铝电解智能控制系统.docx

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铝电解智能控制系统

摘　　要

PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。

国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

本论文中论述的一个以可编程序控制器（PLC）为自动控制设备的核心，设计出一个电解铝生产过程中氧化铝粉输送的自动控制系统。

电解铝厂生产过程的控制系统，主要由氧化铝输送及电解槽的控制两大部分组成。

而氧化铝的输送自动控制系统一般包括由卸料库到料仓的输送，再从料仓到压力罐的输送，最后由压力罐到电解槽的输送这三大部分。

氧化铝物料输送是一个极为重要的环节，尤其目前趋向于大型预焙槽发展，随着生产规模的不断扩大，氧化铝的物料输送技术及环节控制将直接影响铝电解生产的稳定和氧化铝单耗。

目前氧化铝物料输送技术主要有稀相输送、浓相输送和超浓相输送三大技术类型。

20世纪60年代发展起来的浓相输送技术，能够较好地满足这方面的要求，浓相输送技术是由压力罐系统、浓相管和PLC自动控制设备等组成。

它的工作原理是：

物料进入压力罐中后经压缩空气加压呈沸腾状态，并维持这一状态，确保物料进入特制的浓相管中就被压缩空气分割成一段一段的料栓向前流动，实现物料的输送。

关键词：

可编程序逻辑控制器；浓相输送；压力罐系统

Abstract

EnglishfullnameofthePLCProgrammableLogicController,ProgrammableLogicControllerfullnameinChineseisthetraditionalbasisoftheorderofthecontrollerintothemicroelectronics,computertechnology,automaticcontroltechnologyandcommunicationtechnologyandtheformationofanewgenerationofindustrialcontroldevices,aimistoreplacetherelay,theimplementationoflogicinmind,thecountingsequencecontrolfunctions,flexibleprogram-controlledsystem.InternationalElectrotechnicalCommission（IEC）issuedtheprovisionsofthePLC:

ProgrammableLogicControllerisadigitalcomputingoperationofelectronicsystemsfortheindustrialenvironmentapplications.Itusesprogrammablememory,usedinitsinternalstorageimplementationofthelogical,sequentialcontrol,timing,countingandarithmeticinstructionssuchasoperationand,throughdigital,analoginputandoutput,thecontrolofvarioustypesmachineryorproductionprocesses.

Discussedinthispaperaprogrammablelogiccontroller（PLC）automaticcontrolequipmentforthecoreofthedesignprocessofanaluminumproductionofaluminapowderdeliveryofautomaticcontrolsystems.Aluminumfactoryproductionprocesscontrolsystem,mainlybythealuminacarrierandthecontroloftwomajorcomponentselectrolyzer.Theautomaticcontrolsystemforthedeliveryofaluminagenerallyincludedeliveryofsilodischargedatabasetofurtherpressurefromthehoppertotransportcans,andfinallyfromthepressuretanktothedeliveryofthesethreemostoftheelectrolyticcell.densephaseconveyinganddensephaseconveyingthreesupertypeoftechnology.60yearsofthe20thcenturydevelopedthedensephaseconveyingtechnology,tobettermeettheserequirements,densephaseconveyingtechnologyisbythepressurepotsystem,densephasecontrolandPLCcontrolequipmentcomponent.Itsworkingprincipleis:

afterthematerialintothepressurepotwasboilingbythecompressedairpressure,andmaintainthisstate,toensurethatmaterialintoaspecialtubeinthedensephasewasdividedintoasectionofthecompressedairfeedforwardmovementofbolttoachievethedeliveryofmateria

KeyWords：

ProgrammableLogicController;ThickTransports;HeadTankSystem

目　　录

引　　言

PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜的特点。

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。

传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。

PLC在功能上比记录仪强上很多，但是在简单的控制和记录上面，可能记录仪显得的简单和经济实惠型，而且PLC又需要编程，需要电脑或者触摸屏等等。

但是记录仪作为一个成品，稳定性显得的比较的好。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。

更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜的特点。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

因此PLC控制系统在电解铝行业中的应用也更是如此。

近年由于大中型预焙新型槽结构的采用，这就要求开发新的控制系统和设备与之适应。

经过工业应用表明，以PLC为主要控制器的该系统可靠性能高、控制功能全，便于维护，完全满足铝电解控制要求，具有较高的推广价值。

目前铝电解自动控制系统的研究工作以达到了一个相对成熟阶段，从早期的槽电压或槽表观电阻的恒区域调节、定时下料控制，到引进日本160KA的自适应控制技术，以及国际国内的氧化铝浓度模糊控制等等，都在控制理论及实际应用中取得了比较满意的效果。

而在硬件方面一直沿用自制工控机或单片机作为主控制器构成控制系统。

这样的控制系统，虽然价格便宜，但是可靠性不高，往往出现“死机”、误动作等现象。

为了解决此类以及更多的问题，我们采用PLC作为主控制器。

这种新型铝电解智能控制系统，使软件、硬件达到了完美组合。

1课题背景

1.1概论

随着国内电解铝生产规模的急剧扩张，对氧化铝原料的需求大幅度增长。

由于国内氧化铝生产发展的速度跟不上电解铝生产发展的速度，所以对国外原料的依赖程度不断增加。

专家预测到2005年中国电解铝生产能力将达到650万吨，国内市场对氧化铝的需求量在1300万吨以上。

氧化铝是电解铝生产的基本原料。

铝电解是一个电解槽数量多、高能耗、高粉尘、强磁场、环境恶劣、劳动强度大的生产过程。

本课题主要研究的是电解铝生产过程的氧化铝粉的输送控制系统。

发展工业自动化是提高企业整体素质最有效的途径之一。

从整体上看，我国传统产业在技术装备、能源和原料消耗、产品质量和管理水平等方面，与发达国家相比仍存在着很大差距，尤其是技术装备水平与发达国家的差距有扩大的趋势。

在这样严峻的形势下，大范围设备更新，国力承受不了:

维持设各的现状，拼设备生产，后果不堪设想，唯有应用电子技术改造传统产业，把电子技术与传统产业技术结合起来，才是提高企业素质、提高整体效益的最现实、最有效的途径。

我国铝厂综合自动化技术的发展比国外晚，八十年代以前，国内铝电解槽生产过程主要以人工操作和经验管理为主，劳动强度大，生产条件差，工作环境恶劣。

后来采用引进日本七十年代的自动控制技术即集中控制、集中管理的方式，此控制技术的控制周期长，实时性不强，系统故障率高，劳动生产效率低。

随着电子技术和计算机技术的发生，PC的功能越来越强大，其概念和内涵也不断扩展。

上世纪80年代，个人计算机发展起来，也简称为PC，为了方便，也为了反映或可编程控制器的功能特点，美国A-B公司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器ProgrammableLogicController（PLC），并将“PLC”作为其产品的注册商标。

现在，仍常常将PLC简称PC。

随着工业技术的发展，在全球工业计算机控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制软件、开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有PLC。

长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。

其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。

另一方面，PLC还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。

PLC需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和价格。

由于采用PLC生产过程控制技术，生产的自动化程度大大提高，从而提高了工作效率，节约了产品成本，经济效益显著。

可见PLC控制系统在电解铝行业中将会长期占据主要控制系统地位。

1.2课题的意义

传统产业的改造提升对一个国家来说，具有重要的战略意义。

特别是我国加入WTO后，传统产业的改造提升直接关系到我国产业国际竟争力和现代化进程。

大力发展工业自动化是加快传统产业改造提升的有效途径。

我国铝厂综合自动化技术的发展比国外晚。

面对激烈市场竞争所带来的局面，企业只有紧紧把握市场运行的脉搏，充分结合自身的特点，面向世界经济的大潮，不断融入新技术、新方法，推陈出新。

同时，随着PLC供应商的不断努力，并进一步在制造和控制技术方面实现新的突破，所推出的新一代PLC将能够更加满足各种工业自动化控制应用的需要。

我们要抓住这个科技发展、世界和平的有利时期，积极发展我国的工业（包括本课题涉及到的控制领域），把PLC控制系统技术真正的灵活应用到我国的各行各业中去。

2PLC控制系统概述

2.1PLC

2.1.1PLC的定义

可编程控制器，英文称ProgrammableLogicController，简称PLC。

PLC的定义有许多种。

国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

2.1.2PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为二个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新二个阶段。

完成上述二个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述二个阶段。

（一）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（二）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

2.1.3PLC的构成

PLC的硬件组成与微型计算机相似，其主机由CPU板、存储器、输入/输出（I/O）模块、电源等几大部分组成；可配备如编程器、图形显示器、通信接口等外部设备。

从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

组成机构简图如下图2-1所示：

图2-1PLC的硬件组成

2.2典型的PLC产品

1、国外

施耐德公司，Quantum、Premium、Momentum等；

罗克韦尔（A-B公司），SLC、MicroLogix、ControlLogix等；

西门子公司，SIMATICS7-400/300/200系列；

GE公司

日本欧姆龙、三菱、富士、松下等。

2、国内

PLC生产厂约30家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产。

3系统设计

3.1工艺过程及控制方案

3.1.1工艺过程

氧化铝粉的输送工艺流程主要分为三大模块：

一是卸库到2000T上层缓冲料仓的输送；二是上层2000T缓冲料仓到下层2000T料仓的输送，这一部分包括上层2000T缓冲料仓氧化铝的除尘系统；三是压力罐的进料与打料的输送过程。

当除尘系统启动后，开始启动离心风机和罗茨风机，同时卸库开始向溜槽卸氧化铝粉料，溜槽中的氧化铝粉在离心风机提供的风力下进入空气提升机。

当空气提升机的氧化铝粉到达规定料位时，开始启动空气提升机的提升，将提升机的氧化铝粉送入2000T上层缓冲料仓。

上层缓冲料仓的氧化铝粉到达高料位时停止提升机的输送过程，同时停止相应的罗茨风机和离心风机等控制设备，待上层缓冲料仓的料位下降到低料位时再继续启动提升机的输料过程。

除尘系统在提升机停止后，开始启动除尘器的排灰风机，向2000T上层缓冲料仓排出收集的氧化铝粉。

同时启动2000T上层缓冲料仓向2000T下层料仓的打料过程，待2000T下层料仓的氧化铝粉到达高料位时停止。

向料仓打料的整个工艺过程如下图3-1所示：

图3-1向料仓打料工艺过程

2000T下层料仓的氧化铝粉到达高料位时开始启动向压力罐的打料过程。

在这一过程中要先选择要使用的哪一个压力罐，本课题设计选用四个压力罐（以压力罐PV4为例），生产过程中需要使用和控制的设备详细情况见《预焙槽氧化铝输送原理图》图纸。

然后检测阀9、阀36以及阀11是否关到位和离心风机的出口阀N4、N2以及阀101是否开到位。

再打开阀30，当压力罐的压力满足规定的压力时关闭阀30，打开阀36和阀11，现在方可进行压力罐的打料。

启动震动筛的电机使震动筛震动，打开2000T下层料仓下的阀门，氧化铝粉在离心风机提供的风力作用下和震动筛震动作用下进入压力罐。

在压力罐中的氧化铝粉到达高料位时停止向压力罐的打料。

关闭2000T下层仓的出料阀门，停止震动筛电机和离心风机，关闭阀36和阀11，待压力罐的料位下降到低料位时再继续启动以上向压力罐的打料过程。

当电解槽有需要打料信号时，开始启动压力罐向电解槽的打料过程。

先检测压缩空气的压力和阀门V7、阀门V8是否开到位，在达到要求时然后打开阀9、阀23、阀24以及阀25。

此处在同时使用其它几个压力罐向电解槽打料或者某个压力罐出现故障的时候可以打开阀V9或阀V1以及该路的通向电解槽的阀门进行协调，以便设备的维修和打料的连续性及供料量需求。

压力罐打料的整个工艺过程如下图3-2所示：

图3-2压力罐打料工艺过程

其它三个压力罐的打料过程类似，具体工艺过程详见《氧化铝输送工艺流程图》图纸和《氧化铝输送操作程序》以及《输送控制程序》图纸。

3.1.2控制方案

氧化铝粉输送是电解铝生产过程中原料供应的一个重要环节，该系统采用先进的可编程控制器（PLC）进行控制，这样不仅可以提高系统运行的可靠性和灵活性，而且还可以增强系统的抗干扰能力，降低设备的故障率，实现整个系统全过程自动检测和控制，具有操作简便，运行可靠，维护方便，清洁环保生产等特点。

系统中的各电气设备按照工艺流程的要求，自动逆向顺序启动和正向延时顺序停车，以防系统中的设备发生堵料；控制系统中的各电气设备具有联锁和容错控制；当系统发生设备故障时，具有自动报警功能，事故设备之前的所有设备应立即停止运行，事故设备之后的运行设备延时顺序停止运行；系统可以进行自动和手动切换控制，自动控制用于正常生产状态，并且可以对常见的故障自动进行处理，手动控制用以满足非常情况下的生产要求，以及日常维护等；对于系统中大容量电机启动时采取错开启动时间的措施，避免因启动电流超负荷对供电电网电压的影响；控制系统具有多种选择功能，实现对各种电气设备运行状态的实时监控。

该系统选用四个压力罐，在正常情况下要能达到可以启动任意一个或几个压力罐进行打料，当电解槽需料多时，可以启动所有的压力罐进行打料。

当某一个压力罐出现故障时，控制各管道上的阀门，可以关闭出故障的压力罐，而其它压力罐可以不受影响的继续打料。

氧化铝粉输送的控制系统分三阶段：

第一阶段是卸库到2000T上层缓冲料仓的氧化铝粉输送：

卸库内上料后，氧化铝气动溜槽输送氧化铝到2000T上层仓的空气提升机使用的气源采用MJ250C型罗茨风机提供，空气提升机装置由一个电磁阀和罗茨风机连锁控制。

第一阶段（加料过程）的测控电路如下图3-3所示：

图3-3加料系统测控电路

第二阶段是2000T上层缓冲料仓到2000T下层料仓的输送；第三阶段是压力罐的浓相输送过程：

压力罐的进出料和浓相输送的气源采用空气压缩站提供的压缩空气，每个罐采用6个电控气动阀控制罐体的进料，出料和输送。

上层仓到下层仓输送系统测控电路如下图所示：

图3-42000T上层仓到下层仓输送系统测控电路

浓相输送技术是由压力罐系统、浓相管和PLC自动控制设备等组成，它的工作原理是：

物料进入压力罐中后经压缩空气加压呈沸腾状态，并维持这一状态，确保物料进入特制的浓相管中被压缩空气分割成一段一段的料栓向前流动，实现物料的输送。

浓相输送系统操作设有现场就地手动控制箱和控制室控制台及模拟显示屏。

物料进入浓相输送过程中，PLC控制系统通过对压力罐系统的各个阀门和压力变送器进行检测而实现监视和控制，从而达到自动输送物料。

3.2PLC的选型

根据前一节中的工艺过程和控制方案，下面进行PLC工程设计选型。

工艺过程的特点和控制要求是设计选型的主要依据。

PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型。

所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。

根据下面的介绍，本控制系统的PLC选用美国A-B公司的SLC500。

3.2.1美国A-B公司SLC500概述

作为工业自动化行业中最值得信赖的品牌，罗克韦尔自动化公司所属的A-B从1903年诞生以来已经赢得了广泛的国际声誉。

这一声誉的建立非常简单，就是始终坚持向用户提供高品质、高可靠的产品。

SLC500TM系列可编程控制器就是其中一个最恰当的例子。

这些小巧的控制器体现了我们对于产品在稳定可靠、技术创新和性能卓越等各方面，按照最高标准进行设计和制造的承诺。

并且，您可以注意到SLC平台上不断增强的功能和模块，将为您的应用带来更多的好处。

3.2.2SLC500的性能介绍

SLC500系列为存储器、I/O容量、指令组和通信接口提供多种选择，使您组成控制系统以满足其严格的应用要求。

这些产品有强大的可靠性历史记录，它们覆盖了几十万个各式各样的应用场合。

SLC500处理器提供20、30或40个固定的数字I/O。

通过增加一个扩展机架，您能够增加2个I/O模块，使附加I/O最多达到64个。

SLC5/01处理器能让您组成模块化控制器，其I/O为4个到256个、指令存储器为1K或4K。

SLC5/02处理器能让您组成模块化控制器，正常情况下，其I/O数高达256个输入和256个输出、指令存储器容量为4K。

当您选择一个扫描器模块，并将其插入30个模块插槽之中的一个槽内，您便能将通用的远程I/O或设备网（DeviceNet）I/O加入您的系统。

它们提供19条附加指令，包括PID、可选定时中断和起动对等通信的信息指令。

SLC5/03处理器能让您组成模块化控制器，其I/O数高达1024个输入和1024个输出、存储器容量为8K或16K。

除具有SLC5/02的性能以外，它们有第二个内置式RS-232-C通信口，它能够组态成ASCII或DF1协议，同时可通过1761-NET-AIC转换器对DH-485网络进行信息存取。

SLC5/03处理器提供执行时间为0.44ms的位指令，同时整个系统的信息吞吐时间比与之竞争的处理器快10倍。

附加功能包括浮点数学运算、在线编程与运行期编辑、改进型闪速存储器、内置式键开关、内置式实时时钟和日历。

SLC5/04处理器能让您组成模块化控制器，其I/O数高达4096个输入和4096个输出、存储器容量为16K、32K