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　　摘  要 石油焦煅燒是炭素生產(chǎn)中的一個重要環(huán)節(jié)，而加料和排料自動控制系統(tǒng)是煅燒工藝能夠順利進行的重要保障，本文介紹基于和利時公司HOLLiAS LK系列PLC的炭素生產(chǎn)煅燒環(huán)節(jié)自動化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)為單機CPU配置，所有模塊均支持帶電插拔。

　　關(guān)鍵詞 炭素；自動控制；加料系統(tǒng)；排料系統(tǒng)；HOLLiAS LK PLC；

　　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)第二太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)和消費的增長刺激了我國鋁用炭素材料需求在二十年間持續(xù)增長，現(xiàn)已成為世界上生產(chǎn)炭素制品產(chǎn)量大國之一。但是我國的炭素生產(chǎn)質(zhì)量與世界先進水平差距還比較大。我國的鋁用炭素生產(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，國際競爭力差。國內(nèi)炭素生產(chǎn)線自動化水平低，只有少數(shù)廠家能夠?qū)崿F(xiàn)炭素生產(chǎn)的自動控制。提高國內(nèi)炭素生產(chǎn)企業(yè)的自動化裝備水平，成為提高國內(nèi)炭素產(chǎn)品國際競爭力的重要環(huán)節(jié)。

　　2 工藝流程介紹

　　鋁用陽極生產(chǎn)原料為石油焦和煤瀝青，生產(chǎn)工序包括：原料貯運破碎、煅燒、瀝青熔化、生陽極制造、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，直接影響陽極的最終各項指標。

圖1(a) 煅燒過程物料流動圖1



圖1(b) 煅燒過程物料流動圖2

　　石油焦是預(yù)焙陽極生產(chǎn)的原料，但石油焦不能直接用于預(yù)焙陽極生產(chǎn)。因為原料石油焦中含有一定量的水分、揮發(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，密度和機械強度低。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，甚至無法進行。如果物料在混捏前不能除去水分，還會影響混捏效果，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械強度，提高其導(dǎo)電性和抗氧化性，以滿足預(yù)焙陽極生產(chǎn)的需要。鍛燒過程的物料流動如圖1所示。

　　3 自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

　　炭素煅燒上料排料控制系統(tǒng)采用單機配置的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。對系統(tǒng)過程的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)測、控制、聯(lián)鎖和報警以及報表打印，通過使用一系列通訊鏈，完成整個工藝流程所必需的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)通訊，順序控制，時間控制，回路調(diào)節(jié)及上位監(jiān)視和管理作用。

　　整個系統(tǒng)主干傳輸網(wǎng)采用100Mbps工業(yè)以太網(wǎng)，支持IEEE802.3規(guī)約和標準的TCP/IP協(xié)議；也可采用工業(yè)級專用控制局域網(wǎng)，該控制網(wǎng)具備確定性和可重復(fù)性及I/O共享，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸和實時控制。

　　整個系統(tǒng)由1個中央控制室、1個現(xiàn)場PLC控制站組成。現(xiàn)場PLC控制站由HOLLiAS LK系列可編程序控制器（PLC）系統(tǒng)及檢測儀表組成，對炭素煅燒上料排料過程進行分散控制；再由中央控制室上位機實行集中監(jiān)控管理。中央控制室上位機與PLC控制站之間的數(shù)據(jù)通訊采用高速的、實時的工業(yè)以太網(wǎng)，通訊速率為100Mbps，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線。

　　現(xiàn)場的PLC控制站為單機控制器，PLC采集現(xiàn)場信號，然后通過工業(yè)以太網(wǎng)與控制監(jiān)控計算機進行數(shù)據(jù)通信，控制方式采用“全開放全分布”方式。

　　控制系統(tǒng)分為三級管理，包括管理級（中心控制室）、控制級（PLC控制站）及現(xiàn)場級。

　　管理級（中心控制室）

　　管理級是系統(tǒng)的核心部分，完成對炭素原料粉碎、煅燒上料和煅后排料三部分的管理和控制 ，并實現(xiàn)廠級的辦公自動化。管理級提供人機接口，是整個控制系統(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)器具有遠程控制操作功能、狀態(tài)顯示功能、數(shù)據(jù)處理功能、報警功能、報表功能、通訊功能和冗余功能等。中央控制室中設(shè)備包括：一臺安裝和利時公司FacView監(jiān)控組態(tài)軟件的冗余服務(wù)器作為上位機。生產(chǎn)管理人員可在辦公室實時監(jiān)視現(xiàn)場的運行情況。這種配置的最主要的優(yōu)點是保證數(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)點是最大程度的降低投資成本。

　　控制級（PLC控制站）

　　控制級是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，也是管理級與現(xiàn)場級之間的樞紐層。因此，控制級采用以和利時公司高性能、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，對炭素生產(chǎn)過程進行控制，同時將現(xiàn)場狀態(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PLC系統(tǒng)通過高速冗余工業(yè)以太網(wǎng)與管理級上位機進行通信。另外，CPU模塊作為PROFIBUS-DP主站，與遠程分布式智能I/O通過冗余的PROFIBUS-DP進行數(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，因此維護人員在維修時更換模塊非常方便、快捷。

　　現(xiàn)場控制級接受生產(chǎn)管理級的調(diào)度，但并不依賴于生產(chǎn)管理級而運行：若監(jiān)控計算機出現(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)場控制站仍繼續(xù)正常工作，對整個工藝過程沒有影響。

　　現(xiàn)場級

　　現(xiàn)場級是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。現(xiàn)場級主要由檢測儀表（如料位計、傳感器等）、控制設(shè)備等組成。其功能主要是對系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)、傳感器參數(shù)進行監(jiān)測，并把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳；接受控制級的指令對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。

　　將現(xiàn)場控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“就地”位置，通過箱上的“啟動/停止”按鈕實現(xiàn)就地手動控制。

　　4工藝控制策略

　　炭素生產(chǎn)煅燒環(huán)節(jié)加料排料自動控制系統(tǒng)共分為三個控制部分：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)加料排料自動控制系統(tǒng)控制方式設(shè)計為現(xiàn)場設(shè)備就地手動控制、遠程手動控制、程序自動控制三種控制模式。三種模式的級別由高到低依次為就地手動控制、遠程手動控制、程序自動控制。

　　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號原料倉和3、4號原料倉。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)備有振動給料機、兩個振倉器、原料破碎機、輸送皮帶機、除鐵器、斗式提升機、三通閥和兩個原料倉。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：進行流程選擇，并啟動相應(yīng)流程上的預(yù)啟動設(shè)備，做好啟動準備。即將所有設(shè)備現(xiàn)場控制箱的現(xiàn)場控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“遠程”位置。并將上位機操作界面的“自動/手動”旋鈕切換至“自動”位置；

　　2） 流程啟動：接收到流程啟動允許信號后，系統(tǒng)主設(shè)備按逆原料流方向延時順序啟動。即將上位機操作界面的自動啟動按鈕按下后系統(tǒng)按照如下順序啟動設(shè)備：根據(jù)石油焦儲存?zhèn)}的料位檢測情況判斷要料狀態(tài)→三通閥選擇下料方向→斗式提升機啟動→除鐵器啟動→輸送皮帶機啟動→雙齒破碎機啟動→電機振動給料機啟動→雙齒破碎機料倉振倉器啟動。

　　3） 流程停止：停止指令下達后，系統(tǒng)主設(shè)備按順原料流方向延時順序停止。根據(jù)石油焦儲存?zhèn)}的料位檢測情況判斷停止上料→雙齒破碎機料倉振倉器停止→電機振動給料機停止→雙齒破碎機停止→輸送皮帶機停止→除鐵器停止→斗式提升機停止；

　　4） 故障聯(lián)鎖停機：當所選流程上的系統(tǒng)主設(shè)備發(fā)生故障時，立即聯(lián)鎖跳停設(shè)備故障點上游（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)負責(zé)將原料倉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控制和皮帶輸送自動控制兩部分。在小車自動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和停止。上料控制系統(tǒng)的主要設(shè)備有：加料小車四個、接料皮帶機兩個、接料皮帶分料閥兩個、提升機兩臺、提升機前三通閥一個、倉底皮帶機一個和分料器四個。系統(tǒng)控制要求遵循以下原則：

　　上料原則

　　1） 流程預(yù)啟：進行流程選擇，并啟動相應(yīng)流程上的預(yù)啟動設(shè)備，做好啟動準備。即將所有設(shè)備現(xiàn)場控制箱的現(xiàn)場控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“遠程”位置。并將上位機操作界面的“自動/手動”旋鈕切換至“自動”位置；

　　2） 流程啟動：接收到流程啟動允許信號后，系統(tǒng)主設(shè)備按逆輸料流向延時順序啟動。即將上位機操作界面的自動啟動按鈕按下后系統(tǒng)按照如下順序啟動設(shè)備：根據(jù)加料車定位檢測情況、料車內(nèi)料位檢測情況綜合判斷要料狀態(tài)→接料皮帶機啟動→接料皮帶分料閥開啟→斗式提升機啟動→提升機前輸送皮帶機啟動→螺旋輸送機啟動。

　　3） 流程停止：停止指令下達后，系統(tǒng)主設(shè)備按順輸料流方向延時順序停止。根據(jù)加料車定位檢測情況、料車內(nèi)料位檢測情況綜合判斷要料狀態(tài)→螺旋輸送機停止→輸送皮帶機停止→斗式提升機停止→接料皮帶分料閥關(guān)閉→接料皮帶機停止。

　　4） 故障聯(lián)鎖停機：當所選流程上的系統(tǒng)主設(shè)備發(fā)生故障時，立即聯(lián)鎖跳停設(shè)備故障點上游（逆輸料流向）的主設(shè)備；

　　4.3 排料控制系統(tǒng)

　　排料控制系統(tǒng)負責(zé)將煅燒爐中的煅燒后的料排出送往成品倉。排料過程中，排料閥會周期性排料，排料的運行時間和停止時間可以在上位操作界面中輸入。排料控制系統(tǒng)的主要設(shè)備有：排料閥八個、粉料輸送機八個、提升機兩臺、提升機后三通閥一個、倉頂皮帶機一個和原料倉兩個。系統(tǒng)控制要求遵循以下原則：

　　排料原則

　　1） 流程預(yù)啟：進行流程選擇，并啟動相應(yīng)流程上的預(yù)啟動設(shè)備，做好啟動準備。即將所有設(shè)備現(xiàn)場控制箱的現(xiàn)場控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“遠程”位置。并將上位機操作界面的“自動/手動”旋鈕切換至“自動”位置；

　　2） 流程啟動：接收到流程啟動允許信號后，系統(tǒng)主設(shè)備按逆排料流方向延時順序啟動。即將上位機操作界面的自動啟動按鈕按下后系統(tǒng)按照如下順序啟動設(shè)備：根據(jù)成品倉料位情況控制三通閥的排料方向→倉頂皮帶機啟動→根據(jù)提升機前粉料閥的狀態(tài)判定提升機的啟動→粉料輸送機啟動→排料閥排料。

　　3） 排料流程：在設(shè)備啟動以后，排料閥按照預(yù)先設(shè)定的周期進行排料，排料時間和停止排料時間可以在上位操作界面進行設(shè)定，排料停止的時間內(nèi)，除排料閥關(guān)閉外，其他設(shè)備均正常運行。

　　4） 流程停止：停止指令下達后，系統(tǒng)主設(shè)備按順排料方向延時順序停止。排料閥停止排料→粉料輸送機停止→提升機停止→倉頂皮帶機停止。

　　5） 故障聯(lián)鎖停機：當所選流程上的系統(tǒng)主設(shè)備發(fā)生故障時，立即聯(lián)鎖跳停設(shè)備故障點上游（逆排料方向）的主設(shè)備；

　　5 系統(tǒng)功能

　　顯示功能

　　具有多窗口的報警畫面、趨勢圖、指導(dǎo)畫面、控制畫面、參數(shù)修改畫面、故障診斷畫面、動態(tài)畫面等各種監(jiān)視畫面。調(diào)用任一畫面的擊鍵次數(shù)不大于3次，任何LCD畫面能在1秒的時間內(nèi)完全顯示出來。任何操作指令均在1秒或更短的時間內(nèi)完全被執(zhí)行，從發(fā)出操作指令到返回信號輸入至LCD上顯示的總 時間小于2秒。

　　安全功能

　　分別設(shè)定操作員和系統(tǒng)員的進入口令。在運行環(huán)境下，屏蔽Windows所有熱鍵，從而鎖定系統(tǒng)自由進出。系統(tǒng)上電后自動恢復(fù)運行狀態(tài)。在多重上位機監(jiān)控平臺時設(shè)定操作站的優(yōu)先級保證控制室內(nèi)操作站與現(xiàn)場人機接口同時操作的安全性。

　　歷史數(shù)據(jù)管理

　　對所有采集數(shù)據(jù)任意設(shè)定存取間隙和存取方式。

　　打印報表

　　按用戶定義的報表格式進行定時、報警和隨機打印。

　　事件記錄

　　事件和內(nèi)部時鐘可按時間順序區(qū)分和管理，并可及時顯示和打印。

　　定期記錄包括交接班記錄、日報、和月報。對交接班記錄和日報，系統(tǒng)在每一小時的時間間隔內(nèi)，提供200個預(yù)選變量的記錄。月報，則在每一天的時間間隔內(nèi)，提供200個預(yù)選變量的記錄。在每一個交接班后，或每一天結(jié)束時，或每一個月結(jié)束時，應(yīng)自動進行記錄打印。或根據(jù)運行人員指令召喚打印。

　　系統(tǒng)記錄運行人員在集控室進行的所有操作項目及每次操作的精確時間。通過對運行人員操作行為的準確記錄，可便于分析運行人員的操作意圖，分析事故原因。監(jiān)控TAG及調(diào)試：

　　采用結(jié)構(gòu)化TAG定義。既可通過TAG定義隨時修改每個測點的有效狀態(tài)、報警管理、歷史數(shù)據(jù)、死區(qū)與PLC通訊參數(shù)等，同時按修改實時數(shù)據(jù)庫的TAG值來執(zhí)行調(diào)試操作。

　　數(shù)據(jù)庫接口與數(shù)據(jù)通訊

　　具備開放性的實時數(shù)據(jù)可接受任何任務(wù)的訪問并與其交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)具備復(fù)制和分發(fā)功能，將信息分送給其它的通用數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序，同時應(yīng)支持SQL、ODBC或OLE DB的應(yīng)用程序。所有數(shù)據(jù)可用符號代表，如：VAVLE、MOTOR等，需要時可對變量的每次改變進行監(jiān)視和處理。

　　在一臺操作員站上生成的任何顯示畫面和趨勢圖等，均應(yīng)能通過網(wǎng)絡(luò)加載到另一臺操作員站。程控系統(tǒng)PLC控制程序的組態(tài)和修改應(yīng)可在水系統(tǒng)PLC網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的工程師站上進行，并通過網(wǎng)絡(luò)下載到程序控制系統(tǒng)的PLC中。通過網(wǎng)絡(luò)，操作員站能調(diào)出系統(tǒng)內(nèi)任一PLC站的系統(tǒng)組態(tài)信息和有關(guān)數(shù)據(jù)，還可以使買方人員將組態(tài)的數(shù)據(jù)從操作員站下載到PLC站。此外，當重新組態(tài)的數(shù)據(jù)被確認后，系統(tǒng)能自動地刷新其內(nèi)存。

　　控制操作功能

　　可按組態(tài)通過鼠標指定畫面上的對象進行開關(guān)或增減操作。回路響應(yīng)時間不大于2秒。

　　控制系統(tǒng)采用程控、遠控、就地控制相結(jié)合的方式，對于電動門、氣動門、泵、風(fēng)機等控制對象除了在控制室進行遠方控制外，保留就地操作手段。

　　對于程序控制系統(tǒng)具有自動、半自動、步操、鍵操、及就地手操五種操作方式。在手動方式下操作員啟停電動機、開關(guān)閥門及其它設(shè)備時，LCD畫面應(yīng)提供操作指導(dǎo)。

　　現(xiàn)場設(shè)備故障，影響程控前進時，在滿足相關(guān)約束下，運行人員干預(yù)可進行跳步操作。

　　設(shè)備處于就地操作方式時，上位機操作無效。

　　6 系統(tǒng)特點

　　編程特點

　　本系統(tǒng)中具有控制設(shè)備多，控制設(shè)備類型相似，控制條件復(fù)雜且相似設(shè)備控制條件相差較大的特點。根據(jù)系統(tǒng)的特點，采用LK系列PLC進行控制時，根據(jù)PowerPro編程語言多樣，配合靈活的特點，采用結(jié)構(gòu)化編程，系統(tǒng)采用9個功能塊和1個主程序進行控制。

圖3  程序結(jié)構(gòu)圖

對于電機復(fù)雜的啟停控制條件可以采用圖3所示的功能塊進行編程，使啟停條件一目了然，并且縮短了編程的行數(shù)。

圖4  上料控制系統(tǒng)停止條件程序圖

　　操作界面特點

　　本系統(tǒng)中的大量設(shè)備功能相似，操作相同，在組態(tài)畫面的編輯過程中，使用FacView組態(tài)軟件中的精靈和超級精靈功能，大大減少編輯界面的工作量。一個設(shè)備的編輯只需一個或者兩個變量的輸入即可：

圖5  超級精靈編輯界面



圖6  精靈編輯界面



圖7  精靈調(diào)用界面



圖8  精靈和超級精靈的使用界面

　　7 結(jié)束語

　　炭素煅燒控制由于現(xiàn)場的電機多，分布分散，現(xiàn)場環(huán)境惡劣。在人工控制時不僅需要耗費大量的人力物力，并且現(xiàn)場環(huán)境對工人造成較大傷害。采用和利時LK系列PLC進行自動控制，在保證安全運行的前提下，節(jié)省大量的人力物力，提高工作效率，并且使得加料和排料量更加精確，提高生產(chǎn)質(zhì)量。

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