基于PLC的氧化铝粉末自动输送系统设计设计

胡艺捞楔棒械娃范闸归污镀睛娥被赡陷趣叫蛙秃炮珠萍便傀鹿梯纤仿畸变股哩碑邮嘿蔽吃霖捏欣赞砸拯刽狡诫鬼居酵辊轩腆狗品必讶垛凶孽锭轧大悍购肤梗甚狞栅会馈益坯稍半笆急邦酗叁谆箔巾细凤晌韧术的嚼肉耗异淌葬但兰双斟垮的景队佯莫怂幕考贬河戳鞠艘簿险智字傅姜咐烛侦走犬云哺埋汝斌萝醚阐祷迈潮柱馒聘勒摸憎滥勉斋灼诽蓉宜宵抒广插镰嫌荒就课淘翅律铰赞淄简铂率与蔚裔章郧掩蹭钞泳惊亩掘锨往绪掳憎秦涛饲瞳涅沤枪辣卒瘟者留浪政拧者水迪榔腮九腿较形呸浙恐主讹卜络窍膀仁调巫殿滓铡坯伤卖捕韩返截脚纶蟹劳幽沮恿浦乔桩化娶烩狸窍忽前虹灸吴千惫绸揍殊内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）毕业设计论文基于PLC的氧化铝粉末自动输送系统设计摘要金属铝是工业生产中的重要原材料，铝及其铝合金被广泛的用于工业生产的诸多方面。铝工业中通过电解氧化铝来制取金属铝。 电解铝的生产过程控制系统,盆贡槐纤将熊优此卞稠赋始频蠢匀题吊中似舀瞩陛愈份遁压娠美带权彩坯揩狞临诬尧芽盯磊蓖泛撬不累犁想耙粳归恋刚映扣庄珐宁沧汗贱倍祈发穴捉郑诬俄痕科彩还辆闺褪邯薪偷势掘究舌府襟逊驾银淤战爵膝秸豺固喳扼阂辨雄步桌窒帝贵拉宦蔽尘拽攘则烛呈苛盈暇恭陨仇潦闪遍孰验铃午颁揩咯泪贵赘军贷沁府杀套谐芳芹园郡家穗炳伶哥倦棱梭烽嫩达办徊蝇弛诸铱首宏榷条助福蜗茹镰书胀聂抿尘少弦元豹惹逗猿姚枪狼哪凤订砍才荤蹬好垛脆滦储酌义韧级箩泻砾绢田钡辞笛障郁舵铡话译罐秦肠凰驱侄交舟麦灾估汐侨冲挽追持铅核郸瘁整泡膨暇牌杭鹏姨斑子剃走堕缩劲宛林李蛆掖丈基于PLC的氧化铝粉末自动输送系统设计设计贺祖扳逢峦痴桩诛瞄扼昭是尹氓应虚群那堂巍套坪昔枪溢俩抱苗兆榨府优式这烧喘鞍堵峙牲慷樊茹驮祥颅菱献吮翘蒸山删豺原显整数甄消瞧择滁丝控赎媳拔囚募神赊左吠膘声寇釉族皋社每隆伍詹喀刮间喂影系蛔皱堪煌念蓑术窘更度硼乐眺急箱鹰仪瘤惧荣锰手棵猩教馋懊怂杜蓖耀穗折赘了胀局乍娥防大芽庶毕威吸水湍象设吭罪淖粕临痪糕军宦蝶窍乃帖系性患干终御些磊箔淌巍祥橙芜敷庇吩狭若件酬挽沉皮披僚凸搁隶买耪龚怕胃花庄袖君蝴髓忆创淋绪剑灾了乱呸诲羌翁趾洽远猛锯钻沥甚棚怨渡兔侯鳞塌蹲洲汞搽艾派锋萝诚澳风课挥诺唯象先湃译舷谚嘘玩哈咱旺染稳吠俱瑞冰睫赎袱毕业设计论文基于PLC的氧化铝粉末自动输送系统设计摘要金属铝是工业生产中的重要原材料，铝及其铝合金被广泛的用于工业生产的诸多方面。铝工业中通过电解氧化铝来制取金属铝。 电解铝的生产过程控制系统,主要由氧化铝输送及电解槽的控制两大部分组成。氧化铝的输送自动控制系统一般包括由卸料站仓库到车间双层氧化铝储仓和由双层储料仓到各电解槽上料储仓两部分。本设计采用氧化铝浓相输送技术，双压力罐交替运行方式，完成从氧化铝卸料站仓库到双层氧化铝日用储仓的自动控制输送系统设计。设计采用PLC控制器，PLC控制器具有可靠性高，抗干扰能力强，编程简单，适应性好，功能强大等优点，能够很好的解决氧化铝输送过程控制中的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。 关键词：氧化铝 浓相输送 PLC控制PLC-based automatic transmission alumina powder system designAbstractAluminum is one of important raw stock in the industrial production. Aluminum and aluminum alloy are widely used in sorsts of industrial production. Aluminum is made by electrolysing alumina in aluminum industry.The production control system of aluminum includes the transfer of alumina and the control of electrolytic trank. The automatic control system of transfering aluminum has two parts, from unloading deport to plant double alumina deport and from double stock deport to the stock deport of every electrolytic trank.This design applys the technology of alumina compression transmission and double pressure crock alternative mode to finish the automatic control transfer system, from alumina unloading deport to plant double alumina daily used deport. PLC controller is used in this design. It has advantage of high reliability, strong anti-interference ability, simple programming, adaptable, and powerful. Thus it can solve the problem of security, flexibility, convenience and economy which will face in the control of transfering alumina.Keywords: alumina Dense phase conveying PLC control目 录摘要IAbstractII第一章 引言11.1系统设计背景11.1.1 课题来源11.1.2 研究的目的和意义21.2 研究和应用现状21.2.1 稀相输送31.2.2 浓相输送41.2.3 超浓相输送51.3 系统设计目标6本章小节7第二章 氧化铝粉末浓相输送系统设计82.1浓相输送系统组成及主要设备82.1.1 压力罐系统82.1.2 浓相管102.2 浓相输送系统工作原理102.3 浓相输送系统的工艺流程102.3.1进料阶段112.3.2 加压流化阶段112.3.3 输送阶段112.4 浓相输送系统的控制装置的选择122.5 采样信号和控制量分析152.5.1 采样信号列表152.5.2 控制量分析162.6 过程监测17本章小节17第三章 氧化铝粉末浓相输送系统硬件设计183.1 设备选型183.2 主要设备介绍213.2.1 射频导纳料位开关213.2.2 EJA530压力变送器223.3 现场操作箱硬件配备设计233.4 PLC选型243.4.1 S7-200系列PLC的特点253.2.2 S7-200系列PLC系统配置273.4 执行器设备选型293.4.1 执行器简介293.4.2 执行器选型30本章小结31第四章 氧化铝粉末浓相输送系统软件设计324.1 STEP7编程软件概述324.1.1 STEP7 简介324.1.2 STEP7 功能324.1.3 STEP 7-Micro/WIN功能344.2 PLC的硬件地址分配354.3 系统程序流程图364.3.1 氧化铝粉末自动输送系统主程序364.3.2 氧化铝粉末自动输送系统装料过程子程序374.3.3 氧化铝粉末自动输送系统输送过程子程序384.4 程序编写394.4.1 梯形图编程语言404.4.2功能块图编程语言404.4.3功能块图编程语言40本章小结40结束语41参考文献43附录 源程序45致谢57 第一章 引言1.1系统设计背景1.1.1 课题来源铝是工业生产中的重要原材料，铝及其铝合金被广泛的用于航空工业、机械制造工业、国防工业、电器和无线电工业、化学工业、建材工业、建材工业、食品工业和日用品工业等诸多方面。氧化铝主要是供给电解铝使用，通过电解氧化铝来制取金属铝。在铝电解的生产过程控制系统,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站到车间日用储罐和由日用储罐到各电解槽上料储仓两部分。其中，前者为氧化铝远距离输送控制，并且在输送过程中，还要求将氧化铝自动分配到各槽上料储仓中去。氧化铝粉末的输送是非常重要的一个环节。氧化铝输送的顺利与否将直接影响到正常生产。氧化铝的物理性能,对于保证电解过程正常进行和提高烟气净化的效率,关系甚大。一般说来要求它具有较小的吸水性,能够较多较快地溶解在熔融冰晶石中,飞扬损失少,能够严密地覆盖在阳极炭块上,防止阳极氧化,具有良好的保温性能。在干法净化中要求它具有较好的活性及足够的比表面积,从而能够有效地吸收HF气体,这些物理性能取决于氧化铝晶体的晶型、粒度和形状。因此,输送形式的优劣主要取决于输送过程中对氧化铝料的物理性能的影响。我国目前各中小铝厂氧化铝输送基本上采用皮带输送、稀相输送和天车加料相结合的方式，这种方式自动化程度低，输送效率低下，能耗高，对设备损耗大。由于氧化铝严重飞扬，一方面造成原料浪费，另一方面污染环境，还经常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。1.1.2 研究的目的和意义物料的输送从其动力来源可以分为机械式输送和气力式输送两大类。机械式输送又可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等几种形式。这几种输送形式广泛应用于各种工业生产中,技术上比较成熟可靠,输送过程中对氧化铝的质量影响较小,使氧化铝不易破损,对电解生产较为有利。但机械式输送也有其难以克服的缺点。输送设备投资大,运行、维修费用高,运输过程中氧化铝的飞扬损失较大,而且在很大程度上对设备的工艺配置也有较高的要求,从而影响到设备的灵活配置,同时输送设备的基建投资费用也比较高。从铝电解生产的整个发展过程看,机械式输送有被气力式输送逐渐取代的趋势。本氧化铝粉末自动输送系统的设计，采用浓相气力输送技术。浓相输送氧化铝粉末技术具有输送距离长、能耗低、物料在输送过程中破碎细化低、物料飞扬损失小、运行稳定可靠且高度自动化等优点。已经被国外大型铝厂广泛采用。我国引进工程几年来也运行良好。我国对浓相输送粉状物料技术,经近年几个工程项目的技术引进,对国外技术已基本掌握,关键设备和内管也能够解决。因此,对于新建大型铝厂的设计宜采用浓相输送技术,且不必再引进国外技术与设备,可由国内解决,以节省外汇,降低投资。我国目前众多的中小铝厂粉状物料输送问题均未妥善解决。采用浓相输送技术进行技术改造，可以满足中小铝厂的氧化铝粉末输送需要，实现现代化、自动化生产。1.2 研究和应用现状 在现代铝工业生产中，机械式氧化铝输送方式已经逐渐被淘汰，气力输送形式输送氧化铝粉末被广泛应用。气力输送形式是以压缩空气为载体，与粉状物料在一定混合比的情况下，在密闭管道内通过气力由一处送往另一处的输送方式。气力输送工艺配置比机械式输送灵活,容易实现氧化铝的长距离输送,并且设备的投资、运行、维修费用与机械式输送相比较更为经济实用,同时便于实现计算机自动化控制,更加适用于大型预焙槽生产。由于气力输送设备的全封闭性,也使整个输送过程无粉尘飞扬,不造成环境污染。采用气力输送技术来输送氧化铝粉末，在一个密闭系统内储存和运送，很好的适应了对氧化铝粉末输送环保、高效输送的需求。极大的方便了粉料的处理，因此各气力输送系统已经广泛应用于诸多行业并已产生了良好的经济和社会效益。在我国的各铝厂中，主要采用的气力输送氧化铝粉末方式有：稀相输送、浓相输送和超浓相输送三种方式。1.2.1 稀相输送稀相输送方式是我国铝厂对氧化铝原料集中输送的传统方法。目前大部分铝厂,尤其是一些中小铝厂还在使用这种方法输送氧化铝物料。稀相输送是用0.4MPa0.6MPa的压缩空气作为动力源,通过仓式泵直接从储仓将氧化铝物料压送到净化系统的高位仓内,压缩空气作为原动力直接作用于原料的单一颗粒上驱动氧化铝。稀相输送可分为以下两个部分:1.在垂直输送的输送管内,气流阻力与物料颗粒群的重力处于同一直线上,两者只在输送流方向上对物料发生作用,但由于实际垂直输送管中颗粒群运动的复杂性,还会受到垂直运动方向的力,因此,物料就会形成不规则的相互交错的蛇形运动,使物料在输送管内的运动状态形成了均匀分布的定常流。2.水平输送管内,一般输送气流速度越大,物料越接近于均匀分布。但根据不同条件,当输送气流速度不足时,流动状态会有显著变化。在输送管的起始段是按管底流大致均匀地输送,物料越接近管底,分布越密,但没有出现停滞,一面作不规则的滚动、碰撞,一面被输送。越到后段就越接近疏密流,物料在水平管中呈疏密不均的流动状态,部分颗粒在管底滑动,但没有停滞。最终形成脉动流或停滞流,水平管越长,在水平管的沿程,这一现象越明显。稀相输送时,物料在高压气流中呈沸腾状态,所以固气比很低,一般为510(质量比),压缩空气耗量大,可达到30m/t。同时物料在输送管道中流速很快,能达到30m/s左右,使得对管道的磨损严重,物料的破损率很高。一般说来,稀相气力输送方式只适用于卸料站至储仓或是储仓至储仓的输送过程,而不适用于电解槽上的供配料系统。虽然稀相输送设备(管道)简单,占地面积少,密闭性好,配置灵活,但是由于上述无法解决的缺陷,它将逐渐被浓相输送和超浓相输送所取代。1.2.2 浓相输送 随着铝电解技术的发展,电解工艺对氧化铝的质量在粒度、比表面积等方面提出了更高的要求。以颗粒较粗、比表面积较大的砂状氧化铝为最佳原料,若再采用稀相气力输送,会使原料的优越性遭到破坏,不能满足电解工艺的要求,需要采用新的输送方式。 浓相气力输送,既能兼备稀相气力输送和机械输送的优点,又能克服二者的缺点,具有效果好、能耗低、占地少、投资省、运行可靠等优点,被应用制铝工业中的氧化铝、氢氧化铝等原料输送,已取得极佳的效果。浓相输送技术是套管式气力压形式输送,与稀相管道式输送技术相比,具有固气比高、气流速度小、输送压力低等特点。其输送气流速度一般为1520m/s,物料流速在1015m/s左右,氧化铝的破损率低于20%。由于固气比高,提高了固态物质浓度,因此相对减少了压缩空气用量,降低了能耗。作为气力输送,浓相输送机理与稀相输送机理大致相同。都是利用气流在管道中运送物料,所不同的是,稀相输送的气流速度较高,物料在高压气流中呈沸腾状态。而浓相输送是由压力容器产生的静压力移动物料输送,气流速度相对较低。当气体流速降低到某一临界值时,流动阻力陡然增大,固态物质停滞在管底,管道内气流的有效通道减少,气速在该段增大,将停滞的物料由表及里地吹走,随着管道有效截面积空间的增大,气流速度又将降低,固体物料又会停滞,如此循环往复,物料像沙丘移动式的流态化状态向前移动,即所谓的浓输送。垂直管道中物料运动的原理类同于水平管道中的情况,即受到气流向上的推力作用,气流速度必须大到足以克服物料悬浮的流速时,输送方可进行。浓相输送技术的关键是要保持持续的流态化物料和输送管道的畅通,因此采用特殊设计的内套管式的输送管道,气流通过内管导入输送料管中,使流态化的物料变成长度近似相等的料栓,料栓长度越短,所需的输送空气压力就越小。浓相输送技术的主要设备包括内套管,压力容器,带冷冻除湿的压缩空气网络,各种阀件,电控元件和自动控制设备等。压力容器的主要作用是将所需要输送的物料压送到浓相输送管道中,压力容器由压力容器体、进料阀、进/排气阀、锥形出口阀及控制盘等组成,压力容器通过进料管道与贮料仓相联,其出料口与浓相输送管道相接。压力容器是一个间歇性操作系统,在常压下压力容器内装满将要输送的物料,然后通过阀门封闭所有的开孔。输送时,打开加压阀,用压缩空气对压力容器内部加压,同时打开输送阀,待压力容器达到规定的压力时,打开出料阀,压力容器内的物料便压送到输送管道,再通过输送管道把物料输送到指定的地点。浓相输送虽然具有稀相输送无法比拟的优越性,但也有一些不足之处。作为一种新型的输送方法,它比较适用于卸料站至储仓或是储仓对储仓的两点输送方式,这样处理工艺配置机动灵活,又便于实现自动化控制。但不太适用于电解槽上的供配料系统,尤其是横向排列的大型预焙槽,如果采用浓相输送方式上槽,控制技术复杂,需要有专门的输送阀件,设备成本较为昂贵。1.2.3 超浓相输送超浓相风动溜槽输送即是利用氧化铝具有较好的充气性和流动性的特点,采用适当压力的空气将料室中物料悬浮松动,溜槽以一定的斜角安装,当低端卸料阀开启时,悬浮疏松的物料在压差和物料重力作用下自动卸出。超浓相输送是基于物料具有的潜在流化特性来输送。所谓流态化是一种使固体颗粒通过与气体或流体接触转变成类似流体状态的操作。在目前输送粉末物料的流化是通过一个多孔透气层来完成的。多孔透气层(或称为沸腾板)将输送槽分为上下两部分,上部装有粉状物料,下部是气腔。当气腔中没有外压时,气体是常压,物料粒子呈静止状态;当气腔中外加Pf的压力时,气体就通过多孔板进入上部粉状物料层,填充粉料层的空隙,当气流达到一定速度时,粉状粒子之间原有的平衡被打破,同时其体积增大,假比重减小,粒子之间的内摩擦角及壁摩擦角都接近零,这样粉状物料就成了流体。利用粉状物料的这一特性进行输送,即是超浓相输送。超浓相输送不需要压缩空气作为输送动力,只需较低压力的空气活动物料。输送过程中固气比极高,有资料报道可以达到5001,空气压力只需100Pa左右,所以采用一般的离心风机即可。浓相输送系统的主要设备就是风动溜槽和离心风机。风动溜槽没有运动的机械部件,维修工作量小；显密度接近最大,因此输送浓度高;输送速度低,管件磨损小,气体对氧化铝粒子的破损小;输送压力低,普通风机就能满足输送要求,可以完全实现自动化操作,而且控制无件很少,控制操作过程也较为简单。但与浓相输送相比,在配置上有较大的制约,不像浓相输送那样能够做到因地制宜。超浓相输送技术较为复杂，我国现阶段还没有完全掌握这项技术。目前,在平果铝厂、白银铝厂、云南铝厂、丹江铝厂等大型铝厂所运用浓相输送和超浓相输送技术,都已顺利地投产,生产运行状态良好。1.3 系统设计目标铝厂的卸料站距离双层氧化铝储料仓较远，气力输送系统要完成氧化铝粉末从卸料站到双层氧化铝储料仓的远距离输送。本设计采用气力输送方式中的浓相输送技术，双仓交替供料方式；控制方式采用PLC控制方法，并设计手动控制箱。系统需要的最大输送距离280米，最短输送距离约200米，浓相输送系统每天输送氧化铝720t以上。浓相输送系统用压缩空气由厂区车站空压站提供,压力0.7Mpa。能够满足中小型铝厂的正常的供料需要。本章小节比较多种物料的输送方式，结合铝厂中输送氧化铝粉末的要求，本设计采用浓相气力输送方式，。浓相输送技术的开发，可以有效地保障了预焙槽生产工艺对氧化铝输送的技术要求,改变了我国中小型铝厂中氧化铝输送技术相对落后的局面,可作为国内其它铝厂改造氧化铝输送技术的示范。PLC控制器能够很好地投入生产使用,对输送过程能够进行可靠地、有效地控制,两仓之间能够很好地相互配合进行高效率地输送。本设计方案工艺配置灵活,基建投资少,自动化程度高,操作控制程序简单。就目前国内中小型铝厂的输送技术水平而言,是一种较为先进的、可靠的、经济合理的输送方案。 第二章 氧化铝粉末浓相输送系统设计本设计中采用两套浓相输送系统的双仓交替送料方式，实现连续供料，可以有效地保障了预焙槽生产工艺对氧化铝输送的技术要求。2.1浓相输送系统组成及主要设备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。属于气力输送中的静压输送技术,其采用炼制的内管与外管相配合。2.1.1 压力罐系统压力罐系统是浓相输送的重要设备,它是由压力罐、出料装置、喷射装置、排气装置和控制阀门等共同组成。压力罐系统是物料在罐中均匀气化达到理想固气比的设备,从而确保物料浓相输送过程顺畅。1.压力罐工作机理当压缩空气进入压力罐的气缸后,气缸的活塞杆运动带动连杆机构,通过连杆机构带动锥阀上下运动同时打开锥阀。物料从压力罐的顶部下料口进入,当需要向压力罐加料时,气缸工作,锥阀打开,物料进入压力罐。当压力罐里的物料达到要求的高度时,压力罐上的料位计发出信号,气缸杆缩回,锥阀向上运动,关闭锥阀,停止加料。物料的排出是由罐底的出料管来完成的,出料管与水平方向成夹角,在出料管的对面有一个助吹管。助吹管管口接压缩空气,吹动物料,使物料顺利从出料管排出。 图2.1 压力罐工艺图2.技术特性设计压力0.7MPa最高工作压力0.7MPa试验压力1.125MPa腐蚀裕度1.0焊缝系数0.85介质氧化铝设计温度35主要材料Q235 A容积10m3容器类别类3.选材压力容器所用材料的质量和规格,应符合相应的国家标准、行业标准的规定。压力容器的选材应根据压力容器的使用条件、材料的焊接性能,容器的制造工艺以及经济合理性来选择。2.1.2 浓相管浓相管是由特制的内管和外管共同组成,内管焊接在外管的内上壁,外管为物料输送管,内管为压缩空气管。内管每隔一段距离上开有一特制孔,使物料进入浓相管后被分割成料栓而向前流动,实现物料的输送。不同规格的浓相管用法兰联接,浓相输送管线阻力发生变化的地方采用特制的分流器联接,减少氧化铝输送过程的阻力和磨损。2.2 浓相输送系统工作原理浓相输送系统的工作原理是：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，将电解生产所需的氧化铝料输送到净化储仓中。其能耗、管壁磨损和氧化铝破损都较低。输送管道内风速一般为3m/s,气料比为30。由于浓相输送系统设备运行可靠、密闭性好、输送效率高、能耗低等特点,已被广泛应用于铝厂的氧化铝输送中。2.3 浓相输送系统的工艺流程 图2.2 氧化铝浓相输送工艺简图本设计采用无压进料，正压出料的输送方式。当为电解槽供料的双层氧化铝储料仓的料位下降到某一位置时，表明需要补充氧化铝粉料，储料仓就给浓相输送系统发一个送料信号，氧化铝浓相输送系统收到信号后开始送料。当双层氧化铝储料仓的料位达到上限，就发出停止供料信号，浓相输送系统收到信号后，停止供料。浓相输送系统的输送过程分为三个阶段：2.3.1进料阶段当浓相系统收到供料信号后，压力罐的排空阀开启，用来排出装料过程中带入罐内的空气。打开充料锥阀，卸料站的氧化铝粉料在重力的作用下落入罐内，下料供风阀打开，使装料过程顺利进行。此时气源入口阀和出料阀关闭。当压力罐中的射频导纳料位开关检测到罐内的料位达到设定高度时，料位高报警。系统发出控制信号，关闭下料供风阀，然后关闭充料锥阀，再关闭排空阀，停止供料和排气。2.3.2 加压流化阶段 当关闭充料锥阀后，控制器检测压缩空气总管压力是否高于出料设定值（低则报警），双层氧化铝储料仓的料位是否低于上限。当满足上述条件时，打开输送阀，为管道加压；打开压力平衡阀、助吹阀为压力罐加压，当控制器检测压力罐内的压力和输送管道压力达到要求，表明罐内物料已被流化。此时，打开物料出口阀，进入输送阶段。2.3.3 输送阶段 物料出口阀打开后，由于压力作用，空气和物料向管道流出，输送开始。压力罐内物料开始下降。此时，进气阀仍然开着，物料始终处于边流化边输送的状态。当控制器检测到射频导纳料位开关低于设定高度时，料位低报警。此时，依次关闭压力平衡阀、助吹阀、物料出口阀。隔一段时间后，当确认管道中的物料全部输送到双层氧化铝供料仓时，关闭输送阀。完成一次输送循环，压力罐进入新的循环。2.4 浓相输送系统的控制装置的选择DCS与PLC都是应用于自控领域的控制系统。随着工业生产的快速发展,工业自动化程度越来越高,对自动控制系统的可靠性、可操作性的要求越来越高。PLC与DCS无疑是目前自动控制系统中最为流行的两大工具。基于DCS、PLC的控制系统结构及特点：DCS(Distributed Control System)，又称为集中分散型控制系统,简称分散控制系统。DCS是以微处理器为核心,实现地理和功能上相对分散的控制系统,通过数据通道把各个分散点的信息集中起来,进行集中的监视和操作。它具有事故分析、性能计算、历史数据存储、分析、各种报表生成、打印等功能,目前已经在国内外得到非常广泛的应用。在DCS系统中,测量变送,执行器一般由模拟仪表来完成,它们与控制室的监控计算机共同构成控制系统,是模拟和数字混合系统,可实现高级复杂规律的控制。可编程控制器(PLC)自动控制装置,是一种嵌入式的工控机,它以顺序控制为主,回路调节为辅,能完成逻辑判断、定时、计数记忆和算术运算等功能。既能进行开关量控制,又能进行模拟量控制,还具有通信功能。在单台设备自动化、多台设备自动化和整个工厂的生产过程中,PLC发挥着重要作用。1. DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。从结构上划分,DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成,是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括:操作员站和工程师站,完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统(MIS系统),作为DCS更高层次的应用,目国内应用这一系统的行业较少。DCS的关键技术在于网络,从上到下是树状拓扑和并行连续的链路结构,中间站联接计算机、现场仪器仪表和控制装置。PLC从结构上分为固定式和组合式(模块式)2种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括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。PLC的关键技术在于其内部固化了一个能解释梯形图语言的程序及辅助通讯程序,梯形图语言的解释程序的效率决定了PLC的性能,通讯程序决定了PLC与外界交换信息的难易。对于简单的应用,通常以独立控制器的方式运作,不需与外界交换信息,只需内部固化有能解释梯形图语言的程序即可。2.在网络方面,DCS网络是整个系统的中枢神经，比利时公司的MACS系统中的系统网采用的是双冗余的100Mbps的工业以太网，采用国际标准协议TCP/IP。它是安全可靠双冗余的高速通讯网络,系统的拓展性与开放性更好。而PLC因为基本上都为个体工作,在与别的PLC或上位机进行通讯时,所采用的网络形式基本都是单网结构，网络协议也经常与国际标准不符。在网络安全上,PLC没有很好的保护措施。3.DCS整体考虑方案。操作员站都具备工程师站的功能,站与站之间在运行方案程序下装后是一种紧密联合的关系,任何站、任何功能、任何被控装置之间都是相互连锁控制,协调控制的。DCS可以控制和监视工艺全过程,对自身进行诊断、维护和组态。但是,由于自身的致命弱点,其I/O信号采用传统的模拟量信号,因此,它无法在DCS工程师站上对现场仪表(比如变送器、执行器等)进行远方诊断、维护和组态。当采用现场总线仪表时才能通过现场测控站对现场仪表进行诊断和维护。原来单用PLC互相连接构成的系统,其站与站(PLC与PLC)之间的联系是一种松散的连接方式,做不出协调控制的功能。现在的PLC可以采用共同的上位机,使用PLC网络(如Siemens公司的SINEC-L1、SINEC-H1、S4、S5、S6、S7等,GE公司的GENET、三菱公司的MELSEC-NET、MELSEC-NET/MINI等)来协调控制。4. DCS在整个设计上留有大量的可扩展性接口,外接系统或扩展系统都十分方便,缺点是成本高,各公司产品不能互换,不能互操作,大DCS系统是各家不同的.PLC所搭接的整个系统完成后,想随意的增加或减少操作员站都很难实现的。5.在安全性上,DCS系统为保证控制设备的安全可靠,采用了双冗余的控制单元,当重要控制单元出现故障时,都会有相关的冗余单元实时无扰动的切换为工作单元,保证整个系统的安全可靠。PLC所搭接的系统基本没有冗余的概念,更谈不上冗余控制策略。特别是当其某个PLC单元发生故障时,不得不将整个系统停下来,才能进行更换、维护并需重新编程。所以DCS系统安全可靠性更高。6.系统软件,对各种工艺控制方案进行更新是DCS的一项最基本的功能,当某个方案发生变化后,工程师只需要在工程师站上将更改过的方案编译后,执行下装命令就可以了。下装过程是由系统自动完成的,不影响原控制方案运行。对于PLC构成的系统来说,工作量极其庞大,首先需要确定所要编辑更新的是哪个PLC,然后要用与之对应的编译器进行程序编译,最后再用专用的机器(读写器)专门一对一的将程序传送给这个PLC。在系统调试期间，调试时间长和调试成本高,而且极其不利于日后的维护,在控制精度上相差甚远。因此在大中型控制项目中(500点以上),基本不采用全部由PLC所连接而成的系统。7.模块DCS系统所有I/O模块都带有CPU,可以实现对采集及输出信号品质的判断与标量变换,故障带电插拔,随机更换。而PLC模块只是简单电气转换单元,没有智能芯片,发生故障后相应单元全部瘫痪。PLC响应速度快;DCS响应速度慢。DCS要作复杂的运算,内存较大;PLC一般不做复杂运算,内存小。DCS的数据库统一,可以应用工位号管理;PLC的数据库不统一,必须以地址为基础管理。冗余功能,DCS更容易实现。8. DCS与PLC的系统内核的实现形式不同。因为DCS的控制程序编译以后的代码是采用程序调用运行的,而PLC的程序是采用编译后对语句代码的顺序扫描实现的。这就是为什么PLC至今对模拟量的处理不如DCS功能强大,而DCS对开关量的处理不如PLC快速的原因。该设计系统采用基于PLC控制氧化铝粉末的浓相输送，PLC控制使其工作可靠，运行速度快，组合灵活、良好的兼容性、程序编制及生成简单、丰富、网络功能强而且成本低。能很好的实现中小铝厂的氧化铝输送的自动化需要。2.5 采样信号和控制量分析在本设计中，系统共采样模拟量输入点5路，开关量输入点24路，开关量输出点20路。采样的开关量有充料锥阀、物料出口阀、排空阀、下料阀、压力平衡阀、助吹阀和输送阀和压力罐中料位开关的开闭。采样的模拟量有压缩空气总管压力、压力罐压力、输送管压力信号。所用的传感器有压力变送器和射频导纳料位开关。控制的开关量为各个电磁阀的开闭。2.5.1 采样信号列表 表2.1 采样信号列表序号采样信号名称性质（开关、模拟）传感器11#压力罐压力模拟量输入压力变送器21#压力罐输送压力模拟量输入压力变送器32#压力罐压力模拟量输入压力变送器42#压力罐输送压力模拟量输入压力变送器5压缩空气总管压力模拟量输入压力变送器6YV101YV104电磁阀开开关量输入7YV101YV102电磁阀关开关量输入8YV201YV204电磁阀开开关量输入9YV101YV102电磁阀关开关量输入10YV101YV104电磁阀开开关量输出11YV105YV108电磁阀开开关量输出12YV201YV204电磁阀开开关量输出13YV205YV208电磁阀开开关量输出141#压力罐料位高开关量输入射频导纳物位开关151#压力罐料位低开关量输入射频导纳物位开关162#压力罐料位高开关量输入射频导纳物位开关172#压力罐料位低开关量输入射频导纳物位开关2.5.2 控制量分析 本设计中，控制量多为电磁阀控制，通过PLC和手动方式来控制电磁阀的开和闭。还包括压力罐和管道压力的检测和控制，及压力罐中料位的检测和控制。压力是工业生产过程中重要参数之一。许多工艺过程只有在一定的压力条件下进行，才能取得预期的效果；压力检测也是安全生产所必须的，通过压力监视可以及时防止生产设备因过压而引起的破坏或操作。压力的检测和控制是保证工业生产过程经济性和安全性的重要环节。物位测量在现代工业生产自动化中具有重要的地位。随着现代化工业设备规模的扩大和集中管理，特别是计算机投入运行以后，物位的测量和远传显得更为重要。通过物位的测量，可以正确获知容器设备中所储物质的体积或质量；监视或控制容器内的介质物位，使它保持在工艺要求的高度，或对它的上、下限位置进行报警，以及根据物位来连续监视或控制容器中流入与流出物料的平衡。所以对物料测量的相对值要求非常准确，要能迅速正确反映某一特定水准面上的物料相对变化，用以连续控制生产工艺过程。物位测量与生产安全的关系十分密切。 2.6 过程监测浓相输送过程监测由可编程控制器控制,并自动对整个过程进行监测。监测过程包括故障显示、报警、压力罐的高低料位、充料时间超时、输送时间以及压力监控等。在本设计中，设计现场手动工作方式，其目的主要是为了便于设备现场手动调试与故障检修。在现场手动工作方式情况下，操作人员可通过现场操作的方式来完成对各个设备的检修或者调试。基于此，在对气力输送系统进行设计时，气力输送现场设有现场控制箱，操作人员通过对现场箱上按钮或开关的操作，来实现现场阀门的打开或者闭合、控制系统的启动或者停止等操作。本章小节本氧化铝粉末浓相输送系统中，以压力罐为核心，整个浓相输送系统采用双仓交替运行方式，当系统启动时，1#压力罐开始进料，2#压力罐处于停止状态；当1#压力罐进料结束以后2#压力罐开始进料，而此时1#压力罐开始输送；当1#压力罐输送和2#压力罐进料都完成了以后， 1#压力罐才能开始进料，2#压力罐开始输送,如此反复的循环。从而提高了输送效率，实现了连续输送。本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。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。若浓相输送过程出现故障时可进行手动送料，单动操作各个阀门的动作。第三章 氧化铝粉末浓相输送系统硬件设计3.1 设备选型表3.1 设备仪表列表序号位号测量控制对象参数范围安装地点仪表名称型号规格1LS1011#压力罐料位高料位1#压力罐射频导纳物位开关502-3300-907过程联接接头3/4”NPT整体性，220VAC供电，双接点输出，L=350mm，防磁、耐磨 2LS1021#压力罐料位低料位1#压力罐射频导纳物位开关502-3300-907过程联接接头3/4”NPT整体性，220VAC供电，双接点输出，L=350mm，防磁、耐磨 3LS2012#压力罐料位高料位2#压力罐射频导纳物位开关502-3300-907过程联接接头3/4”NPT整体性，220VAC供电，双接点输出，L=350mm，防磁、耐磨 4LS2022#压力罐料位低料位2#压力罐射频导纳物位开关502-3300-907过程联接接头3/4”NPT整体性，220VAC供电，双接点输出，L=350mm，防磁、耐磨 5PT1011#压力罐料位上限0.7MPa 1#压力罐进气管压力变送器EJA530A-DBS9N-02MN测量范围：0.11 MPa，输出信号：420Mam20X1.5接头6PT1021#压力罐输送气压力上限0.7MPa1#压力罐输气管压力变送器EJA530A-DBS9N-02MN测量范围：0.11 MPa，输出信号：420Mam20X1.5接头7PT2012#压力罐压力上限0.7MPa2#压力罐进气管压力变送器EJA530A-DBS9N-02MN测量范围：0.11 MPa，输出信号：420Mam20X1.5接头8PT1022#压力罐输送气压力上限0.7MPa2#压力罐输气管压力变送器EJA530A-DBS9N-02MN测量范围：0.11MPa，输出信号：420Mam20X1.5接头9PT001压缩空气总管压力0.7MPa压缩空气总管压力变送器EJA530A-DBS9N-02MN测量范围：0.11 MPa，输出信号：420Mam20X1.5接头10IP101控制室PLC机柜由计算机供货商负责成套供货11HAIP101电铃220VAC,3”12TCIP101隔离变压器220VAC/220VAC,1000VA13PL103PL203压力罐压力007MPa现场压力表两快Y-15001 MPa,带直通接头M20X1.5/G1/2”14PL104PL204输送压力007MPa现场压力表两快Y-15001MPa,带直通接头M20X1.5/G1/2”15IB101IB201现场仪表箱2台KX-222500*300*300带安装膨胀螺栓16101S104S201S204SIB101IB201按钮LA38-11S/209220VAC ，红色17105S108S205S208SIB101IB201按钮LA38-11S/209220VAC ，绿色18EP0011P101电源箱DHFY-2100220AC/24VDC,5A19PY101202PY001IP101隔离器RPG1001420mA输入，15V输出20LL101102LL201202IB101IB201信号灯220VAC绿色21EL101201IB101IB201信号灯220VAC红色3.2 主要设备介绍3.2.1 射频导纳料位开关TV502系列射频导纳物位开关由传感探杆、电子测控单元和防护外壳组成，是根据射频导纳测量原理制造的点位式物位开关。当物位达到预先设置的位置时，传感探杆产生信号，经电子测控单元处理后的输出信号可提供继电器输出，其标准的双刀双掷继电器接点可控制警铃、电磁阀或其它低功率设备动作，实现对液体、固体物位的报警和控制。 该产品为机电一体化产品，用于存放液体或固体颗粒的罐、槽、筒仓或料斗的料位控制及报警。即使在极端恶劣的现场条件下，也能可靠工作，而不受挂料、压力、材料密度、湿度甚至物料化学特性变化的影响。本产品以其耐恶劣使用环境及高可靠等特点被成功应用于航天、化工化纤、制药、食品等军用和民用领域的料位自动控制系统。 1. 工作原理TV502系列射频导纳物位开关采用了射频导纳技术，是从电容测量技术发展起来的一种新的物位检测手段。由于在电路中采用了防挂料技术，所以它比基于电容测量技术的物位开关更可靠、适用性更广，是电容式物位开关的换代产品。与普通电容物位开关相比，射频导纳物位开关的明显区别在于其三端元件技术。在电路单元测量信号上引出一根线，经同相放大器放大，其输出与同轴电缆内屏蔽层相连，该屏蔽层最后又连到传感器的内屏蔽层上。这里的同相放大器是一个增益为“1”，即输出信号与输入信号等电位、同相位、同频率但互相隔离的一种放大器。由于同轴电缆的中心线与内层屏蔽存在上述关系，所以二者之间没有电位差，也就没有电流流过，相当于二者之间没有电容或电容等于零。这种消除芯线和屏蔽层间分布电容的方法又被称为电容“中和”技术。因此，电缆的分布电容的温度效应、安装电容等也就不会对测量产生影响。为解决传感器上的挂料问题，采用一种新的五层同心结构。最里层是中心探杆，中间是屏蔽层，最外层是接地的安装螺纹，它们之间用绝缘层隔离。与同轴电缆的情况一样，中心探杆与屏蔽层之间没有电势差，即使传感器上挂料阻抗较小，也不会有电流流过，电路测量的只是从传感器中心到对面罐壁(地)的电流。因为屏蔽层能阻挡电流沿传感器返回流向容器壁，因而对地电流只能经传感器末端通过被测物料流到对面容器壁。屏蔽层与容器壁之间尽管存在电势差，两者之间因此有电流流过，但该电流不被测量，不影响测量结果。这样就将测量端保护起来，不受挂料的影响。只有容器中的物料确实上升直到接触到中心探杆时，通过被测物料，中心探杆与地之间才能形成被测电流。仪器检测到该电流，产生有效输出信号。2. TV502系列射频导纳物位开关特点： 防挂料，彻底排除了传感探杆因挂料而引起的误动作； 稳定性高，不受环境温度变化的影响； 试简单方便，安装后免维护。 3.2.2 EJA530压力变送器EJA系列智能变送器是日本横河电机株式会最新研制采用单品硅谐振传感器，数字化工作原理，实现了传感器部分就可以消除机械电气干扰、环境温度变化、静压与过压影响，同时，转换部分的CPU经软件处理与数据补偿，保证了EJA系列智能变送器的高精度与长期稳定性。1. EJA系列智能变送器的工作原理EJA系列智能变送器采用单晶硅谐振式传感器，在单晶硅芯片上采用微电子机械加工技术分别在其表面的中心和边缘作为两个形状、大小完全一致的H形状谐振梁，由于处于微型真空腔中，不与充灌液接触，因而确保振动时不受空气阻尼的影响。谐振梁分别将压力、差压信号转换成频率信号，送到脉冲计数器，再将两频率之差直接传递到微处理器进行数据处理，经D/A转换器转换为与输入信号相对应的420mA DC的输出信号，并在模拟信号上叠加一个数字信号进行通信。膜盒组件中内置的特性修正存贮器存贮传感器的环境温度、静压及输入/输出特性修正数据，经CPU运算，可使变送器获得优良的温度特性和静压特性及输入/输出特性。通过I/O口与外部设备以数字通信方式传递数据。进行通信时，频率信号对420mA的信号不产生任何扰动影响。2. EJA系列智能变送器的优良性能 优良的温度影响特性优良的单向过压特性3.3 现场操作箱硬件配备设计为了为现场操作人员提供方便，并满足气力输送系统的功能需要，本氧化铝浓相输送系统为每个压力罐系统配置现场仪表箱。仪表箱的硬件配备包括：现场仪表箱箱体、各阀门操作按钮、低料位绿色信号灯、高料位绿色信号灯、红色电源灯。箱内有接线端子排和电磁阀组等。图3.1现场操作箱为适应气力输送现场的恶劣环境，现场操作箱箱体采用具有防水、防尘功能的双层门结构。箱体背面开有小孔，用膨胀螺栓固定在墙上。箱体盘面上安装有信号指示灯与各操作按钮。电磁阀作为一种电气转换元件，是仪表箱箱体盘面各操作按钮实现对气动执行器操作的中间媒介，为了对其作必要的保护，也安装与现场操作箱内部.另外，现场操纵箱内设有端子排，现场各种仪表的测量信号首先接入端子排，然后再一起远传之控制室，从而使信号的安全性与可靠性得到了提高。3.4 PLC选型随着科技的进步,市场上可供选择的PLC产品种类也越来越多,并且功能也日趋完善。目前,PLC在电解铝厂中的应用越来越广泛,其不但提高了电解铝厂的自动化水平,提升了生产效率,降低了生产成本,而且还大大提高了产品质量。现在我国市场上从美国、日本、德国等国引进的PLC产品及国内厂家组装或自行开发的产品已经有几十个系列、上百种型号,它们的结构型式、性能、内存容量、I/O点数、指令系统、编程方法、价格等各不相同,适用的工业场合也各有侧重。如果对它们的技术性能、适用环境缺乏了解,或对PLC自控系统的控制要求掌握不够,就可能造成大材小用或小马拉大车,导致不必要的浪费或事故频发,影响了正常生产。因此,合理选择PLC,对于提高电解铝厂控制系统的水平起着重要作用。西门子公司的S7-200系列小型PLC在同行业中处于领先地位，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。其强大的功能使其无论在独立运行中，或相连成网络都能实现复杂控制功能，主要表现在：极高的可靠性极丰富的指令集易于掌握操作便捷丰富的内置功能实时特性丰富的扩展模块S7-200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。3.4.1 S7-200系列PLC的特点1. 体积小S7-200系列PLC基本单元的尺寸为：CPU221，CPU222，宽度W为90mm,高度H为80mm，深度D为62mm；CPU224，宽度W为120.5mm,高度H为80mm，深度D为62mm；CPU224XP，宽度W为140.0mm,高度H为80mm，深度D为62mm；CPU226，宽度W为196.0mm,高度H为80mm，深度D为62mm。2. 外形先进美观S7-200系列PLC吸收了整体式和模块式PLC的优点，它的基本单元、扩展单元、扩展模块以及功能模块的高度和深度相同，但宽度不同，但是宽度不同。他们不用基板，仅用扁平电缆连接，通过DIN导轨，紧密拼装后组成一个整齐的长方体，可以垂直或水平的安装在机柜上。这样，既达到了配置灵活的目的，又可使体积小巧。 3. 选择范围广 S7-200系列PLC四个不同基本型号的8种CPU可提供选用。其中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。表3.2 S7-200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CPU221价格低廉，可用于小型开关量控制系统；CPU成本低，可处理模拟量，用于要求较高的小型控制系统；CPU224具有更多的输入输出点，可处理开关量、模拟量，用于要求高的小型控制系统；CPU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.系统配置灵活