳送，過程可視化。

2.歸檔過程值和報(bào)警，查詢歷史過程值。

3.操作員對(duì)過程的控制，實(shí)時(shí)顯示工藝流程狀態(tài)。

4.顯示報(bào)警信息，使操作人員分析故障原因并處理。

5.過程和設(shè)備的參數(shù)管理，實(shí)時(shí)設(shè)定順序控制設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間間隔，停止時(shí)間間隔。

2.3 設(shè)備層

由雷達(dá)料位計(jì)（殘極料倉(cāng)）、差壓變送器（袋式除塵器）、聲光報(bào)警器、電鈴（電笛）等組成。

3 控制過程的實(shí)現(xiàn)

殘極破碎控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用順序控制，所謂順序控制就是針對(duì)順序控制系統(tǒng)，按照生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定的順序，在各個(gè)輸入信號(hào)的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間的順序，在生產(chǎn)過程中各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)地有秩序地進(jìn)行操作，那么系統(tǒng)的這種控制稱為順序控制。

3.1 本系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)控制

本系統(tǒng)基本啟動(dòng)方式為倒序啟動(dòng)，即先逐級(jí)啟動(dòng)下游設(shè)備最后到最上級(jí)設(shè)備，啟動(dòng)間隔時(shí)間長(zhǎng)度可調(diào)。以下為自動(dòng)控制啟動(dòng)過程控制描述：

1.需破碎的殘極上料設(shè)備已經(jīng)有運(yùn)行狀態(tài)（與本系統(tǒng)通訊傳遞信號(hào)），即具備上料至輸送到膠帶輸送機(jī)條件、料倉(cāng)袋式除塵器已啟動(dòng)以及殘極料倉(cāng)料位沒達(dá)到滿倉(cāng)時(shí)，本系統(tǒng)具備自動(dòng)啟動(dòng)條件。

2.系統(tǒng)具備自動(dòng)啟動(dòng)條件后，自動(dòng)啟動(dòng)電磁鐵設(shè)備，同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)輸送及破碎袋式除塵器。

3.電磁鐵和輸送及破碎袋式除塵器在運(yùn)行狀態(tài)后，根據(jù)在觸摸屏上設(shè)定啟動(dòng)時(shí)間間隔T11，主用殘極輸送斗式提升機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)（當(dāng)主用殘極輸送斗式提升機(jī)出現(xiàn)故障則備用殘極輸送斗式提升機(jī)自動(dòng)啟動(dòng);在系統(tǒng)全部正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主用或備用殘極輸送斗式提升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)故障，二者進(jìn)行自動(dòng)切換啟停）。

4.根據(jù)主用或備用殘極輸送斗式提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，閥電液動(dòng)三通自動(dòng)轉(zhuǎn)到主用或備用設(shè)備通道工位狀態(tài)。

5.在主用或備用殘極輸送斗式提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)正常及電液動(dòng)三通自動(dòng)轉(zhuǎn)到主用或備用設(shè)備通道工位狀態(tài)后，根據(jù)在觸摸屏上設(shè)定啟動(dòng)時(shí)間間隔T12，圓錘破碎機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。

6.在圓錘破碎機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)正常后，根據(jù)在觸摸屏上設(shè)定啟動(dòng)時(shí)間間隔T13，啟動(dòng)電笛進(jìn)行大傾角膠帶輸送機(jī)啟動(dòng)預(yù)告，大傾角膠帶輸送機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。

7.在大傾角膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)正常后，根據(jù)在觸摸屏上設(shè)定啟動(dòng)時(shí)間間隔T14，顎式破碎機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。

8.在顎式破碎機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)正常后，根據(jù)在觸摸屏上設(shè)定啟動(dòng)時(shí)間間隔T15，啟動(dòng)電鈴進(jìn)行膠帶輸送機(jī)啟動(dòng)預(yù)告，膠帶輸送機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。

9.本系統(tǒng)通過RPOFIBUS通訊傳遞需要上料信號(hào)至破碎的殘極上料設(shè)備，破碎的殘極上料設(shè)備接收到此信號(hào)后開始供料。

3.2 系統(tǒng)自動(dòng)停止控制

如果流程中的某臺(tái)設(shè)備故障，則其上游設(shè)備立即停止;其下游設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間（時(shí)間長(zhǎng)度可調(diào)），以便物流能夠走完下游各流程，這段時(shí)間過后，整個(gè)系統(tǒng)停止。當(dāng)任一臺(tái)設(shè)備故障、殘極料倉(cāng)雷達(dá)料位達(dá)到滿倉(cāng)的90%、除塵器差壓大于1500Pa系統(tǒng)都發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)（具體見圖1）。

以下為自動(dòng)控制停止過程控制描述：

1.當(dāng)殘極料倉(cāng)雷達(dá)料位達(dá)到倉(cāng)位上限即認(rèn)為滿倉(cāng)時(shí)，本系統(tǒng)RPOFIBUS通訊傳遞需要停料信號(hào)至破碎的殘極上料設(shè)備，破碎的殘極上料設(shè)備接收到此信號(hào)后停止供料。

2.根據(jù)在觸摸屏上設(shè)定停止時(shí)間間隔T21，膠帶輸送機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行。

3.當(dāng)膠帶輸送機(jī)停止正常即無(wú)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)后，根據(jù)在觸摸屏上設(shè)定停止時(shí)間間隔T22，顎式破碎機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行。

4.當(dāng)顎式破碎機(jī)停止正常即無(wú)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)后，根據(jù)在觸摸屏上設(shè)定停止時(shí)間間隔T23，大傾角膠帶輸送機(jī)自動(dòng)停止。當(dāng)顎式破碎機(jī)故障停機(jī)，膠帶輸送機(jī)立即自動(dòng)停止運(yùn)行。

5.當(dāng)大傾角膠帶輸送機(jī)停止正常即無(wú)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)后，根據(jù)在觸摸屏上設(shè)定停止時(shí)間間隔T24，圓錘破碎機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行。當(dāng)圓錘破碎機(jī)故障停機(jī)，顎式破碎機(jī)和膠帶輸送機(jī)立即自動(dòng)停止運(yùn)行。

6.當(dāng)圓錘破碎機(jī)停止正常即無(wú)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)后，根據(jù)在觸摸屏上設(shè)定停止時(shí)間間隔T25，主用或備用殘極輸送斗式提升機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行。當(dāng)主用或備用殘極輸送斗式提升機(jī)都是故障停機(jī)，圓錘破碎機(jī)、顎式破碎機(jī)和膠帶輸送機(jī)立即自動(dòng)停止運(yùn)行。

7.當(dāng)主用或備用殘極輸送斗式提升機(jī)停止正常即無(wú)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)后，根據(jù)在觸摸屏上設(shè)定停止時(shí)間間隔T26，電磁鐵和輸送及破碎袋式除塵器自動(dòng)停止運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)已經(jīng)在哈薩克斯坦電解鋁廠陽(yáng)極組裝車間投入運(yùn)行多年，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)備操作的自動(dòng)控制、安全聯(lián)鎖保護(hù)、數(shù)據(jù)顯示等功能。從實(shí)際運(yùn)行的效果來(lái)看，該系統(tǒng)安全可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，環(huán)保顯著，極大提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫洪程，翁唯勤.過程控制工程設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[2] 張桂香，張志軍.PLC的選型與系統(tǒng)配置[J].微型計(jì)算機(jī)信息，2005（21）：81-82.