電煅炭素生制品智能生產線建設

張紅亮，任 偉

（山西亮宇炭素有限公司鋁用炭素工程技術中心，山西 晉中 030600）

1 傳統炭素生制品產線工藝缺陷

炭素生制品生產一直沿用皮帶機、斗提機、螺旋機等傳統的流程設備串聯工藝設備來組織生產，普遍存在著工藝流程長，粉塵泄漏點多，滯留料嚴重等影響生產環境和生制品質量等問題。具體體現在：

（1）工藝流程長，流程設備多，不同品種的產品生產均配備有獨立的流程，物料的輸送完全依賴產線的硬件設備，更換品種就意味著切換流程，靈活性差，不利于生產的組織，同時維護工作量大，運維成本高；

（2）流程設備多，輸送線長，粉塵泄漏點多，混料嚴重，不利于生制品品種的切換，對生制品的質量影響較大，環境污染嚴重；

（3）傳統的工藝與設備配置方式，安全隱患多，產線故障率高，生產效率低，一臺設備損壞將影響整條線的生產，生產管理困難；

（4）傳統的產線和控制方法，不利于工廠的精益化管理，產品質量可控性差，生制品質量波動大，均質性差。

因此，要實現生制品質量穩定可控，滿足下游企業使用要求，生產性能良好的炭素制品，就必須摒棄傳統產線的配置思路和工藝實現方法，實施流程再造，用數字化、智能化技術改造流程，用精益化生產替代粗放的工廠管理。讓工廠在一個嶄新的產線平臺上從事生產活動，實現產品品質的提升和管理水平的提升。

2 炭素生制品智能生產線建設思路

根據國內炭素企業目前的產業狀況和市場需求，新建炭素生制品智能生產線要具備多品種切換生產（柔性生產模式）、粉塵泄漏少、安全環保、配方料均質性好、質量穩定可控、品質高，以及實現流程數字化、控制智能化的新型炭素生制品制造平臺。

炭素生制品智能生產線的建設主要有三個方面的內容：

第一是智能流程設備和測控執行設備的適應性應用等產線硬件設備設施的設計制造，這是智能生產線的物理基礎，也是生制品生產過程精確化執行的基本保證。

第二是工業物聯局域網，以實現測控設備、智能流程設備和智能管控平臺之間的互聯互通。主要包括：工業以太網和AGV無線AP等網絡及設備設施，它智能生產線的信息橋梁。

第三是構建一個具有良好的人機對話環境的智能管控平臺（地面指揮控制系統）。主要包括：AGV指揮調度、智能控制和算法以及顯示操作等軟硬件。它是整個智能生產線生產指揮控制中心，是實現適度智能生產方式的核心。

智能管控平臺對破碎、篩分、制粉、配料、物料搬運、混捏、成型等生產過程中各要素、各環節實施精益化管控，可分析、判斷、決策控制任務，在智能設備設施的配合下更好的發揮人的潛能，讓管控平臺和機器智能與人的智慧融合，實現人機一體化。

生制品智能生產線是柔性化、網絡化的數字生產流程，是生制品產線精益化生產的有效使能手段。能夠克服傳統生產方式普遍存在的粉塵泄漏、混料、滯留料、粉體純度波動大，收塵粉過量等一系列的工藝難點，是實現量化操作、精準控制、確保設備安全運行的重要載體。

3 生制品智能生產線采用的主要流程設備

3.1 能夠在惡劣的導電粉塵環境下正常運行的各類工業AGV

通常情況下，炭素中碎、配料和混捏生產流程呈多層縱向交錯分布，樓層高、產線長，空氣中導電碳粉含量高，易燃易爆，屬于危險的工作場所，AGV（AGV是英文Automated Guided Vehicle的縮寫，即"自動導引運輸車"）在此環境下工作、首先就要解決好防爆和防塵等問題。

另外，使用AGV替代傳統流程設備，按規劃線路自動行駛，搬運各類原料，可以簡化工藝流程，減少設備的配備數量，讓動態輸送物料的過程，變為AGV搬運，并且在搬運過程中物料是處于靜止狀態，這對物料進行各類參數的檢測和控制提供了便利，也是構建數字化流程的基礎。

在炭素生制品特定的環境下，對AGV的具體功能要求是：能夠在惡劣環境正常穩定工作、接受生產任務指令，并按指令進行線路規劃和任務實施，可自動尋址、自動對準、避障、防撞和防墜，安全行駛。

AGV自帶負壓貨倉，在線自動充電，離線故障修理，可根據其載貨量的要求實施定量搬運，依據所載物料質量指標實測數據對生產過程進行控制，能夠按照質量和數量的要求完成原料、配方料和糊料的無泄漏保真搬運。

生制品智能生產線中采用的AGV主要有：

（1）原料搬運AGV。原料AGV（圖1）負責從原料庫或者是原料倉搬運各類生產原料至破碎系統、制粉系統、篩分系統進行碾磨分級。

圖1 原料及配方料搬運工業AGV

（2）配方料搬運AGV。配方料AGV行駛在配料系統和混捏鍋之間，完成配方料搬運，同時， 作為智能設備也可以替代配料系統完成配料任務。

（3）糊料搬運AGV（圖2）。完成混捏鍋至成型機的糊料糊料搬運。

圖2 糊料搬運工業AGV

（4）生坯質檢搬運AGV（圖3）。對成型后的生制品進行幾何尺寸測量和體積密度檢測以及溫度分布測量，并對合格及不合格品實施分類搬運存放。

圖3 生電極質檢搬運工業AGV

3.2 AGV指令設計

AGV指令系統(圖4)的設計要按照各類AGV的任務類別來進行，中碎原料和流程物料的搬運可按照各振動篩和配料倉的具體位置設置站點，同樣的搬運任務，可設置多個接料點和多個卸料點，途徑站點用來反饋AGV行駛方向和行駛位置以及判定是否加減速等，依照此方法可對配方料搬運和糊料搬運AGV進行任務設置和指令設計。

圖4 工業 AGV指令框

AGV載有無線通訊裝置，通過無線AP和地面指揮控制系統通訊，接受和發送指令，自動對準完成接料和排料任務。

3.3 AGV行駛線路規劃

AGV行駛線路的規劃設計(圖5)，包括待機自動充電站、行駛站點、高速站點、低速站點、暫停站和升降平臺站等，AGV接受不同的任務指令行駛和停靠不同的站點，執行的任務也不相同。

圖5 原料搬運工業AGV線路規劃

3.4 能夠配合AGV行駛完成垂直搬運的升降機

AGV升降機(圖6)能夠按照AGV的行駛要求升降，完成AGV的垂直移動，實現跨樓層的物料搬運和倒運。

圖6 工業AGV升降機

作為AGV的升降平臺，安全可靠是AGV運行的保障，所以升降機必須具備：平臺防傾斜和墜落、能在升降過程中自動鎖定AGV，軌道自動對準，確保AGV安全運行。

3.5 能夠配合AGV行駛完成水平轉向搬運的轉向機

轉向機(圖7)作為AGV的轉向平臺，能夠確保AGC在平面四個方向自由行使，并要求軌道自動對準以確保AGV安全運行。

圖7 激發極化成果圖1:10000

圖7 工業AGV轉向機

4 AGV無線通訊系統

AGV在破碎、配料、混捏生產區域內自動行駛需要和地面指揮控制系統及時交換信息，

保持有效的網絡連接，以應對AGV在搬運過程中出現的各類問題。地面指揮控制系統需要及時了解AGV的任務執行情況，并針對不同的狀況及時指揮協調AGV及上下游目標設備。AGV和地面指揮控制系統的通訊，主要由地面無線AP和車載無線串口服務器組網完成(圖8)。

圖8 工業AGV無線通訊系統示意圖

無線AP設置在AGV行駛線路的沿途，對AGV實施信號全覆蓋。無線串口服務器安裝在AGV控制柜內，以此建立起的無線連接具備漫游功能，AGV能快速切換信號連接，確保地面指揮控制系統與現場運動中的AGV保持信號暢通。

5 生制品智能生產線數字化流程及控制策略

炭素生制品生產的數字化流程包括了各工藝環節全過程的信息匯集，主要有AGV的各類信息、料倉料量、糊料和焦油溫度、導熱油溫度、配方指標、化驗分析數據等等。這些信息能夠準確地反應生產的全過程，將生產過程量化，通過信息整合、分析、集成，提供給地面指揮控制系統顯示、判斷，為精益化生產和精確控制提供了保障，為智能控制奠定了基礎。

按照生制品生產工藝，可將流程分為四部分:

第一部分是原料破碎工序的數字化流程，在此流程中原料的搬運、破碎的搬運和篩分制粉的搬運均由一臺原料AGV完成，AGV在接排料時自動開啟貨箱負壓裝置阻止粉塵外泄，在排料完成后粉塵和物料一起排入目標料倉中，不再另外排放，整個搬運過程定量控制，精確執行，各料倉均安裝有傳感器計量料量，量化生產，AGV按任務指令要求定量接料搬運，在電不足或出現故障時，AGV自動向地面指揮控制系統發出離線檢修申請，獲批后離線，備用AGV上線工作。

在該工序可根據配方要求，利用AGV的計量控制功能，提前進行部分粒級的物料預配，縮短流程，降低混料概率，減少配料倉的使用量，減少粉塵泄漏。流程示意圖見圖9。

圖9 原料破碎智能工序示意圖

第二部分是篩分制粉配料工序數字化流程，該流程的各類原料搬運由原料AGV完成，配料完成后的配方料由配料AGV完成，各料倉均設計為計量料倉，制粉機的粉體純度實施定值控制，磨機負荷自動調節，喂料定量控制，制成粉入倉后自動攪拌均勻，取樣分析后將粉體純度和粒度數據錄入地面指揮控制中心操作站，再根據實測數據調整配料的工作配方，實施精準配料控制，確保糊料塑性穩定，實現糊料均質生產。

配料AGV往返于混捏鍋和配料秤之間，進行配方料的保真搬運，在配料秤接料時，AGV啟動負壓裝置，自動尋址對準無塵接料，行駛到混捏鍋對準排料時，自動開啟混捏鍋上層鍋的鍋頂除塵器，待AGV排料完成后，收塵粉自動返回混捏鍋，確保配方穩定。流程示意圖見圖10。

圖10 篩分制粉配料智能工序示意圖

第三部分是混捏成型工序數字化流程，該流程使用糊料AGV進行糊料搬運，AGV貨箱設計有溫度傳感器測量糊料溫度，地面指揮控制系統依據此溫度進行下一批次的糊料加熱控制，同時對貨箱糊料重量計量定量搬運至擠壓成型機。粘結劑的投放采用高壓噴淋方式進行，提高浸漬效果，穩定糊料塑性。

擠壓成型后的電極或生炭塊由質檢搬運AGV進行幾何尺寸測量、積密度檢測和溫度分布檢測，對合格品和不合格品實施分類搬運冷卻存儲。流程示意見圖11。

圖11 混捏成型智能工序示意圖

第四部分是粘結劑調配工序流程，示意圖見圖12。

圖12 粘結劑調配工序示意圖

6 智能生產線地面指揮控制系統

地面指揮控制系統（圖13）是炭素生制品生產的核心，對整個工藝過程實施統一管理和協調，通過它實現生制品生產制造過程的適度智能化、物料柔性化配送、AGV狀態跟蹤、生產優化控制、固定設備狀態監控、制品質量追溯和管理等等。可對生產、設備、質量的異常做出正確判斷和處置，管控一體化，確保生制品生產穩定，質量可控。

圖13 智能生產線地面指揮系統結構示意圖

7 結束語

采用工業AGV作為炭素生制品產線的流程設備，簡化了工藝，縮短了流程，減少了設備配置，對于按訂單生產的炭素生制品產線來說，柔性化的生產方式讓生產組織變得更加便利，數字化流程讓生產過程更加透明，量化了操作，執行更加精準，適度智能化的控制能夠讓制品質量指標穩定，均質化生產，智能生產線粉塵泄漏少，安全環保，清潔高效。