《电解铝生产过程中氧化铝粉输送的自动控制系统毕业设计》

关键词是为了文献标引工作从论文中选取出来用以表示全文主题内容信息款目的单词或术语。如有可能，应尽量用汉语主题词表等词表提供的规范词。不用此信息时，删除此框。摘要现今的自动化水平逐年增高，PLC作为主控制器，一直处在整个技术领域的主要战场。为许许多多的自动化装备提供了很好的控制环境。作为一个控制器，PLC可以给自动化装备提供牢靠且安全的运行方案，完全适应当今大部分工厂对自动化的需求。本论文主要研究的是一个以PLC为自动控制的核心，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。由于传统采用机械式输送，运输过程中氧化铝粉飞扬损失大、污染严重，而且加料量不容易控制，能耗大。所以本课题中采取浓相气力输送技术，浓相输送氧化铝粉末技术具有长距离输送、粉末状物料在整个输送过程中飞扬损失小、运行安全牢靠且高度自动化等优点。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。整个控制系统采用PLC控制器，PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，编程简单易学，适应性好，功能强大等优点，可以很好地解决氧化铝输送过程控制中的安全、灵活、环保、经济等问题。关键词PLC；氧化铝粉浓相输送；监控ABSTRACTTODAYSAUTOMATIONTECHNOLOGYISDEVELOPINGRAPIDLY，REMAINTHEKEYBATTLEGROUNDINTHEFIELDOFINDUSTRIALAUTOMATIONCONTROLOFPLC，FORALLKINDSOFAUTOMATICCONTROLEQUIPMENTPROVIDESARELIABLECONTROLAPPLICATIONSTHEMAINREASONISTHATITCANPROVIDESAFEANDRELIABLEFORTHEAUTOMATEDCONTROLAPPLICATIONANDMOREPERFECTSOLUTIONS，SUITABLEFORTHECURRENTINDUSTRIALENTERPRISEOFAUTOMATIONNEEDTHISTOPICRESEARCHISAPROGRAMMABLECONTROLLERPLCASTHECOREOFTHEAUTOMATICCONTROLEQUIPMENT，DESIGNAELECTROLYTICALUMINUMPRODUCTIONPROCESSOFALUMINAPOWDERCONVEYINGSYSTEMOFAUTOMATICCONTROLBECAUSEOFUSINGTRADITIONALMECHANICALCONVEYINGALUMINAPOWDERDUSTDURINGTHEPROCESSOFTRANSPORTATIONDAMAGE，POLLUTIONISSERIOUS，ALSOADDCAPACITYISNOTEASYTOCONTROL，LARGEENERGYCONSUMPTIONSOTHISTOPICINTHEDENSEPHASEPNEUMATICCONVEYINGTECHNOLOGY，DENSEPHASECONVEYINGALUMINAPOWDERTECHNOLOGYCHARACTERISTICSOFLONGTRANSMISSIONDISTANCE，LOWENERGYCONSUMPTION，LOWMATERIALINTHEPROCESSOFCONVEYINGBROKENREFINING，FLYINGMATERIALLOSSISSMALL，STABLEANDRELIABLEANDHIGHLYAUTOMATEDOPERATION，ETCDENSEPHASECONVEYINGTECHNOLOGYCONSISTSOFPRESSURETANKSYSTEM，DENSEPHASEANDCONSISTSOFAPLCAUTOMATICCONTROLEQUIPMENT，ETCITSWORKINGPRINCIPLEISAFTERTHEMATERIALINTOTHEPRESSURETANKINBOILINGSTATEBYTHECOMPRESSEDAIRPRESSURE，ANDMAINTAINTHISSTATE，TOENSURETHATTHEMATERIALINTOTHESPECIALINTHEDENSEPHASETUBEISCOMPRESSEDAIRINTOSECTIONBYSECTIONBOLTFORWARDFLOW，TRANSPORTTHEMATERIALDESIGNUSESTHEPLCCONTROLLER，PLCCONTROLLERWITHHIGHRELIABILITY，STRONGANTIINTERFERENCEABILITY，SIMPLEPROGRAMMING，GOODADAPTABILITY，POWERFULADVANTAGES，TOBEABLETOGETAGOODALUMINACONVEYINGPROCESSCONTROLOFRELIABLE，SAFE，FLEXIBLE，CONVENIENT，ECONOMICANDOTHERISSUESKEYWORDSPLCALUMINAPOWDERDENSEPHASECONVEYINGMONITORING目录摘要1ABSTRACT21绪论111课题设计背景1111课题来源1112课题的目的和意义112研究现状2121稀相输送2122浓相输送3123超浓相输送32系统工艺控制要求521系统工艺过程522控制方法的选择8221PLC的工作原理8222PLC的构成823控制方案924控制电路11241提升机装置测控电路11242浓相输送测控电路12243除尘系统控制电路1325工艺设计目标133系统控制方案的选择1431上位机1432PLC14321S7200概述14322S7200特点介绍15323控制功能的选择16324S7200机型选择17325PLC的I/O电路及外部接线1833系统仪表的选择18331温度仪表18332压力仪表19333流量计的选择19334物位仪表的选择1934通讯方式1935下位机系统结构图204软件系统设计2241组态软件22411组态软件概述22412监控中心结构2242系统程序设计23421控制系统的程序框图23422控制系统的流程图25结论29参考文献30附录A氧化铝输送原理图32附录BPLC的I/O电路及外部接线33附录C系统电气图34致谢351绪论首先本章从课题背景出发，然后对氧化铝自动输送系统的研究现状进行分析，最后完成系统的设计目标。11课题设计背景111课题来源金属铝在工业生产中是一种特别重要的原材料，金属铝及其铝合金被普遍地应用日用品、建筑材料、化学工业、电器、机械制造、甚至于航空工业、国防工业，和人们的生活息息相关。金属铝基本上通过电解氧化铝过程制取，而本文讨论的氧化铝粉则是电解铝工业的主要原材料。在电解铝过程中，氧化铝粉的输送极为重要。当前我国大部分铝厂的氧化铝粉末输送基本上使用皮带输送、稀相输送和天车加料相结合的方式，这种方式输送效率低下，自动化程度低，能耗高，对设备损耗大。氧化铝粉末的飞扬，不仅造成原料浪费，一定程度上对环境有很大的污染，破坏电解槽的工艺制度。因此，为了解决这些缺陷，必须设计出一种先进的自动控制方法，使其实现氧化铝粉末的自动输送。另外，为了提高氧化铝粉输送的稳定性和控制的自动化，输送系统基本上采用远程监控，远程调度。这样能实现在现场输送过程出现故障时，既可以派工作人员到现场排除故障，还可以通过远程监控系统进行参数修改。该论文主要探讨的是电解铝生产过程的氧化铝粉的自动输送控制系统。与工业发达国家相比较，我国的技术装备水平与其有很大差距。我国传统产业技术装备差，导致能源消耗大、产品质量低。想要提高企业整体素质，发展工业额自动化是很有效的方法。在这种趋势下，要想做到大范围的设备更新，国力财力一时承受不了。但是维持设备落后的现状，想要通过拼设备生产，后果不堪设想。唯有应采用电子技术改造传统工业产业，把电子技术与传统产业技术相结合，才是提高企业素质、提高整体效益的最现实、最有效的途径，才能成为工业强国。112课题的目的和意义在电解铝过程中，氧化铝粉的输送从其动力来源可以分为机械式输送和气力式输送。机械式输送分为斗式提升机垂直提升、皮带式输送机和小车轨道式输送机三种形式。这三种输送形式被广泛地运用到很多不同的工业生产中，在技术方面成熟牢靠。在氧化铝的输送过程中，这种方式对氧化铝原料的质量影响较小，氧化铝不容易破损，很有利于电解铝的生产。但是机械式输送也其致命的弊端，机械设备成本昂贵，运行复杂，维修费用输高，另外在整个运输系统中氧化铝粉的飞扬对整个车间造成很大的污染，氧化铝粉飞扬后不好收集重新利用，长期下来，会有很大的能源浪费。机械式输送的设备灵活性差，而且整套的设备投资费用很大。如果能改进这些缺点，铝电解的整个工艺会达到一个很高的生产水平。所以在目前，很多铝厂都逐渐采用了气力式输送，机械式的输送逐渐被取代。本课题设计的氧化铝粉末自动输送系统，采用的是目前比较先进的浓相输送技术。浓相气力输送，在铝工业中主要用于氧化铝粉或铝合金粉的运输，相比较传统的机械式运输方式，浓相输送拥有以下几点优势；能耗低，无粉尘飞扬，投资费用低、加料准备、控制方便、占地面积小等优点，由于浓相输送的安全可靠，效果极佳，以及被很多铝厂采用，成为目前主流的输送方式。浓相输送技术的管道采用套管形式，在原有的管道里加入一个内管，用作压缩空气的管道，外管输送氧化铝原料。在内管上有特制的等距离一段一段的小孔，在运输过程中，可以使氧化铝粉被压缩空气切割成一小段一小段的料栓，控制气流的速度，就可以控制料栓的长度。这种方式由于全程封闭在管道中，可以做到无粉尘飞扬，减少污染，通过控制气流速度，可以使加料精确，减低能耗。浓相技术具备的这些特点，能够满足各铝厂对氧化铝原料输送的需求，提高生产效率。12研究现状在现在的铝生产过程中，机械式的运输方式已经基本被淘汰，取而代之的是更稳定更准确的气力式输送。气力式输送原理是以压缩空气为载体，使其与粉末状的原料以一定的比例混合，在特殊的密闭的管道中通过气力为动力源的运输。与传统的传送相比较，这种输送方式更灵活易控制，适用于远距离的粉状物传送。在运输过程中无损耗，还极大的方便了剩余粉料的处理。目前诸多行业都采用了气力输送方式，得到了很好的经济效益。气力输送氧化铝粉末方式有三种稀相输送、浓相输送和超浓相输送。121稀相输送稀相输送方式的原理是用0406MPA的压缩空气作为动力源，作用在氧化铝粉上驱动运输，通过仓式泵氧化铝粉原料从储料仓运送到高位仓。在现场垂直输送部分中，气流产生的阻力和氧化铝粉所受的重力作用于一条直线上，由于这两种作用力只能在输送方向上影响物料，再加上在实际运输过程中，物料颗粒运动的复杂性，氧化铝粉末就以不规则的、相互交错的方式运动。目前，很多铝厂对氧化铝粉还一直采用这种方式进行集中输送。但是这种传统的气力输送方式只应用在卸料仓和储存仓之间的运送，不适用给电解槽供料。尽管这种方式操作简单，设备成本低，占地小，但是解决不了氧化铝粉输送过程中的中心问题，这种方式已经逐渐更完善的气力输送淘汰。122浓相输送随着工业技术的不断进步，电解铝生产过程中，对氧化铝粉末的要求更高，根据电解铝的化学反应条件，要求原料的质量和表面积都要达到一定的指标，才能保证整个工艺的效率。在工艺过程中，标准的原料是颗粒较粗、比表面积较大的砂状氧化铝，从整个现场看来，稀相输送技术的压缩空气源的动力不足以供应标准的原料。浓相输送技术很好的解决了稀相输送技术的问题。浓相输送中的一大核心是其特殊的浓相套管，另外浓相输送中的压缩空气提供的气流速度为1520M/S，物料流动一般为1015M/S，而氧化铝的破损程度不到20。这种方式提高了粉末物的浓度，相应的减少了压缩空气的使用，减少了能源消耗。浓相气力输送的动力源和稀相输送相同，都是利用压缩空气运送物料。他们的不同点是稀相输送的气流速度高，浓相输送是由压力容器产生静压力，气流速度相对较低。在氧化铝粉的运输管道中，当压缩空气的流速降到某一个临界值时，流动阻相对力变大，输送中氧化铝粉末自然停止。此时管道内气流的有效通道减少，导致压力变大，将停留的氧化铝原料一层层地吹走。在这个过程中，管道内气流的有效通道逐渐增大，气流相对压力又将降低，运输中的氧化铝粉又将停止。在输送管道中，将会持续这样的周而复始，氧化铝粉原料像沙丘移动式的逐渐输送。这里需要注意一点，提供的压缩空气的气流速度必须足够大，克服物料悬浮正常输送浓相气力输送技术能很好的满足目前大部分铝厂的工艺要求，它的根本问题是要保证氧化铝原料在浓相管中保持持续流态化的同时，浓相管道保持通畅。由于经过特殊制造的浓相管内管上每隔一段距离开有一个特制孔，要想做到物料持续流态化，管道保持通道，只要保证空气站的压缩空气的流速达到某一特定值。浓相技术还能确保供入电解槽中的物料的量更标准，更精确。123超浓相输送目前气力式输送方式最先进的就是超浓相输送，它根据氧化铝的充气性和流动性，运用一定压力的空气将卸料库里的原料悬浮疏松，这时打开卸料阀，由于安装的溜槽是有斜度的，在自身的重力作用下，被压缩空气悬浮松动的原料就会自动完成卸料。这种输送方式很好的运用了悬浮疏松的物料能够存在流动的趋势这一特点，这种流动的趋势就是物料的流态化。在当前的工艺中，使用一个多孔透气层，以一定的比例将固体颗粒与空气混合可以使物料转化为类似的流动体状态，这个过程又称为物料的流态化。这里用到的多孔透气层，又叫做沸腾板，它的结构与浓相管类似。沸腾板把输送通道分成两部分，上面运输物料，下层则输入压缩空气。当这里没有外部压力的时候，气体是常压，由于物料没有动力源，物料保持静止；一旦气腔中通入低气压的气体，上层物料的空隙就瞬间被填满，这时候调节气流速度，直到打破粉末间的平衡。在这样特定的情况下，粉料之间存在的内摩擦都接近为零，从而达到理想的流体状态。将粉末状物料转化成流体状态，然后进行运输的方式，就是目前气力运输方面最先进的超浓相输送。与浓相输送不同的一点是，超浓相输送仅仅需要较低压力的空气疏松原料，而不用压缩站的高气压空气作为运输的动力。据有关资料介绍超浓相输送中固体和气体的比例非常高，一般为5001。由于所需的空气压力只用100PA即可，故离心风机就可以满足工艺要求。这就是浓相输送的另一大优点，设备要求简单，只需提供风动溜槽和离心风机。一般来说，风动溜槽是没有运动的部件，不容易出现磨损，损坏的情况，还有就是它的显密度非常大，可以做到高浓度、低速度输送。因为管件的磨损不大，在运输过程中的气体对原料可以基本达到无损耗，这样输送到电解槽的原料完全可以达到标准需要的规格。另外，因为超浓相输送所需的空气压力低，仅仅离心风机就可以实现，在这个系统中，控制元件不多，而且操作起来容易上手，这样就能做到工艺现场自动化。但是这种输送技术庞大繁杂，我们国家目前还尚未彻底掌握这项输送系统。2系统工艺控制要求21系统工艺过程在电解铝工艺过程中，氧化铝粉的输送流程分为三部分一是卸料库到上层料仓的输送；二是上层料仓到下层料仓的输送，这里包括氧化铝粉的除尘系统；三是压力罐的进料与打料的输送过程。首先，启动上层料仓的除尘系统、离心风机和罗茨风机，然后从卸料库向溜槽卸料，溜槽中的氧化铝粉在离心风机的提供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的料位时候，启动空气提升机的提升，将提升机里的氧化铝粉送入上层料仓。当上层料仓的氧化铝粉到达高料位的时候，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，等到上层料仓的料位下降至低料位时再继续启动提升机的输料。在提升机停止后，开启上层料仓处除尘器的排灰风机，收集上层料仓飞扬的氧化铝粉末。这时同时启动上层料仓向下层料仓的打料过程，待下层料仓的氧化铝粉到达高料位时停止。从卸料仓到上层料仓打料的工艺过程如图21所示除尘器系统罗茨风机启动离心风机启动离心风机关闭罗茨风机关闭除尘器关闭图21向上层料仓打料工艺过程当下层料仓的氧化铝粉到达高料位的时候，开始启动最后一部分，下料仓向压力罐的打料过程。本设计使用了四个压力罐，首先，需要选择使用其中一个，这里以PV4为例。首先检测阀9、阀36以及阀11是否关到位，离心风机的出口阀N4、N2以及阀101是否开到位。然后打开阀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，现在才能进行压力罐的打料。启动震动筛的电机使震动筛震动，打开下层料仓下的阀门，氧化铝粉在离心风机提供的风力作用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，等到压力罐的料位下降至低料位时再继续启动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。当某个压力管出现故障或者需要同时使用另外几个压力罐时，可以打开阀V9或者阀V1以及该路的通向电解槽的阀门进行调整，这样以便设备的维修和打料的连续性及供料量需求。下料仓到压力罐的打料过程如图22所示选择压力罐检查阀开/关是否到位运行压力罐程序高料位信号到，开/关阀打料结束图22下料仓到压力罐的打料过程其它三个压力罐的打料过程类似，这里整个现场工艺过程的详细情况见附录B氧化铝输送原理图和流程图。22控制方法的选择随着工业生产越来越依赖生产的自动化，PLC逐渐成为现在自动控制领域最实用的控制方法。PLCPROGRAMMABLELOGICCONTROLLER，中文翻译为可编程逻辑控制器，属于自动控制装置，是一种嵌入式的工控机。PLC主要以顺序控制，回路调节为辅，可以实现逻辑判断、定时、计数记忆和算术运算等功能。既可以用开关量进行控制，还可以进行模拟量控制，另外基本都具备通信功能。PLC在工业生产过程中有着至关重要的作用，可以实现单、多台设备的自动化控制。由于PLC的工作牢靠安全，操作易上手，运行速度快，扩展模块灵活，通信功能强大，现在抗干扰能力强大，设备成本低，而且很好的满足各个铝厂电解铝过程中氧化铝原料的输送供料过程，所以本课题选取PLC作为主要的控制方法，实现氧化铝粉末的浓相输送。221PLC的工作原理PLC的工作过程分为两个部分输入采样、用户程序执行和输出刷新。每完成这两个部分为一个周期。在输入采样过程，PLC依次扫描，读入所有的输入状态和各种数据，同时把扫描到的信息存到I/O映象区中的相应的单元里。输入采样之后，进行用户程序执行和输出刷新过程。当用户程序执行时，PLC会按照从上到下的顺序扫描用户的程序。在PLC的工作过程中，CPU以某一特定的速度扫描着个过程周期。222PLC的构成PLC的主机由CPU板、存储器、输入/输出（I/O）模块、电源等几大部分构成，可以相应地配置象编程器、图形显示器、通信接口等外部设备，整个硬件构成与微型计算机相仿。PLC有固定式和模块式两种。CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，以上所有的模块都能依照规定组合。模块组成的简图如图23所示外设接口输入部件输出部件I/O扩展单元编程器其他外设I/O扩展接口存储器CPU电源部件接收现场信号驱动受控元件AB图23PLC的模块组成23控制方案在电解铝的工艺生产过程中，氧化铝粉的运输和供应系统是很重要的部分。按照工艺的要求，为了防止运输过程中物料堵死，这里的电气元件和设备都可以做到自动逆向顺序启动和正向延时顺序停车，还能实现联锁跟容错的控制。在系统发生故障的时候，可以实现自动报警，在故障设备运行前的设备应该马上停止操作，关闭相应的阀门、开关，故障设备后的设备按照延时的顺序停止。另外，该控制系统应当既能够实现自动控制，也可以通过手动进行切换控制。在正常的生产过程或者常见的可以自动进行处理的故障时，可以实现PLC自动控制。如果出现非常规的生产要求或者日常设备维护时，就必须进行手动切换控制。为了避免大容量的电机启动时产生的超负荷电流对供电电压的影响，应该错开设备开启时间，稳定整个系统的运行。本课题设计的系统有四个压力罐，一般情况可以只进行其中一个或几个的打料，当电解铝过程中的需求量增加时，会开启全部的压力罐。或者其中一个出现问题时，通过打开各管道上的公共阀门，实现打料的不间断。氧化铝粉原料输送系统有三个阶段首先是原料从卸料库传输至上层料仓的过程。在卸料库上料后，罗茨风机提供动力，使溜槽中的原料传送到空气提升机内。这里通过一个电磁阀和罗茨风机联锁控制构成空气提升机。这个卸料库到上层料仓的传输过程如图24所示罗茨风机空气提升机离心风机氧化铝粉卸料库上层料仓图24卸料库到上层料仓传输过程接下来是上层料仓到下层料仓的输送，因为上层料仓起到的是缓冲作用，所以该部分的输送过程相对简单，这里不作详细说明；最后一个阶段是压力罐的浓相输送过程，在这个输送过程中空气站的压缩空气作为所有的进料出料、输送的动力源。下层仓到压力罐输送过程如图25所示下层料仓振动筛离心风机压力罐压缩空气站电解槽浓相管图25下层仓到压力罐的输送过程24控制电路根据控制系统工艺流程和控制要求，整个系统的控制电路分为三大部分空气提升机测控电路、浓相输送测控电路、除尘系统控制电路。现分别叙述如下241提升机装置测控电路在原料传送过程中，第一阶段是卸料库到上层料仓的输送。这部分主要通过空气提升机作为主控装备，这部分PLC控制系统的检测回路由三处组成罗茨风机出口差压变送器、空气提升机的平衡料柱上料位计和上层缓冲料仓上的料位计，通过罗茨风机、压缩空气管上的压力继电器和电磁阀组成控制回路。这部分的测控电路图如图26所示罗茨风机出口压差检测空气提升机平衡料位检测上层料仓料位检测罗茨风机电机空气提升机电机电磁阀压力继电器检测回路控制回路离心风机电机图26提升机装置测控电路检测回路的作用是检测判断罗茨风机的高低压，空气提升机和上层料仓是否到达高料位、低料位，根据现场工作要求，判断是否启停相关联设备的开关，阀门等。而控制回路的作用则是接通低压配电柜内对应的MCC功能单元，可以实现压力继电器、电磁阀和风机的启停，从而达到控制的效果。通过协调这两个回路来完成这一部分卸料仓到上层料仓的物料输送。242浓相输送测控电路压力罐、浓相管和这两个设备上的阀门共同组成浓相输送的控制部分。这是整个系统中最为重要的设备。下面分别介绍该系统中的检测回路和控制回路，检测回路由压力变送器，料位计以及阀门上的各种限位开关组成，主要测量压力罐、浓相管还有压缩空气的压力，料位等。相应的控制回路包括压力罐的下料阀、钟罩阀、排气阀、出料阀、助吹阀、喷吹阀、加压阀和压缩空气管上的压力继电器构成。这里检测回路的作用是判断压力罐罐体、浓相管管道内的压力大小，压力罐内的料位的高低，根据现场工作要求，判断是否启停相关联设备的开关，阀门等。而控制回路的作用则是接通低压配电柜内对应的MCC功能单元，可以实现压力继电器、电磁阀和风机的启停，从而达到控制的效果，完成氧化铝原料的浓相输送。这部分的测控电路结构图如图27所示检测回路控制回路压力罐压力及料位检测压力变送器检测料位计检测电解槽检测浓相输送管道输送检测下料阀、钟罩阀、排气阀、出料阀、助吹阀、加压阀、喷吹阀振动筛电机控制系统压缩空气控制系统图27浓相输送测控电路243除尘系统控制电路除尘系统处于上层料仓上方，在氧化铝原料从卸料仓通过空气提升机输送至上层料仓时，除尘系统的作用是收集传送过程中飞扬的粉末，减少能耗和环境污染。收集完毕后，在可以重新回收的时候，打开除尘器的排料阀，通过排灰风机的动力返回至料仓和提升机。该部分的检测回路由上下层料位的料位计以及空气压力器上的压力变送器组成，主要测量料仓的料位高低和压缩空气的压力。相应的控制电路一般是离心电机、反吹电机和脉动电机构成，根据现场工作要求，通过PLC控制阀门、压力继电器和风机的启停。这部分的测控电路如图28所示上层仓料位检测下层仓料位检测压缩空气压力检测除尘器电机排灰风机电机离心风机电机压缩空气控制系统阀门检测回路控制回路图28除尘器控制系统测控电路25工艺设计目标1实现氧化铝输送系统的自动控制2在氧化铝输送系统中，完成各仪表控制系统的数据、信号等的采集，以及检查各设备的运行状况；3掌握氧化铝输送控制要求，提出控制方案，完成硬件设计，根据工艺要求合理优化，完成软件要求的系统分析和编制，最终完成上位监控系统，下位控制系统和中间通讯系统。3系统控制方案的选择31上位机由于上位机的工作环境极度恶劣，所以在选取上位机时，没有选用工业控制行业很流行使用的研华工控机。因为该系统规模不是太大，另外测量采集量和控制量的数量很少，所以考虑到经济投资，该课题采用了高配置的PC机。该类PC机具有可以很好的适应工作现场，而且它的硬件配置高，扩展功能强大，很适用于本课题的氧化铝粉自动输送的监控系统。32PLC根据前面工艺过程以及整个系统的控制方案，进行下位机PLC的选型。设备选型主要依据工艺控制过程的特点和要求。随着近几年自动化水平的发展，生产出了各种各样的PLC，在原有的基础上逐渐完善其功能。在选型方面，要做到选取的PLC必须要和工业控制系统构成一个整体，相关设备应该是可以集成，有比较易于扩充的功能，其硬软件的功能和配备必须满足该课题的控制要求。在目前的各铝厂，已经广泛的采用PLC作为其主控制器，效果也特别明显。这些铝厂的自动化控制的水平、生产效率大幅度提高，另外能耗大大降低，车间的环境软件大大减轻，投入的设备资金也相应减少很多。目前运行的PLC一部分来自从外国引进，一部分来自国内自己开发组装。品种繁多，总体来说有几十个系列，几百种型号，由于它们所需要满足的工业环境各有侧重，导致它们的硬件结构，需要的编程软件都有所区别。所以在选型这一块，重点是合理选择，如果只因为性能好而自己对它们的技术特性掌握不好，当其运行在工艺系统发生故障时，根本不清楚是硬件哪块出了毛病，软件编程怎么修改，会很大的影响工业生产。因为在学校实验室接触过S7200，对该PLC的技术性能比较，所以选用了S7200，下面介绍一下该PLC。321S7200概述在相同的工业行业中，西门子公司的S7200系列小型PLC是比较领先的，在很多行业和场合的监测和控制都能很稳定牢靠，不管是在独立运行时，还是有网络检测控制的时候。该控制器有一下几个强大的功能表现安全牢靠、丰富的指令功能、便于上手、操作简单、配置及扩展模块强大等。322S7200特点介绍S7200系列小型PLC应用领域极为广泛，覆盖了所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等。具有以下特点1体积小该系列的PLC的CPU基本尺寸为如下CPU221和CPU222，宽90MM，高80MM，深62MM；CPU224，宽1205MM，高80MM，深为62MM；CPU224XP，宽1400MM，高80MM，深62MM；CPU226，宽1960MM，高80MM，深62MM。2外形美观在设计该系列的PLC时，为了达到灵活配置和外形美观，整体设计成整齐的长方形。保证PLC的基本单元模块和扩展单元模块的深度跟高度相同，这里采用扁平的电缆连接在一起，然后经过DIN导轨，构成理想中的长方形。该设计吸取了整体式的PLC跟模块式的PLC的长处，在外观上做到整齐统一。3型号丰富西门子S7200系列PLC总共包括四种型号，八个不同的CPU。下表简单介绍了一下各种型号、CPU的I/O点数，存储空间，扩展模块等。表31S7200模块列表型号I/O点数存储空间I/O扩展计数器通信功能模拟I/OCPU2216/46KB无4个/2个1个通讯口无CPU2228/66KB2个扩展4个/2个1个通讯口扩展至10路CPU22414/1016KB7个扩展6个/2个1个通讯口扩展至35路CPU224XP14/1022KB7个扩展2个通讯口扩展至38路CPU22624/1626KB7个扩展6个/2个2个通讯口扩展至35路其中CPU221、CPU222的价格比较便宜，可处理模拟量，但是由于都只能用作小型开关量的控制系统，不适合该论文中设计的氧化铝粉的自动输送系统；而CPU224包含更多的输入输出点，既可以处理开关量、模拟量，也适应于要求较高的小型的自动化控制系统；CPU226为功能最强的单元，可满足一些中小型复杂控制系统的要求。4配置灵活1S7200PLC拥有灵活的配置，一般情况下，用户不仅可以选择各种各样的子系列PLC，还可以通过选择不同的扩展模块组建成功能特色不同的效果。可以给一个控制系统特别组建一个PLC，不仅可以很契合工艺要求，还能有很高的性价比。2S7200PLC的硬件配置和模块式PLC同样灵活，由于该控制器采取整体使得基本单元，这样的结果比普通的更灵活，非常适合于小型、中小型控制系统。3S7200PLC的配置有24VDC传感器电源、电流限定15A可供外部电源或接近开关、光电开关等传感器电源。4S7200PLC的输出方式有继电器输出、晶体管输出俩种，用户可根据需要选用。5S7200PLC可以通过EM227PROFIBUSDP扩展从站模块，将其主控制系统连接至该网络。5强大的功能尽管S7200PLC的体积很小，但是却具备很强大的功能。以下简单列举一下其功能模块丰富的模拟量、数字量模块，还具有热电偶、热电阻模块及工业以太网通讯处理等特殊功能模块等。该系列的PLC采取是可插入式的子排，这样的方式可以保值在基本单元模块和扩展单元模块更换时便捷。另外，还配备了存储卡和后备电池，保证内存不丢失。323控制功能的选择1运算功能运算功能是每个PLC控制器最基本的功能，一般都可以进行编辑、计时、计数、数据移位、比较等功能；比较高级的则可以有大量的代数运输，数据传输等；在我国最先进的系列还具备PID等高级的运算功能。目前自动化监控方面的技术越来越成熟，所以大部分的PLC都加入了与同位机、上位机的通信模块，另外还有部分产品还具备和工厂数据通信的能力。2控制功能PLC的控制功能很强大，目前可以做到顺序控制、PID控制运算、比值控制运算等。根据该系统中的工艺控制要求，这里使用PLC进行顺序逻辑的控制。因此，这里很多细节都选用单回路或者多回路控制器解决模拟量的控制。在该设计当中，只有料位。压力的模拟量输入，没有模拟量输出。3通信功能在工艺控制系统中，PLC应该支持各种现场总线和标准通信协议，并与工厂的管理网连接。另外，本系统中的通信总线选用458现场总线。4编程功能PLC的编程分为两种离线编程和在线编程。首先，离线编程方式是指当编程正在编程时，CPU是暂时停止控制工艺现场，因为此时的编程器是和PLC共用同一个CPU的。而在线编程方式则是；编程和现场控制同时进行，在一个扫描周期内，PLC和编程器交换一次数据，二者拥有各自单独的CPU。324S7200机型选择西门子S7200系列PLC的设备结构为基本单元和扩展模块结合。基本单元有CPU、存储器、输入输出模块。相对于整体式的基本单元，扩展模块则灵活很多，该模块内部无电源，通过连接基本模块的输入输出模块组成整个系统配置。由于本设计里没有模拟量输出，下面介绍一下该系统中采用的数字量输入输出模块和模拟量输入模块。1EM223S7200系列PLC的EM223模块为数字量输入输出模块。该模块可以同时完成数字量输入和数字量输出。另外，输入电路包括直流输入、交流输入；输出电路类型有直流（晶体管或场效应管）输出、交流输出、交直流输出等。所有输入/输出电路类型可以有很多组合，这里应该依据现场工艺的要求选用合适的组合，使系统配置更加灵活。2EM231EM231是该系列的模拟量输入模块。该模块包括滤波、模数转换、光耦合器组成。在工业现场，由于存在高强度的电磁干扰，所有光耦合器尤为重要，它既可以对设置多路转换开关进行通道的切换、处理多通道的模拟量，还可以有效的屏蔽现场的电磁干扰。该系统中的温度、压力、料位等随着工艺流程连续变化的物理量就是模拟量信号。在氧化铝粉自动输送系统中，因为CPU是不能识别采集的现场的模拟量，所有通过该模拟量输入模块对现场的模拟量进行模数转换，然后通过数字量输送给PLC的CPU。在工艺现场有很多种类的模拟量，一般先通过现场的信号变送器统一成标准的信号，然后再送入生产过程的模拟信号多种多样，所以，一般先用现场信号变送器把他们变成统一的标准信号，然后再送入EM231。3CPU本文选用CPU224XP型PLC，原因如下CPU224XP拥有较其他CPU更多的输入输出点，能处理开关量、模拟量，适用于要求高的小型控制系统。而且配备了一块EM223型16/16数字量扩展模块，两块EM231型模拟量扩展模块。系统有了30路数字量输入，26路数字量输出，9路模拟量输入，1路模拟量输出，完全满足的存储其容量。在很契合系统设计的要求的同时，又减少了成本。PLC的基本框架结构如图31。CPU模块CPU224XPEM223数字量模块EM231模拟量模块图31PLC框架配置图325PLC的I/O电路及外部接线PLC的输入输出地址和外部接线是一一对应的，按照对应的编号接线便可以使系统有序，其中这里的程序和硬件都有接线电路。这里以输送系统中的第一部分为例画出接线图。从卸料仓到2000T上层料仓输送过程控制系统中PLC的I/O电路外部接线见附录B。33系统仪表的选择在系统中的仪表包括测量仪表和执行元件。检测仪表包括温度仪表、压力仪表、料位计、流量计等，能够对现场各设备参数、数据及各种信息的采集。执行元件包括电磁阀和变频器等，PLC在接收现场信号后通过执行元件对现场进行控制。下面对系统中的检测仪表进行选择。331温度仪表温度测量是物体受热程度的反应，经常会受到元件本身或者周围环境的影响和约束，尤其是接触式的测温。传热的好坏、热损失的等很多直接影响测量结果都应该作为选用温度计的条件。在工业中常用的温度仪表有玻璃温度计、压力式温度计、热电偶、热电阻。在该系统中对排灰风机处排灰总管的温度测量时我们使用WZP装配式铂电阻温度仪，测温范围为200500；精度等级为A级。铂电阻的优点是精度高、稳定可靠，尤其在氧化性介质中，甚至在高温下的物理、化学性质都非常稳定，测温的精度也随之稳定。332压力仪表在压力测量中，有表压、绝对压力、负压或真空度测量等。在工艺现场上基本上都是表压测量，表压，顾名思义就是绝对压力和大气压的差。当被测压力低于大气压时，就是负压或真空度。在化工生产过程中测压仪表很多，一般都有液柱式压力计、电测式压力计、弹性式压力计。离心风机出口压力和罗茨风机出口压力采用ST3000900压力变送器的STG940型号，测量范围353500KPA。压缩空气总管压力较高，所以采用ST3000900压力变送器的STG960型号，测量范围是07140MPA。333流量计的选择在日程生产中，测量流量的方法一般分为三类速度式、容积式和质量式。速度式流量计包括差压式和转子流量计等，它是通过测量管道内流体的速度，从而间接测出流量的。容积式流量计包括椭圆齿轮、活塞式流量计等，这种流量计的原理和生活中利用量杯计量体积的原理类似。现场生产中，通过容积积分的方法，直接测量出该流体的体积。质量式流量计是现在工艺现场技术最成熟的仪表，品种丰富，有直接式和间接式两种。本课题测的是氧化铝流量，即流体的流量，现场常用的漩涡流量计，既可以进行远距离的输送、测量精度高，而且适合流体的测量，所以系统选用上海仪表的YFL00型QYXBM36999漩涡流量计。334物位仪表的选择在化工生产中，物位仪表包括三种，即液位计，料位计和界面计。液位计就是测量液位的，料位计用来测量固体料位，界面计则是通过来测量不同密度的液体的分界面。目前，物位计的种类很多，分类方法也很多，可以选择的仪表种类有80多种。经过在成本，使用环境等方面考虑，本论文物位测量选取的是ML5004西门子超声波双点物位计7ML5004双点物位计。该物位计是长量程双点变送器，可以适用于用于各种介质的物位监测。34通讯方式一个控制系统必然要和上位监控系统连接，这就涉及到通讯的方式。目前，工业上较为流行的是工业以太网通讯。随着自动化水平和现场控制的要求的提高，控制系统的好坏不仅取决于PLC的CPU，另外PLC所处的网络环境也能很大的影响该控制系统的通行功能。本论文设计的系统通信系统由工业以太网、485现场总线、PLC通信模块构成。工业以太网络包括网络部件和PLC及PC的通讯模块组成。以太网属于局域网，专门针对计算机和其他相关设备之间的高速数据交换而设计。以太网最大宽带为10MBPS至0100MBPS，完全能够满足众多计算机、控制器以及其它设备的远距离通讯。同时，以太网还为企业信息系统提供了访问车间现场生产数据的通道。通过以太网，用户可以最大程度的实现不同设备之间的数据交换。458的现场总线作为常用的现场总线，能够对事件无苛刻要求的数据进行传输，例如程序的上传、下载，对等信息传输。现场采用458现场总线、管理层为用工业以太网，这样的系统可以完成在极其恶劣的工业生产现场下完全安全可靠的工作，可以24小时不停歇的工作，从而可以确保系统可以连续采集现场的信号，及时的处理传入系统的数字信号。35下位机系统结构图该系统上位机部分为有PC工业计算机、操作员工作站。下位机部分采用S7200系列构成。下面简单介绍下位机系统结构，如下图32所示PC工业计算机操作员工作站N1，N2限位开关空气提升机限位开关以太网CPU电源通讯接口存储器DI1DI2AI1AI2DO1DO2扩展槽模块钟罩阀限位开关阀36限位开关V2V10限位开关以及其它阀门的限位开关空气提升机平衡料位上层仓料位下层仓料位电解槽料位压力罐料位压缩空气压力压力罐内压力继电器继电器继电器除尘器电机除尘器排灰风机电机除尘器排料阀空气提升机电机罗茨风机电机离心风机电机离心风机出口阀压力继电器运行指示灯、报警振动筛电机以及阀门压缩空气泵以及阀门电磁阀、气动阀以及其它通道的各阀门图32下位机系统结构图4软件系统设计41组态软件411组态软件概述随着自动化控制在工艺生产中扮演越来越重要的角色，加上目前计算机的飞速发展和它的广泛使用，人们开始把这两者联系到一起。由于很多现场的自动化设备的更新换代，传统的控制软件已经满足不了更加更为严苛的工艺要求。因为传统的工业控制软件在运行过程中，如果出现故障或者被控对象有所变动，就需要修改源程序，但是因为编程设计人员的工作变动，只能让新人修改程序。编过程的都知道，如果修改别人的源程序，那是非常困难的一件事情。所以人们开始把计算机和自动化控制联系到一起，就出现了目前通用的工业组态软件。它的出现给解决自动化设备更新换代带来的问题提供了一种崭新的方法，它可以完美的解决传统工业控制脱节的问题。工厂可以依据该系统控制要求自行任意组态，实现自动化控制过程。组态部分。组态软件翻译来自英文SCADA，数据采集与监视控制的意思，所有也叫做组态监控软件系统软件。组态软件是在某个自动控制系统中对数据采集和控制的专用软件。通过灵活的使用组态方式，可以为系统提供便捷的检测控制，一般电力系统、给水系统等需要构成建设控制的领域。在国内，组态软件没有一个明确的定义，大概的意思是组态式的监控软件，它的核心内容就是通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理。目前国内外有很多品种，国际品牌包括CITECH、GENESIS64、WINCC，国内品牌有世纪星、华富开物、组态王等。考虑到性能和价钱，该论文的组态部分选用力控监控组态软件，原因如下品牌知名度，在许多项目中，往往是国外组态软件的替代品，而且只要是接触过组态软件，基本上都知道力控组态软件；办事处多，本地化服务能力强；驱动丰富而且一般都比较可靠；性价比高。可见力控工业监控组态软件完全能够完成本次设计的。412监控中心结构监控中心基本包括实时监测、数据分析、远程控制、参数设置和报警功能等。下面简单画出监控中心结构图，如图41所示监控中心实时监测数据分析远程控制参数设置报警功能41监控中心结构图42系统程序设计421控制系统的程序框图本控制系统的程序框图如图42所示初始化主程序子程序除尘器系统卸料仓到上层料仓输送控制系统压缩空气控制系统上层料仓到下层料仓输送控制系统振动筛控制系统压力罐控制系统浓相管控制系统报警控制系统离心风机系统图42整个氧化铝输送控制系统的程序框图422控制系统的流程图流程图和程序框图是软件设计的重要部分，是编程本系统是编出梯形图的重要依据。1当1区电解槽有打料请求时，系统从主程序转向1区打料子程序，并运行子程序。本系统中一区打料对应的压力罐是PV4压力罐，与起协调的压力罐是PV3压力罐，若一区打料结束，便返回主程序。其他七个区的打料过程和一区打料相同，只是对应的设备号不同而已，下面以一区打料为例画出流程图。电解槽一区打料流程图如图43所示系统初始状态所有阀门均为常态1区电解槽没有高料位信号选择1或2离心风机选择PV4压力罐关闭阀V9、V7延时10秒打开阀V8返回主程序运行PV4压力罐程序停止打料程序打料结束，返回主程序选择PV3压力罐报警1区高料位信号V9、V7关到位V8开到位1区高料位信号与PV4压力罐程序类似YNNYNYNY图431区打料流程图2当上层料仓里的氧化铝为低料位或系统刚开始启动时，控制系统开始运行袋卸库到上层料仓的加料程序，系统中所有就地箱选择集中控制，在运行加料程序时可以选择1或2离心风机，氧化铝粉料通过溜槽在离心风机提供的气源下进入空气提升机，然后空气提升机在罗茨风机的带动下将原料送入缓冲仓。加料流程图如图44所示系统初始状态上层料仓无高料位信号选择1或2离心风机仓顶除尘系统运行罗茨风机正常运行离心风机正常运行N1开到位正常加料过程N1关到位离心风机正常停车罗茨风机正常停车除尘系统正常停车回到初始化状态流程启动按钮有命令启动仓顶收尘系统仓顶除尘不论是否正常运行启动罗茨风机启动离心风机打开离心风机出口阀N1上层料仓有高料位信号关闭离心风机出口阀N1关离心风机关罗茨风机停仓顶除尘系统本次加料程序结束报警报警并停系统NNNNNOYYYYY图44加料流程图3当上层料仓加料结束或者下层料仓低料位信号到时，系统开始运行从上层料仓到下层料仓的加料程序，其程序流程图如图45所示系统初始状态下层仓无高料位信号选择1或2离心风机启动信号启动除尘器排灰风机启动压缩空气泵压力检测值05MPA打开V11、V12V11、V12开到位打开上层仓出口阀出口阀开到位延时20S下层仓高料位信号上层仓低料位信号关闭上层仓出口阀出口阀关到位出口阀关到位V11、V12关到位关除尘器排灰风机关排风机出口阀关闭压缩空气泵关闭V11、V12本次加料结束报警报警YYYYYYYYNNNNNNNNNNN图45上层仓到下层仓的输送流程图结论在自动化技术高度发展的今天，如何整合全球的资源，借鉴发达国家的先进技术，为我所用，是我们所面临的一个问题。本文研究的内容是在氧化铝浓相输送的过程中，采取S7200系列PLC控制，通过上位机进行实时监控，比较成功的解决了电解铝过程中对氧化铝粉末输送的自动控制问题。总结如下（1）回顾了PLC的发展历程