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

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

　　1 概述

　　近年來(lái)隨著(zhù)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。持續二十年的鋁工業(yè)和消費的增長(cháng)刺激了我國鋁用炭素材料需求在二十年間持續增長(cháng)，現已成為世界上生產(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(jìn)水平差距還比較大。我國的鋁用炭素生產(chǎn)企業(yè)雖然數量眾多，但是鋁用炭素工業(yè)的技術(shù)裝備水平低，設備老化，造成企業(yè)高污染、高消耗和高成本，國際競爭力差。國內炭素生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化水平低，只有少數廠(chǎng)家能夠實(shí)現炭素生產(chǎn)的自動(dòng)控制。提高國內炭素生產(chǎn)企業(yè)的自動(dòng)化裝備水平，成為提高國內炭素產(chǎn)品國際競爭力的重要環(huán)節。

　　2 工藝流程介紹

　　鋁用陽(yáng)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(yáng)極制造、焙燒及炭塊貯存和殘極處理等。煅燒作為的煅燒過(guò)程中的首要步驟，直接影響陽(yáng)極的最終各項指標。

圖1(a) 煅燒過(guò)程物料流動(dòng)圖1



圖1(b) 煅燒過(guò)程物料流動(dòng)圖2

　　石油焦是預焙陽(yáng)極生產(chǎn)的原料，但石油焦不能直接用于預焙陽(yáng)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(guān)結構不規整，存在著(zhù)很多缺陷，表現為導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(guò)程中焦炭的破碎，篩分和磨粉困難，甚至無(wú)法進(jìn)行。如果物料在混捏前不能除去水分，還會(huì )影響混捏效果，是糊料塑性變差，導致成型后的生塊產(chǎn)生汽包和裂紋。而揮發(fā)分在成型過(guò)程中無(wú)法排除，在焙燒時(shí)以大量氣體形式排出，并伴隨著(zhù)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(jìn)入成型工序前必須經(jīng)過(guò)鍛燒。所謂緞燒，就是為改善碳質(zhì)原料的理化性能，以滿(mǎn)足生產(chǎn)需要而進(jìn)行的高溫熱處理過(guò)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，提高其導電性和抗氧化性，以滿(mǎn)足預焙陽(yáng)極生產(chǎn)的需要。鍛燒過(guò)程的物料流動(dòng)如圖1所示。

　　3 自動(dòng)化控制系統設計

　　炭素煅燒上料排料控制系統采用單機配置的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。對系統過(guò)程的工藝參數、電氣參數和設備運行狀態(tài)進(jìn)行監測、控制、聯(lián)鎖和報警以及報表打印，通過(guò)使用一系列通訊鏈，完成整個(gè)工藝流程所必需的數據采集，數據通訊，順序控制，時(shí)間控制，回路調節及上位監視和管理作用。

　　整個(gè)系統主干傳輸網(wǎng)采用100Mbps工業(yè)以太網(wǎng)，支持IEEE802.3規約和標準的TCP/IP協(xié)議；也可采用工業(yè)級專(zhuān)用控制局域網(wǎng)，該控制網(wǎng)具備確定性和可重復性及I/O共享，實(shí)現數據的高速傳輸和實(shí)時(shí)控制。

　　整個(gè)系統由1個(gè)中央控制室、1個(gè)現場(chǎng)PLC控制站組成?，F場(chǎng)PLC控制站由HOLLiAS LK系列可編程序控制器（PLC）系統及檢測儀表組成，對炭素煅燒上料排料過(guò)程進(jìn)行分散控制；再由中央控制室上位機實(shí)行集中監控管理。中央控制室上位機與PLC控制站之間的數據通訊采用高速的、實(shí)時(shí)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(xiàn)。

　　現場(chǎng)的PLC控制站為單機控制器，PLC采集現場(chǎng)信號，然后通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與控制監控計算機進(jìn)行數據通信，控制方式采用“全開(kāi)放全分布”方式。

　　控制系統分為三級管理，包括管理級（中心控制室）、控制級（PLC控制站）及現場(chǎng)級。

　　管理級（中心控制室）

　　管理級是系統的核心部分，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(shí)現廠(chǎng)級的辦公自動(dòng)化。管理級提供人機接口，是整個(gè)控制系統與外部信息交換的界面 。

　　考慮到管理層功能結構的層次性和可分割性，采用客戶(hù)/服務(wù)器（Client/Server）的體系結構。服務(wù)器具有遠程控制操作功能、狀態(tài)顯示功能、數據處理功能、報警功能、報表功能、通訊功能和冗余功能等。中央控制室中設備包括：一臺安裝和利時(shí)公司FacView監控組態(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(shí)時(shí)監視現場(chǎng)的運行情況。這種配置的最主要的優(yōu)點(diǎn)是保證數據的完整性和監控

　　操作的連續性。這種配置的最大優(yōu)點(diǎn)是最大程度的降低投資成本。

　　控制級（PLC控制站）

　　控制級是實(shí)現系統功能的關(guān)鍵，也是管理級與現場(chǎng)級之間的樞紐層。因此，控制級采用以和利時(shí)公司高性能、高可靠性的HOLLiAS LK系列PLC為主的控制系統，其主要功能是接受管理層設置的參數或命令，對炭素生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，同時(shí)將現場(chǎng)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(xiàn)接口、串口，控制級PLC系統通過(guò)高速冗余工業(yè)以太網(wǎng)與管理級上位機進(jìn)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(guò)冗余的PROFIBUS-DP進(jìn)行數據通信。

　　LK系列PLC模塊接線(xiàn)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(shí)更換模塊非常方便、快捷。

　　現場(chǎng)控制級接受生產(chǎn)管理級的調度，但并不依賴(lài)于生產(chǎn)管理級而運行：若監控計算機出現故障或者并沒(méi)有投入使用或者通信網(wǎng)絡(luò )出現故障，現場(chǎng)控制站仍繼續正常工作，對整個(gè)工藝過(guò)程沒(méi)有影響。

　　現場(chǎng)級

　　現場(chǎng)級是實(shí)現系統功能的基礎?，F場(chǎng)級主要由檢測儀表（如料位計、傳感器等）、控制設備等組成。其功能主要是對系統設備的狀態(tài)、傳感器參數進(jìn)行監測，并把監測到的數據上傳；接受控制級的指令對執行機構進(jìn)行控制。

　　將現場(chǎng)控制箱上的“就地/遠程”旋鈕切換至“就地”位置，通過(guò)箱上的“啟動(dòng)/停止”按鈕實(shí)現就地手動(dòng)控制。

　　4工藝控制策略

　　炭素生產(chǎn)煅燒環(huán)節加料排料自動(dòng)控制系統共分為三個(gè)控制部分：原料破碎控制系統、上料控制系統和排料控制系統。炭素生產(chǎn)煅燒環(huán)節加料排料自動(dòng)控制系統控制方式設計為現場(chǎng)設備就地手動(dòng)控制、遠程手動(dòng)控制、程序自動(dòng)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(dòng)控制、遠程手動(dòng)控制、程序自動(dòng)控制。

　　4.1 原料破碎控制系統

　　原料破碎控制系統中由東線(xiàn)和西線(xiàn)組成，兩條線(xiàn)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(xiàn)完全相同，是分別控制的，互不影響。每條線(xiàn)的的主要設備有振動(dòng)給料機、兩個(gè)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(gè)原料倉。系統的控制要求遵循如下原則：

　　破碎給料原則

　　1） 流程預啟：進(jìn)行流程選擇，并啟動(dòng)相應流程上的預啟動(dòng)設備，做好啟動(dòng)準備。即將所有設備現場(chǎng)控制箱的現場(chǎng)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(dòng)/手動(dòng)”旋鈕切換至“自動(dòng)”位置；

　　2） 流程啟動(dòng)：接收到流程啟動(dòng)允許信號后，系統主設備按逆原料流方向延時(shí)順序啟動(dòng)。即將上位機操作界面的自動(dòng)啟動(dòng)按鈕按下后系統按照如下順序啟動(dòng)設備：根據石油焦儲存倉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(dòng)→除鐵器啟動(dòng)→輸送皮帶機啟動(dòng)→雙齒破碎機啟動(dòng)→電機振動(dòng)給料機啟動(dòng)→雙齒破碎機料倉振倉器啟動(dòng)。

　　3） 流程停止：停止指令下達后，系統主設備按順原料流方向延時(shí)順序停止。根據石油焦儲存倉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(dòng)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主設備發(fā)生故障時(shí)，立即聯(lián)鎖跳停設備故障點(diǎn)上游（逆原料流方向）的主設備；

　　4.2 上料控制系統

　　上料控制系統負責將原料倉中的原料輸送到煅燒爐，在上料控制系統中分為加料小車(chē)的自動(dòng)控制和皮帶輸送自動(dòng)控制兩部分。在小車(chē)自動(dòng)控制中分為南線(xiàn)和北線(xiàn)兩條完全相同的加料線(xiàn)。南線(xiàn)和北線(xiàn)是單獨控制的，互不影響，小車(chē)按照周期為煅燒爐加料。小車(chē)的位置和料位狀態(tài)影響皮帶輸送的啟動(dòng)和停止。上料控制系統的主要設備有：加料小車(chē)四個(gè)、接料皮帶機兩個(gè)、接料皮帶分料閥兩個(gè)、提升機兩臺、提升機前三通閥一個(gè)、倉底皮帶機一個(gè)和分料器四個(gè)。系統控制要求遵循以下原則：

　　上料原則

　　1） 流程預啟：進(jìn)行流程選擇，并啟動(dòng)相應流程上的預啟動(dòng)設備，做好啟動(dòng)準備。即將所有設備現場(chǎng)控制箱的現場(chǎng)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(dòng)/手動(dòng)”旋鈕切換至“自動(dòng)”位置；

　　2） 流程啟動(dòng)：接收到流程啟動(dòng)允許信號后，系統主設備按逆輸料流向延時(shí)順序啟動(dòng)。即將上位機操作界面的自動(dòng)啟動(dòng)按鈕按下后系統按照如下順序啟動(dòng)設備：根據加料車(chē)定位檢測情況、料車(chē)內料位檢測情況綜合判斷要料狀態(tài)→接料皮帶機啟動(dòng)→接料皮帶分料閥開(kāi)啟→斗式提升機啟動(dòng)→提升機前輸送皮帶機啟動(dòng)→螺旋輸送機啟動(dòng)。

　　3） 流程停止：停止指令下達后，系統主設備按順輸料流方向延時(shí)順序停止。根據加料車(chē)定位檢測情況、料車(chē)內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主設備發(fā)生故障時(shí)，立即聯(lián)鎖跳停設備故障點(diǎn)上游（逆輸料流向）的主設備；

　　4.3 排料控制系統

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

　　排料原則

　　1） 流程預啟：進(jìn)行流程選擇，并啟動(dòng)相應流程上的預啟動(dòng)設備，做好啟動(dòng)準備。即將所有設備現場(chǎng)控制箱的現場(chǎng)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(dòng)/手動(dòng)”旋鈕切換至“自動(dòng)”位置；

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

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

　　4） 流程停止：停止指令下達后，系統主設備按順排料方向延時(shí)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主設備發(fā)生故障時(shí)，立即聯(lián)鎖跳停設備故障點(diǎn)上游（逆排料方向）的主設備；

　　5 系統功能

　　顯示功能

　　具有多窗口的報警畫(huà)面、趨勢圖、指導畫(huà)面、控制畫(huà)面、參數修改畫(huà)面、故障診斷畫(huà)面、動(dòng)態(tài)畫(huà)面等各種監視畫(huà)面。調用任一畫(huà)面的擊鍵次數不大于3次，任何LCD畫(huà)面能在1秒的時(shí)間內完全顯示出來(lái)。任何操作指令均在1秒或更短的時(shí)間內完全被執行，從發(fā)出操作指令到返回信號輸入至LCD上顯示的總 時(shí)間小于2秒。

　　安全功能

　　分別設定操作員和系統員的進(jìn)入口令。在運行環(huán)境下，屏蔽Windows所有熱鍵，從而鎖定系統自由進(jìn)出。系統上電后自動(dòng)恢復運行狀態(tài)。在多重上位機監控平臺時(shí)設定操作站的優(yōu)先級保證控制室內操作站與現場(chǎng)人機接口同時(shí)操作的安全性。

　　歷史數據管理

　　對所有采集數據任意設定存取間隙和存取方式。

　　打印報表

　　按用戶(hù)定義的報表格式進(jìn)行定時(shí)、報警和隨機打印。

　　事件記錄

　　事件和內部時(shí)鐘可按時(shí)間順序區分和管理，并可及時(shí)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，系統在每一小時(shí)的時(shí)間間隔內，提供200個(gè)預選變量的記錄。月報，則在每一天的時(shí)間間隔內，提供200個(gè)預選變量的記錄。在每一個(gè)交接班后，或每一天結束時(shí)，或每一個(gè)月結束時(shí)，應自動(dòng)進(jìn)行記錄打印?；蚋鶕\行人員指令召喚打印。

　　系統記錄運行人員在集控室進(jìn)行的所有操作項目及每次操作的精確時(shí)間。通過(guò)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。監控TAG及調試：

　　采用結構化TAG定義。既可通過(guò)TAG定義隨時(shí)修改每個(gè)測點(diǎn)的有效狀態(tài)、報警管理、歷史數據、死區與PLC通訊參數等，同時(shí)按修改實(shí)時(shí)數據庫的TAG值來(lái)執行調試操作。

　　數據庫接口與數據通訊

　　具備開(kāi)放性的實(shí)時(shí)數據可接受任何任務(wù)的訪(fǎng)問(wèn)并與其交換數據。系統具備復制和分發(fā)功能，將信息分送給其它的通用數據庫應用程序，同時(shí)應支持SQL、ODBC或OLE DB的應用程序。所有數據可用符號代表，如：VAVLE、MOTOR等，需要時(shí)可對變量的每次改變進(jìn)行監視和處理。

　　在一臺操作員站上生成的任何顯示畫(huà)面和趨勢圖等，均應能通過(guò)網(wǎng)絡(luò )加載到另一臺操作員站。程控系統PLC控制程序的組態(tài)和修改應可在水系統PLC網(wǎng)絡(luò )控制系統的工程師站上進(jìn)行，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )下載到程序控制系統的PLC中。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )，操作員站能調出系統內任一PLC站的系統組態(tài)信息和有關(guān)數據，還可以使買(mǎi)方人員將組態(tài)的數據從操作員站下載到PLC站。此外，當重新組態(tài)的數據被確認后，系統能自動(dòng)地刷新其內存。

　　控制操作功能

　　可按組態(tài)通過(guò)鼠標指定畫(huà)面上的對象進(jìn)行開(kāi)關(guān)或增減操作?；芈讽憫獣r(shí)間不大于2秒。

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

　　對于程序控制系統具有自動(dòng)、半自動(dòng)、步操、鍵操、及就地手操五種操作方式。在手動(dòng)方式下操作員啟停電動(dòng)機、開(kāi)關(guān)閥門(mén)及其它設備時(shí)，LCD畫(huà)面應提供操作指導。

　　現場(chǎng)設備故障，影響程控前進(jìn)時(shí)，在滿(mǎn)足相關(guān)約束下，運行人員干預可進(jìn)行跳步操作。

　　設備處于就地操作方式時(shí)，上位機操作無(wú)效。

　　6 系統特點(diǎn)

　　編程特點(diǎn)

　　本系統中具有控制設備多，控制設備類(lèi)型相似，控制條件復雜且相似設備控制條件相差較大的特點(diǎn)。根據系統的特點(diǎn)，采用LK系列PLC進(jìn)行控制時(shí)，根據PowerPro編程語(yǔ)言多樣，配合靈活的特點(diǎn)，采用結構化編程，系統采用9個(gè)功能塊和1個(gè)主程序進(jìn)行控制。

圖3  程序結構圖

對于電機復雜的啟?？刂茥l件可以采用圖3所示的功能塊進(jìn)行編程，使啟停條件一目了然，并且縮短了編程的行數。

圖4  上料控制系統停止條件程序圖

　　操作界面特點(diǎn)

　　本系統中的大量設備功能相似，操作相同，在組態(tài)畫(huà)面的編輯過(guò)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(gè)設備的編輯只需一個(gè)或者兩個(gè)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  精靈調用界面



圖8  精靈和超級精靈的使用界面

　　7 結束語(yǔ)

　　炭素煅燒控制由于現場(chǎng)的電機多，分布分散，現場(chǎng)環(huán)境惡劣。在人工控制時(shí)不僅需要耗費大量的人力物力，并且現場(chǎng)環(huán)境對工人造成較大傷害。采用和利時(shí)LK系列PLC進(jìn)行自動(dòng)控制，在保證安全運行的前提下，節省大量的人力物力，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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