剝鋅生產(chǎn)線的集中控制系統(tǒng)

袁雄兵

(長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410011)

0 引 言

(1)技術(shù)背景

剝鋅生產(chǎn)是鋅冶煉過程中最關(guān)鍵最重要的工序，其工藝過程是采用專用行車將電積好的鋅陰極板從電解車間電解槽中吊出，然后將鋅陰極板吊運至鋅片剝離裝置，再把鋅金屬片從陰極母板的兩面剝離下來，之后通過叉車或者輸送設(shè)備將剝離下來的鋅金屬片送至鋅熔鑄車間的電爐設(shè)備和鑄型設(shè)備鑄成鋅錠。傳統(tǒng)剝鋅工藝主要為人工操作，崗位工人操作吊車將鋅陰極板從電解槽中吊出，再通過工人手動將鋅金屬從陰極板上剝離下來，這種吊運和剝鋅的方法無法滿足鋅冶煉產(chǎn)能越來越大的需求，同時還造成對環(huán)境的嚴重噪音污染及對崗位工人形成有害氣體、殘液傷害，因此傳統(tǒng)的剝鋅工藝嚴重制約了我國鋅冶煉的清潔高效降耗生產(chǎn)。2017年底國家發(fā)改委公布了鉛鋅行業(yè)準入條件，對新建鋅冶煉廠的冶煉規(guī)模、冶煉工藝、關(guān)鍵裝備、單位能耗、環(huán)境保護、安全生產(chǎn)等方面做出了明確規(guī)定，這就迫切要求開發(fā)一種高效智能的剝鋅生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)，來滿足鉛鋅行業(yè)準入條件。本文在現(xiàn)有鋅冶煉電解工藝及冶煉電解裝備的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種基于自動吊運極板、自動剝鋅和自動刷洗生產(chǎn)線的智能控制系統(tǒng)。

(2)剝鋅生產(chǎn)線介紹

剝鋅生產(chǎn)線的主要工藝裝備包括鋅金屬剝離設(shè)備、鋅陰極母板刷洗裝置、極板吊運設(shè)備(包括第一行車和第二行車)，見圖1。I系列電解槽區(qū)域的第一行車將已電積好的陰極板從電解槽吊出槽，吊運至鋅金屬剝離裝置上，2系列電解槽區(qū)域的第二行車將已剝鋅金屬的陰極母板從鋅金屬剝離裝置吊運至刷洗裝置，同時，第一行車還需要將已經(jīng)刷洗完畢的陰極母板吊裝回1號系列電解槽中；圖中的箭頭方向即為陰極板的運行方向，亦即為上述的自動剝鋅生產(chǎn)線的工作流程方向。1號系列電解槽、2號系列電解槽、左右兩側(cè)2臺吊運設(shè)備對兩側(cè)電解槽陰極板的吊運、鋅片剝離、刷洗功能完全相同。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

剝鋅生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)見圖2。剝鋅生產(chǎn)線的智能控制系統(tǒng)包括了專用打印機、專用工業(yè)計算機、刷洗機控制裝置、剝離裝置控制器、總控制裝置、冗余控制裝置、控制交換設(shè)備、通訊交換設(shè)備、第一行車控制裝置、第二行車控制裝置等，這些設(shè)備能實現(xiàn)剝鋅生產(chǎn)線的智能控制，第一行車控制裝置、第二行車控制裝置、剝鋅機控制裝置和刷洗機控制裝置通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊總線與控制交換設(shè)備相連，控制交換設(shè)備通過工業(yè)以太網(wǎng)總線與總控制裝置連接，行車控制裝置、剝鋅機控制裝置、刷洗機控制裝置分別接收總控制裝置指令并分別控制行車、剝鋅裝置、刷洗機的動作。總控制裝置可以接收各個控制裝置發(fā)送的設(shè)備運行、工作狀態(tài)及故障信息，并可根據(jù)設(shè)備運行、狀態(tài)及故障信息對剝鋅生產(chǎn)線的各個設(shè)備進行實時精準控制，從而可實現(xiàn)剝鋅生產(chǎn)的自動化和智能化。工業(yè)計算機和專用打印機通過以太網(wǎng)通訊總線與通訊交換設(shè)備相連，通訊交換設(shè)備通過以太網(wǎng)通訊總線與總控制裝置連接，總控制裝置再通過通訊交換設(shè)備把系統(tǒng)的運行參數(shù)和狀態(tài)送至工業(yè)計算機進行實時顯示，同時接收工業(yè)計算機對自動剝鋅生產(chǎn)線參數(shù)的設(shè)置，并控制剝鋅生產(chǎn)線自動運行，工業(yè)計算機可實時顯示剝鋅生產(chǎn)線的生產(chǎn)狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)，也可對自動剝鋅生產(chǎn)線進行參數(shù)設(shè)置或系統(tǒng)控制，打印機用于打印相應的資料、文檔或報表。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

剝鋅生產(chǎn)線的集中控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括以下設(shè)備：電源系統(tǒng)、總控制器、控制交換設(shè)備、通訊交換設(shè)備、行車控制裝置、剝鋅機控制裝置、刷洗機控制裝置、專用工業(yè)計算機、打印機、通訊總線等。

2.1 電源系統(tǒng)

總控制裝置、交換設(shè)備、行車控制裝置、剝鋅機控制裝置、刷洗機控制裝置等的電源為直流24 V。電源模塊采用AC220 V交流輸入，見圖3。經(jīng)隔離變壓器后，設(shè)置1臺UPS電源，然后將AC220 V電源送至交流轉(zhuǎn)直流電源模塊，輸出為直流24 V電源，電源模塊為標準導軌式安裝，可提供的電源能力為直流24 V，電流范圍從500 mA至40 A，同時有1.5倍的過負荷能力。

2.2 總控制裝置及交換設(shè)備

總控制裝置及交換設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖4。為保證控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定可靠，剝鋅生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用雙控制器作為總控制器，這2個控制器可實現(xiàn)在線自動切換。但在同一時間點系統(tǒng)要求只能有一個控制器能獲得對遠程IO站和總線的控制權(quán)限，所以要預先設(shè)定主控制器和備用控制器，由控制系統(tǒng)決定哪個控制器為主控制器，哪個控制器為備用控制器。主控制裝置的功能為確保控制系統(tǒng)的運行、通訊及數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)交換。而備用控制裝置的主要功能是實時監(jiān)視主控制裝置的運行情況，并且將控制系統(tǒng)運行中相關(guān)的一些重要數(shù)據(jù)讀入和存儲，一旦主控制裝置出現(xiàn)故障等異常情況，備用控制裝置可立即變成主控制裝置，原主控制裝置變?yōu)閭溆每刂破鳎鱾淇刂蒲b置熱備冗余，并可實時在線切換。

2.3 行車控制裝置

第一行車和第二行車控制裝置結(jié)構(gòu)圖見圖5。行車控制裝置通過以太網(wǎng)通訊電纜與輸入輸出模塊、行車行走電機變頻器、行車提升電機變頻器相連；通過光纖模塊把以太網(wǎng)通訊的電信號轉(zhuǎn)換成光信號后，用光纖把行車控制裝置和行車本體上的遠程IO站相連，遠程IO站包括輸入輸出模塊、稱重系統(tǒng)和提升電機編碼器。行車控制柜、行車配電柜、行車本體控制柜均設(shè)有1套電源系統(tǒng)，用于給控制器、輸入輸出模塊等提供DC24 V電源。第一行車控制裝置和第二行車控制裝置通過以太網(wǎng)通訊電纜與圖4的控制交換設(shè)備相連，構(gòu)成互聯(lián)互通的控制系。

2.4 剝鋅機控制裝置

剝鋅機控制裝置結(jié)構(gòu)圖見圖6。剝鋅機控制器通過以太網(wǎng)通訊電纜與輸入輸出模塊、剝鋅系統(tǒng)變頻器相連接。剝鋅機控制柜、剝鋅機配電柜均設(shè)有1套24 V電源系統(tǒng)，用于給控制柜內(nèi)的控制器和輸入輸出模塊等設(shè)備提供24 V工作電源。剝鋅機控制器通過以太網(wǎng)通訊電纜與圖4的控制交換設(shè)備相連，構(gòu)成互聯(lián)互通的控制系統(tǒng)。

2.5 刷洗機控制裝置

刷洗機控制裝置結(jié)構(gòu)圖見圖7。刷洗機控制裝置通過以太網(wǎng)通訊電纜與輸入輸出模塊、刷洗系統(tǒng)變頻器相連。刷洗機控制柜、刷洗機配電柜均設(shè)有1套電源系統(tǒng)，用于給控制器、輸入輸出模塊等提供24 V電源。刷洗機控制裝置通過以太網(wǎng)通訊電纜與圖4的控制交換機相連，構(gòu)成互聯(lián)互通的控制系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

STEP 7 V5.X是一款可編程控制器的編程軟件，用于控制系統(tǒng)的軟件編程、系統(tǒng)調(diào)試、狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置。利用該軟件平臺的硬件組態(tài)功能，能實現(xiàn)剝鋅生產(chǎn)線集中控制系統(tǒng)的主控制器、從控制器、剝鋅系統(tǒng)控制器、剝鋅系統(tǒng)I/O模塊、刷洗機控制器、刷洗機I/O模塊、第一行車控制器、第一行車I/O模塊、第二行車控制器、第二行車I/O模塊等硬件配置和參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)上電后利用軟件在線檢測功能，可對通訊總線進行實時監(jiān)測。

3.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計

3.2.1 動作邏輯

(1)控制系統(tǒng)控制第一行車和第二行車將待剝鋅的陰極板從電解槽吊裝至剝鋅機的傳輸鏈條上空；

(2)控制系統(tǒng)控制第一行車和第二行車將陰極板下放至剝鋅機的鏈條上；

(3)控制剝鋅機在進口處有待剝鋅陰極板、且行車已經(jīng)吊裝完成后，將待剝鋅的陰極板進行剝鋅操作，并在剝鋅操作完成后將已剝鋅的陰極板送出剝鋅機；

(4)控制行車在刷洗機已經(jīng)完成前一批的刷洗作業(yè)后，將已經(jīng)刷洗完畢的陰極板吊裝回電解槽；

(5)控制行車在剝鋅機已完成剝鋅流程、且刷洗機已完成刷洗流程后，將已剝鋅的陰極板吊裝至刷洗機：

(6)控制系統(tǒng)控制刷洗機將已剝鋅的陰極板進行刷洗操作，并將刷洗完畢的陰極板送至刷洗機出口；

(7)重復上述步驟，完成所有陰極板的吊裝、剝鋅和刷洗工作。

3.2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，依據(jù)行車任務、剝鋅機任務、刷洗機任務分別編制功能模塊，軟件主要包括系統(tǒng)功能、故障診斷、總線通信、邏輯運算等部分。剝鋅生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的軟件程序邏輯見圖8。利用PLC實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的處理及遠程IO模塊、變頻器與控制器的通信，實現(xiàn)剝鋅生產(chǎn)線的所有功能。

4 結(jié) 語

該文研究了剝鋅生產(chǎn)線的集中控制系統(tǒng)，介紹了剝鋅生產(chǎn)線的工作原理，給出了控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)，詳細描述了行車控制裝置、剝鋅機控制裝置和刷洗機控制裝置，進行了系統(tǒng)軟件設(shè)計。以自主開發(fā)的控制系統(tǒng)為核心，開發(fā)了完整的剝鋅生產(chǎn)線的集中控制系統(tǒng)，系統(tǒng)功能強大、可靠性高，能實現(xiàn)剝鋅生產(chǎn)線的全自動化操作及智能運行。