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)的設備組成及其過程控制的構成和具體實現(xiàn)步驟方法，此系統(tǒng)及過程控制方法已經成功應用于現(xiàn)場生產。在電解鋁廠，電解槽更換后的陽極炭塊稱之為“殘極”，電解鋁生產過程中預焙陽極炭塊的實際利用率約為80%左右，剩余部分為20%左右，因為電解鋁廠預焙陽極炭塊消耗量巨大，而且殘極作為良好的炭素制品生產原料，其回收利用具有很高的經濟效益。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、自動化程度高等特點，解決上述現(xiàn)有存在的問題。

關鍵詞 殘極 PLC 順序控制 觸摸屏

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）07-0005-02

1 系統(tǒng)工藝設備構成

本系統(tǒng)電解鋁廠殘極破碎系統(tǒng)工藝設備主要有殘極料倉、殘極料倉料位計、除塵系統(tǒng)、電磁鐵、殘極輸送斗式提升機（一用一備）、電液動三通、圓錘破碎機、大傾角膠帶輸送機、顎式破碎機、膠帶輸送機等組成。

1.殘極料倉：用于存儲經過破碎后的殘極。

2.殘極料倉料位計：用于測量殘極料倉的連續(xù)料位，用于系統(tǒng)報警及聯(lián)鎖。

3.料倉袋式除塵器：用于料倉收塵的作用。

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

5.電液動三通：用于轉向到主用或殘極輸送斗式提升機的工位通道。

6.圓錘破碎機：用于已經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：用于輸送已經破碎到一定力度的殘極到圓錘破碎機。

8.顎式破碎機：用于破碎原料殘極到一定力度。

9.膠帶輸送機：用于輸送原料殘極到顎式破碎機。

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雜物。

2 控制系統(tǒng)構成以及功能

控制系統(tǒng)由二層網絡構成，即設備控制層和設備層。設備控制層：Siemens300系列PLC系統(tǒng)1套（含SiemensM370觸摸屏）。包括一臺主控柜和一臺現(xiàn)場遠程I/O站機柜，SiemensM370觸摸屏用于監(jiān)控以及參數(shù)設定等，一臺現(xiàn)場遠程I/O站機柜與主控柜通過現(xiàn)場總線RPOFIBUS通訊。設備層：所有現(xiàn)場儀表、設備。[1]

2.1 設備控制層即PLC配置

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

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

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接口與遠程I/O站機柜RPOFIBUS通訊模塊相連，西門子S7-300系列PLC通過RPOFIBUS總線連接，對設備和現(xiàn)場儀表進行采集和控制，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現(xiàn)場設備進行遠程控制。觸摸屏組態(tài)軟件WinCCflexible作為開發(fā)及監(jiān)控軟件，作為一款面向機器的自動化概念的HMI軟件，WinCCflexible用于組態(tài)用戶界面以操作和監(jiān)視機器與設備，提供了對面向解決方案概念的組態(tài)任務的支持。[2]

2.2 設備控制層實現(xiàn)的功能

1.數(shù)據(jù)采集并傳送，過程可視化。

2.歸檔過程值和報警，查詢歷史過程值。

3.操作員對過程的控制，實時顯示工藝流程狀態(tài)。

4.顯示報警信息，使操作人員分析故障原因并處理。

5.過程和設備的參數(shù)管理，實時設定順序控制設備的啟動時間間隔，停止時間間隔。

2.3 設備層

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

3 控制過程的實現(xiàn)

殘極破碎控制系統(tǒng)設計采用順序控制，所謂順序控制就是針對順序控制系統(tǒng)，按照生產工藝預先規(guī)定的順序，在各個輸入信號的作用下，根據(jù)內部狀態(tài)和時間的順序，在生產過程中各個執(zhí)行機構自動地有秩序地進行操作，那么系統(tǒng)的這種控制稱為順序控制。

3.1 本系統(tǒng)自動啟動控制

本系統(tǒng)基本啟動方式為倒序啟動，即先逐級啟動下游設備最后到最上級設備，啟動間隔時間長度可調。以下為自動控制啟動過程控制描述：

1.需破碎的殘極上料設備已經有運行狀態(tài)（與本系統(tǒng)通訊傳遞信號），即具備上料至輸送到膠帶輸送機條件、料倉袋式除塵器已啟動以及殘極料倉料位沒達到滿倉時，本系統(tǒng)具備自動啟動條件。

2.系統(tǒng)具備自動啟動條件后，自動啟動電磁鐵設備，同時自動啟動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行狀態(tài)后，根據(jù)在觸摸屏上設定啟動時間間隔T11，主用殘極輸送斗式提升機自動啟動（當主用殘極輸送斗式提升機出現(xiàn)故障則備用殘極輸送斗式提升機自動啟動;在系統(tǒng)全部正常運轉時，主用或備用殘極輸送斗式提升機運轉時出現(xiàn)故障，二者進行自動切換啟停）。

4.根據(jù)主用或備用殘極輸送斗式提升機運行狀態(tài)信號，閥電液動三通自動轉到主用或備用設備通道工位狀態(tài)。

5.在主用或備用殘極輸送斗式提升機運行狀態(tài)信號正常及電液動三通自動轉到主用或備用設備通道工位狀態(tài)后，根據(jù)在觸摸屏上設定啟動時間間隔T12，圓錘破碎機自動啟動。

6.在圓錘破碎機運行狀態(tài)信號正常后，根據(jù)在觸摸屏上設定啟動時間間隔T13，啟動電笛進行大傾角膠帶輸送機啟動預告，大傾角膠帶輸送機自動啟動。

7.在大傾角膠帶輸送機運行狀態(tài)信號正常后，根據(jù)在觸摸屏上設定啟動時間間隔T14，顎式破碎機自動啟動。

8.在顎式破碎機運行狀態(tài)信號正常后，根據(jù)在觸摸屏上設定啟動時間間隔T15，啟動電鈴進行膠帶輸送機啟動預告，膠帶輸送機自動啟動。

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

3.2 系統(tǒng)自動停止控制

如果流程中的某臺設備故障，則其上游設備立即停止;其下游設備繼續(xù)運行一段時間（時間長度可調），以便物流能夠走完下游各流程，這段時間過后，整個系統(tǒng)停止。當任一臺設備故障、殘極料倉雷達料位達到滿倉的90%、除塵器差壓大于1500Pa系統(tǒng)都發(fā)出聲光報警信號（具體見圖1）。

以下為自動控制停止過程控制描述：

1.當殘極料倉雷達料位達到倉位上限即認為滿倉時，本系統(tǒng)RPOFIBUS通訊傳遞需要停料信號至破碎的殘極上料設備，破碎的殘極上料設備接收到此信號后停止供料。

2.根據(jù)在觸摸屏上設定停止時間間隔T21，膠帶輸送機自動停止運行。

3.當膠帶輸送機停止正常即無運行狀態(tài)信號后，根據(jù)在觸摸屏上設定停止時間間隔T22，顎式破碎機自動停止運行。

4.當顎式破碎機停止正常即無運行狀態(tài)信號后，根據(jù)在觸摸屏上設定停止時間間隔T23，大傾角膠帶輸送機自動停止。當顎式破碎機故障停機，膠帶輸送機立即自動停止運行。

5.當大傾角膠帶輸送機停止正常即無運行狀態(tài)信號后，根據(jù)在觸摸屏上設定停止時間間隔T24，圓錘破碎機自動停止運行。當圓錘破碎機故障停機，顎式破碎機和膠帶輸送機立即自動停止運行。

6.當圓錘破碎機停止正常即無運行狀態(tài)信號后，根據(jù)在觸摸屏上設定停止時間間隔T25，主用或備用殘極輸送斗式提升機自動停止運行。當主用或備用殘極輸送斗式提升機都是故障停機，圓錘破碎機、顎式破碎機和膠帶輸送機立即自動停止運行。

7.當主用或備用殘極輸送斗式提升機停止正常即無運行狀態(tài)信號后，根據(jù)在觸摸屏上設定停止時間間隔T26，電磁鐵和輸送及破碎袋式除塵器自動停止運行。

4 結語

本系統(tǒng)已經在哈薩克斯坦電解鋁廠陽極組裝車間投入運行多年，實現(xiàn)了生產設備操作的自動控制、安全聯(lián)鎖保護、數(shù)據(jù)顯示等功能。從實際運行的效果來看，該系統(tǒng)安全可靠，運行穩(wěn)定，環(huán)保顯著，極大提高了生產效率。

參考文獻：

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

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