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LK在炭素生產(chǎn)煅燒環(huán)節(jié)加料排料中的應(yīng)用———LK在炭素生產(chǎn)煅燒環(huán)節(jié)加料排料中的應(yīng)用
北京和利時自動化驅(qū)動技術(shù)有限公司

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)第二大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(fèi)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(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(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(yùn)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(xiàng)指標(biāo)。

  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?yàn)樵鲜徒怪泻幸欢康乃帧]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(jī)械強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)械強(qiáng)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(jì)

  炭素煅燒上料排料控制系統(tǒng)采用單機(jī)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(yùn)行狀態(tài)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸和實(shí)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?,F(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(jìn)行分散控制;再由中央控制室上位機(jī)實(shí)行集中監(jiān)控管理。中央控制室上位機(jī)與PLC控制站之間的數(shù)據(jù)通訊采用高速的、實(shí)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(jī)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(jì)算機(jī)進(jìn)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(shí)現(xiàn)廠級的辦公自動化。管理級提供人機(jī)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(yuǎn)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(jī)。生產(chǎn)管理人員可在辦公室實(shí)時監(jiān)視現(xiàn)場的運(yùn)行情況。這種配置的最主要的優(yōu)點(diǎn)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(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(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(jìn)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(jī)進(jìn)行通信。另外,CPU模塊作為PROFIBUS-DP主站,與遠(yuǎn)程分布式智能I/O通過冗余的PROFIBUS-DP進(jìn)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(hù)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(yùn)行:若監(jiān)控計(jì)算機(jī)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(shí)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(jì)、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(jìn)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(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。
將現(xiàn)場控制箱上的“就地/遠(yuǎn)程”旋鈕切換至“就地”位置,通過箱上的“啟動/停止”按鈕實(shí)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(jì)為現(xiàn)場設(shè)備就地手動控制、遠(yuǎn)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(yuǎn)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(jī)、兩個振倉器、原料破碎機(jī)、輸送皮帶機(jī)、除鐵器、斗式提升機(jī)、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(jìn)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(zhǔn)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(yuǎn)程”旋鈕切換至“遠(yuǎn)程”位置。并將上位機(jī)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(jī)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(jī)啟動→除鐵器啟動→輸送皮帶機(jī)啟動→雙齒破碎機(jī)啟動→電機(jī)振動給料機(jī)啟動→雙齒破碎機(jī)料倉振倉器啟動。
  3) 流程停止:停止指令下達(dá)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(jī)料倉振倉器停止→電機(jī)振動給料機(jī)停止→雙齒破碎機(jī)停止→輸送皮帶機(jī)停止→除鐵器停止→斗式提升機(jī)停止;
  4) 故障聯(lián)鎖停機(jī):當(dāng)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(diǎn)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(fù)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(dú)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(jī)兩個、接料皮帶分料閥兩個、提升機(jī)兩臺、提升機(jī)前三通閥一個、倉底皮帶機(jī)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(jìn)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(zhǔn)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(yuǎn)程”旋鈕切換至“遠(yuǎn)程”位置。并將上位機(jī)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(jī)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(jī)啟動→接料皮帶分料閥開啟→斗式提升機(jī)啟動→提升機(jī)