1 前言
炭素阳极是铝电解工艺中至关重要的原料。在炭素阳极的生产过程中，各种物料重量的配比准确与否，直接决定了产品质量的好坏。国内目前的炭素阳极配料过程，一般是采用配料车，用人工控制配料下料量的方法。这种方法很难确保配料比例的准确，经常出现在混捏过程中发现配料有误差，需要进行补油操作。这样的后果是影响了电解效率，甚至有阳极断裂的现象发生。同时，由于炭素粉末很细，造成现场环境恶劣，对配料工人的身体健康构成很大威胁，因此我们设计了配料过程的自动控制系统，采用先进的PLC控制技术和配料智能补偿算法，运用变频调速方式控制电机，实现了炭素阳极配料的精确计量和自动控制，不仅减轻了工人劳动强度，而且大大提高了炭素阳极的产品质量。
2 系统简介
炭素阳极产品的生产需要经过原料的配料与预碎、原料的煅烧、破碎和筛分、配料方的编制与配料操作、混捏、压型、焙烧的过程才能最终形成。本系统是其中配料、混捏的过程。
固体炭素材料经破碎、筛分后，得到大小不同的各种力度的物料，存放在不同的储料仓内。配料就是把各种不同力度、不同性质的材料按一定的比例进行混合的过程。而这一比例的确定，就是所谓配方的编制。把配料操作出来的干料和粘结剂在一定的温度下混合，捏合成可塑性的糊状，即为混捏。均匀的混捏，可以使制品的结构趋于完善，性能趋于稳定。混捏的过程在混捏锅中完成，混捏锅主要是由双层锅体和一对麻花型绞刀以及减速传动装置组成，它是间断性生产的设备，即加料 -混捏 -卸料周期地循环操作。混捏的过程分为干混和湿混两个阶段，即先将固体炭素原料颗粒加热到100℃以上，然后再加入液体沥青进行湿捏。混捏的工艺操作主要是控制糊料的温度和混捏时间。
我公司炭素厂原由1、2 #
配料系统均采用电动小车实现配料的方法进行配料。磅称装在配料车上，在配料车行进过程中，始终需要操作工在配料车上进行操作，在恶劣的环境下控制配料车的行进、停止，并根据称量的指示控制下料量，人为误差极大。而混捏过程由电器连锁系统完成，繁琐的中间继电器故障率高，不易维护。因此，针对所存在的问题，新增3系统配料的设计采用了自动控制。如图1所示:
新增3系统配料由自动控制实现生产全流程。原料存放在7个储料仓内，使用电振给料器控制下料量，料分别下到三个配料仓中。PLC通过模拟量输入模板，实时采样监测控制配料仓下料。在配料仓下方，采用变频控制的运输车，负责将三个配料仓内配置好的原料自动运送到空锅等待的混捏锅内。原料在混捏锅中混捏，由PLC控制时间并自动下油。混捏结束后，拉糊车自动将糊料运送到天车起吊位置，等待天车。
3 系统详述
3.1 系统结构及组成
炭素阳极配料自动控制系统选择了日本三菱MITSUBISHI的A2AS系列PLC作为系统的下位机，上位机选择惠普工控机，配以美国Intellution
FIX软件，该软件作为一种开放型软件，具有与多种PLC系统能够的接口，炭素阳极配料自动控制系统的总貌图如图2所示:
3.2 PLC自动控制系统
控制系统主要实现的功能包括:配料和运输部分、沥青下油部分、混捏部分自动控制。每个设备的运行状态分为三种:就地、手动操作、自动控制。
就地控制:由操作工在现场扳动切换开关转入就地操作，PLC不输出到该设备。
手动控制:在上位机上对设备进行直接输出。
自动控制:PLC根据连锁条件自动输出到设备。
3.3 自动配方
自动配方算法由VB语言设计，通过DDE数据传送到FIX软件。生产操作人员在计算机上输入生产产品类型、各种配料的技术参数和所陪物料的总重量，计算机能自动计算出各种物料的配比重量，并自动下载到PLC作为称重控制依据。操作人员也可以在计算机上手工输入和/或调整各种物料的配比。配方与总重量的修改，仅当本次配料过程结束后方可有效，配料过程中进行的修改不能影响本次配方配比。
配方的原始依据来自筛分的纯度结果。将纯度值按照要求填入下表，其理论配方方案分别为:
根据理论配方和处理分析结果进行第一次估算(百分比):
+4 +2 +1 -0.5 0.075
P1 P2 P3 P4 P5
纯度物料 +4 +2 +1 +0.5 +0.15 0.025 -0.015
4-2mm A1 A2 A3 A4
2-1mm B1 B2 B3
1-0mm C1 C2 C3 C4 C5
球磨粉 D1 D2 D3 D4
E1 E2 E3
配方及计算参数表
根据理论配方和处理分析结果进行第一次估算(百分比):
4-2料子粒重(G1): G1= P2/A2
2-1粒子料重(G2): G2= P3-G1×A3
球磨粉料重(G4):G4= P5-G5×E3
收尘粉料重(G5): G5=(%1至10%)逐调
1—0粒子料重: G3=1—G1—G2—G4—G5
根据估算结果，带入负算公式进行自动复算，得出最终重量配比值，作为控制依据。最后进行验算，验算结果由下式确定:
G1×A1＜P1 G1×A2+G2×B1≈P2±1
G1×A3+G2×B2+G3×C1≈P3±1
(D3+D4)×G4+(C4+C5)×G3+(E2+E3)×G5≈P4±2
C5×G4+D4×G4+E3×G5≈P5±1
验算结果合格，则配方计算结果可由配料自动控制程序使用。
3.4 自动配料
自动配料的启动
和停止由操作工在上位机上进行操作。PLC根据上位机所输出的配比值，自动控制7个电振给料器的下料量。对于3个配料斗而言，各种物料的下料顺序应遵循按照所占比例由大到小的过程依次下料。自动配料过程的过冲量根据给定值与实际值的差值自动动态调整，最大限度保证配料的精确性。振动给料称量系统采用二步振料，既快速振料90%后，慢速振料10%。采用微机控制
整个振料配料过程，根据上一次振料的终值与设定值的之差，进行本次振料值补偿。
根据本系统对某物料重复撑量的特点，能利用过去的称量误差数据对未来空间物料量的估计进行补偿，保持误差在最小的范围内波动。控制算法如下:
振动速度由下式决定:
S1.........SJI>(90%×Wg)
S= S2.........SJI>(90%×Wg)
0 .........SJI=Wg+ε
SJI为第I次采集的数据，S1为慢振速度，S2为快振速度，令:
C1=90%×Wg
C2=(1-90%)×Wg
则可得各速度对应下料量:
C1.........ed ＞λ
Y={ C2.........ed ＞λ
0 .........ed ＞ε
当称量误差超出不灵敏带且e△有发散趋势时，采用累计补偿。开始进入累加补偿的称量次数为X，累积补偿持续到称量误差区域收敛为止。当称量误差向e△内收敛时，采用恒值补偿，一旦进入不灵敏带之中，则将补偿值清零，不对其进行补偿。
3.5 拉糊小车控制
当处于自动控制的混捏锅混捏过程完成后，操作人员根据小车上料斗情况，按动确认按钮，拉糊小车自动运行到相应的混捏锅下面，等待接料。混捏锅门关闭以后，小车自动运行到天车起吊位置，等待天车。上述部分全部由PLC自动控制实现。
3.6 专家诊断系统
在本系统中，专家诊断系统在自动控制过程中通过连锁提示画面实现连锁过程提示、连锁故障诊断以及操作失误判断等。该系统由PLC进行判断，在连锁示意的画面上进行显示，并在报警屏上予以提示。一旦产生连锁故障，将有相应报警声响，报警屏有红色故障提示，操作工可由连锁示意图查找故障原因。
3.7 变频技术应用
随着现代工业技术的发展，生产过程对电气传动的运行精度要求日益提高，同时也对节能提出了要求，而变频调速技术正好能够满足此种要求。为了实现自动配料的准确性，本系统7个电振给料机、配料车、拉糊小车均采用了变频调速。在本系统中，我们选用日本安川616G5A系列电流型变频器。该系列变频器除了能满足调速的要求外，还具有过压、过流、欠压、过载、接地等完善的保护功能。
3.8 工业电视监视系统
在本系统中，采用了四套工业电视显示，分别从储料仓下料过程、配料车配料过程、沥青下油过程和拉糊小车拉料过程四个方面进行了监视。操作工在主控室中可以从各个方位监视本系统工艺的全过程，在不去现场的情况下也能完全了解现场生产状况，避免了控制系统不能控制的一切异常故障的出现。
4 结论
该系统经过现场运行证明系统硬件合理，软件设计完善，功能齐全，保证了生产过程稳定运行，提高了产品的质量和产量，降低了能耗，改善了劳动条件。该系统的应用，填补了国内同行业计算机自动监控的空白，推动了国内碳素阳极配料技术的进一步发展，具有十分显著的经济效益和社会效益。
参 考 文 献
(1) 《工业自动化仪表与过程控制》西安交大施仁、刘文江编
(2) 《可编程序控制器PLC基础应用教程》 宝钢工业技术学校 许江、蒋跃宗著
(3) 《三菱大容量变频器FR—F500L》使用手册
】
相关链接