電煅炭素生制品智能生產(chǎn)線建設(shè)

張紅亮，任 偉

（山西亮宇炭素有限公司鋁用炭素工程技術(shù)中心，山西 晉中 030600）

1 傳統(tǒng)炭素生制品產(chǎn)線工藝缺陷

炭素生制品生產(chǎn)一直沿用皮帶機(jī)、斗提機(jī)、螺旋機(jī)等傳統(tǒng)的流程設(shè)備串聯(lián)工藝設(shè)備來(lái)組織生產(chǎn)，普遍存在著工藝流程長(zhǎng)，粉塵泄漏點(diǎn)多，滯留料嚴(yán)重等影響生產(chǎn)環(huán)境和生制品質(zhì)量等問(wèn)題。具體體現(xiàn)在：

（1）工藝流程長(zhǎng)，流程設(shè)備多，不同品種的產(chǎn)品生產(chǎn)均配備有獨(dú)立的流程，物料的輸送完全依賴產(chǎn)線的硬件設(shè)備，更換品種就意味著切換流程，靈活性差，不利于生產(chǎn)的組織，同時(shí)維護(hù)工作量大，運(yùn)維成本高；

（2）流程設(shè)備多，輸送線長(zhǎng)，粉塵泄漏點(diǎn)多，混料嚴(yán)重，不利于生制品品種的切換，對(duì)生制品的質(zhì)量影響較大，環(huán)境污染嚴(yán)重；

（3）傳統(tǒng)的工藝與設(shè)備配置方式，安全隱患多，產(chǎn)線故障率高，生產(chǎn)效率低，一臺(tái)設(shè)備損壞將影響整條線的生產(chǎn)，生產(chǎn)管理困難；

（4）傳統(tǒng)的產(chǎn)線和控制方法，不利于工廠的精益化管理，產(chǎn)品質(zhì)量可控性差，生制品質(zhì)量波動(dòng)大，均質(zhì)性差。

因此，要實(shí)現(xiàn)生制品質(zhì)量穩(wěn)定可控，滿足下游企業(yè)使用要求，生產(chǎn)性能良好的炭素制品，就必須摒棄傳統(tǒng)產(chǎn)線的配置思路和工藝實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)施流程再造，用數(shù)字化、智能化技術(shù)改造流程，用精益化生產(chǎn)替代粗放的工廠管理。讓工廠在一個(gè)嶄新的產(chǎn)線平臺(tái)上從事生產(chǎn)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)的提升和管理水平的提升。

2 炭素生制品智能生產(chǎn)線建設(shè)思路

根據(jù)國(guó)內(nèi)炭素企業(yè)目前的產(chǎn)業(yè)狀況和市場(chǎng)需求，新建炭素生制品智能生產(chǎn)線要具備多品種切換生產(chǎn)（柔性生產(chǎn)模式）、粉塵泄漏少、安全環(huán)保、配方料均質(zhì)性好、質(zhì)量穩(wěn)定可控、品質(zhì)高，以及實(shí)現(xiàn)流程數(shù)字化、控制智能化的新型炭素生制品制造平臺(tái)。

炭素生制品智能生產(chǎn)線的建設(shè)主要有三個(gè)方面的內(nèi)容：

第一是智能流程設(shè)備和測(cè)控執(zhí)行設(shè)備的適應(yīng)性應(yīng)用等產(chǎn)線硬件設(shè)備設(shè)施的設(shè)計(jì)制造，這是智能生產(chǎn)線的物理基礎(chǔ)，也是生制品生產(chǎn)過(guò)程精確化執(zhí)行的基本保證。

第二是工業(yè)物聯(lián)局域網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)控設(shè)備、智能流程設(shè)備和智能管控平臺(tái)之間的互聯(lián)互通。主要包括：工業(yè)以太網(wǎng)和AGV無(wú)線AP等網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備設(shè)施，它智能生產(chǎn)線的信息橋梁。

第三是構(gòu)建一個(gè)具有良好的人機(jī)對(duì)話環(huán)境的智能管控平臺(tái)（地面指揮控制系統(tǒng)）。主要包括：AGV指揮調(diào)度、智能控制和算法以及顯示操作等軟硬件。它是整個(gè)智能生產(chǎn)線生產(chǎn)指揮控制中心，是實(shí)現(xiàn)適度智能生產(chǎn)方式的核心。

智能管控平臺(tái)對(duì)破碎、篩分、制粉、配料、物料搬運(yùn)、混捏、成型等生產(chǎn)過(guò)程中各要素、各環(huán)節(jié)實(shí)施精益化管控，可分析、判斷、決策控制任務(wù)，在智能設(shè)備設(shè)施的配合下更好的發(fā)揮人的潛能，讓管控平臺(tái)和機(jī)器智能與人的智慧融合，實(shí)現(xiàn)人機(jī)一體化。

生制品智能生產(chǎn)線是柔性化、網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)字生產(chǎn)流程，是生制品產(chǎn)線精益化生產(chǎn)的有效使能手段。能夠克服傳統(tǒng)生產(chǎn)方式普遍存在的粉塵泄漏、混料、滯留料、粉體純度波動(dòng)大，收塵粉過(guò)量等一系列的工藝難點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)量化操作、精準(zhǔn)控制、確保設(shè)備安全運(yùn)行的重要載體。

3 生制品智能生產(chǎn)線采用的主要流程設(shè)備

3.1 能夠在惡劣的導(dǎo)電粉塵環(huán)境下正常運(yùn)行的各類工業(yè)AGV

通常情況下，炭素中碎、配料和混捏生產(chǎn)流程呈多層縱向交錯(cuò)分布，樓層高、產(chǎn)線長(zhǎng)，空氣中導(dǎo)電碳粉含量高，易燃易爆，屬于危險(xiǎn)的工作場(chǎng)所，AGV（AGV是英文Automated Guided Vehicle的縮寫，即"自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車"）在此環(huán)境下工作、首先就要解決好防爆和防塵等問(wèn)題。

另外，使用AGV替代傳統(tǒng)流程設(shè)備，按規(guī)劃線路自動(dòng)行駛，搬運(yùn)各類原料，可以簡(jiǎn)化工藝流程，減少設(shè)備的配備數(shù)量，讓動(dòng)態(tài)輸送物料的過(guò)程，變?yōu)锳GV搬運(yùn)，并且在搬運(yùn)過(guò)程中物料是處于靜止?fàn)顟B(tài)，這對(duì)物料進(jìn)行各類參數(shù)的檢測(cè)和控制提供了便利，也是構(gòu)建數(shù)字化流程的基礎(chǔ)。

在炭素生制品特定的環(huán)境下，對(duì)AGV的具體功能要求是：能夠在惡劣環(huán)境正常穩(wěn)定工作、接受生產(chǎn)任務(wù)指令，并按指令進(jìn)行線路規(guī)劃和任務(wù)實(shí)施，可自動(dòng)尋址、自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)、避障、防撞和防墜，安全行駛。

AGV自帶負(fù)壓貨倉(cāng)，在線自動(dòng)充電，離線故障修理，可根據(jù)其載貨量的要求實(shí)施定量搬運(yùn)，依據(jù)所載物料質(zhì)量指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，能夠按照質(zhì)量和數(shù)量的要求完成原料、配方料和糊料的無(wú)泄漏保真搬運(yùn)。

生制品智能生產(chǎn)線中采用的AGV主要有：

（1）原料搬運(yùn)AGV。原料AGV（圖1）負(fù)責(zé)從原料庫(kù)或者是原料倉(cāng)搬運(yùn)各類生產(chǎn)原料至破碎系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、篩分系統(tǒng)進(jìn)行碾磨分級(jí)。

圖1 原料及配方料搬運(yùn)工業(yè)AGV

（2）配方料搬運(yùn)AGV。配方料AGV行駛在配料系統(tǒng)和混捏鍋之間，完成配方料搬運(yùn)，同時(shí)， 作為智能設(shè)備也可以替代配料系統(tǒng)完成配料任務(wù)。

（3）糊料搬運(yùn)AGV（圖2）。完成混捏鍋至成型機(jī)的糊料糊料搬運(yùn)。

圖2 糊料搬運(yùn)工業(yè)AGV

（4）生坯質(zhì)檢搬運(yùn)AGV（圖3）。對(duì)成型后的生制品進(jìn)行幾何尺寸測(cè)量和體積密度檢測(cè)以及溫度分布測(cè)量，并對(duì)合格及不合格品實(shí)施分類搬運(yùn)存放。

圖3 生電極質(zhì)檢搬運(yùn)工業(yè)AGV

3.2 AGV指令設(shè)計(jì)

AGV指令系統(tǒng)(圖4)的設(shè)計(jì)要按照各類AGV的任務(wù)類別來(lái)進(jìn)行，中碎原料和流程物料的搬運(yùn)可按照各振動(dòng)篩和配料倉(cāng)的具體位置設(shè)置站點(diǎn)，同樣的搬運(yùn)任務(wù)，可設(shè)置多個(gè)接料點(diǎn)和多個(gè)卸料點(diǎn)，途徑站點(diǎn)用來(lái)反饋AGV行駛方向和行駛位置以及判定是否加減速等，依照此方法可對(duì)配方料搬運(yùn)和糊料搬運(yùn)AGV進(jìn)行任務(wù)設(shè)置和指令設(shè)計(jì)。

圖4 工業(yè) AGV指令框

AGV載有無(wú)線通訊裝置，通過(guò)無(wú)線AP和地面指揮控制系統(tǒng)通訊，接受和發(fā)送指令，自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)完成接料和排料任務(wù)。

3.3 AGV行駛線路規(guī)劃

AGV行駛線路的規(guī)劃設(shè)計(jì)(圖5)，包括待機(jī)自動(dòng)充電站、行駛站點(diǎn)、高速站點(diǎn)、低速站點(diǎn)、暫停站和升降平臺(tái)站等，AGV接受不同的任務(wù)指令行駛和停靠不同的站點(diǎn)，執(zhí)行的任務(wù)也不相同。

圖5 原料搬運(yùn)工業(yè)AGV線路規(guī)劃

3.4 能夠配合AGV行駛完成垂直搬運(yùn)的升降機(jī)

AGV升降機(jī)(圖6)能夠按照AGV的行駛要求升降，完成AGV的垂直移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)跨樓層的物料搬運(yùn)和倒運(yùn)。

圖6 工業(yè)AGV升降機(jī)

作為AGV的升降平臺(tái)，安全可靠是AGV運(yùn)行的保障，所以升降機(jī)必須具備：平臺(tái)防傾斜和墜落、能在升降過(guò)程中自動(dòng)鎖定AGV，軌道自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，確保AGV安全運(yùn)行。

3.5 能夠配合AGV行駛完成水平轉(zhuǎn)向搬運(yùn)的轉(zhuǎn)向機(jī)

轉(zhuǎn)向機(jī)(圖7)作為AGV的轉(zhuǎn)向平臺(tái)，能夠確保AGC在平面四個(gè)方向自由行使，并要求軌道自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)以確保AGV安全運(yùn)行。

圖7 激發(fā)極化成果圖1:10000

圖7 工業(yè)AGV轉(zhuǎn)向機(jī)

4 AGV無(wú)線通訊系統(tǒng)

AGV在破碎、配料、混捏生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)自動(dòng)行駛需要和地面指揮控制系統(tǒng)及時(shí)交換信息，

保持有效的網(wǎng)絡(luò)連接，以應(yīng)對(duì)AGV在搬運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)的各類問(wèn)題。地面指揮控制系統(tǒng)需要及時(shí)了解AGV的任務(wù)執(zhí)行情況，并針對(duì)不同的狀況及時(shí)指揮協(xié)調(diào)AGV及上下游目標(biāo)設(shè)備。AGV和地面指揮控制系統(tǒng)的通訊，主要由地面無(wú)線AP和車載無(wú)線串口服務(wù)器組網(wǎng)完成(圖8)。

圖8 工業(yè)AGV無(wú)線通訊系統(tǒng)示意圖

無(wú)線AP設(shè)置在AGV行駛線路的沿途，對(duì)AGV實(shí)施信號(hào)全覆蓋。無(wú)線串口服務(wù)器安裝在AGV控制柜內(nèi)，以此建立起的無(wú)線連接具備漫游功能，AGV能快速切換信號(hào)連接，確保地面指揮控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)中的AGV保持信號(hào)暢通。

5 生制品智能生產(chǎn)線數(shù)字化流程及控制策略

炭素生制品生產(chǎn)的數(shù)字化流程包括了各工藝環(huán)節(jié)全過(guò)程的信息匯集，主要有AGV的各類信息、料倉(cāng)料量、糊料和焦油溫度、導(dǎo)熱油溫度、配方指標(biāo)、化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)等等。這些信息能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)生產(chǎn)的全過(guò)程，將生產(chǎn)過(guò)程量化，通過(guò)信息整合、分析、集成，提供給地面指揮控制系統(tǒng)顯示、判斷，為精益化生產(chǎn)和精確控制提供了保障，為智能控制奠定了基礎(chǔ)。

按照生制品生產(chǎn)工藝，可將流程分為四部分:

第一部分是原料破碎工序的數(shù)字化流程，在此流程中原料的搬運(yùn)、破碎的搬運(yùn)和篩分制粉的搬運(yùn)均由一臺(tái)原料AGV完成，AGV在接排料時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟貨箱負(fù)壓裝置阻止粉塵外泄，在排料完成后粉塵和物料一起排入目標(biāo)料倉(cāng)中，不再另外排放，整個(gè)搬運(yùn)過(guò)程定量控制，精確執(zhí)行，各料倉(cāng)均安裝有傳感器計(jì)量料量，量化生產(chǎn)，AGV按任務(wù)指令要求定量接料搬運(yùn)，在電不足或出現(xiàn)故障時(shí)，AGV自動(dòng)向地面指揮控制系統(tǒng)發(fā)出離線檢修申請(qǐng)，獲批后離線，備用AGV上線工作。

在該工序可根據(jù)配方要求，利用AGV的計(jì)量控制功能，提前進(jìn)行部分粒級(jí)的物料預(yù)配，縮短流程，降低混料概率，減少配料倉(cāng)的使用量，減少粉塵泄漏。流程示意圖見(jiàn)圖9。

圖9 原料破碎智能工序示意圖

第二部分是篩分制粉配料工序數(shù)字化流程，該流程的各類原料搬運(yùn)由原料AGV完成，配料完成后的配方料由配料AGV完成，各料倉(cāng)均設(shè)計(jì)為計(jì)量料倉(cāng)，制粉機(jī)的粉體純度實(shí)施定值控制，磨機(jī)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)，喂料定量控制，制成粉入倉(cāng)后自動(dòng)攪拌均勻，取樣分析后將粉體純度和粒度數(shù)據(jù)錄入地面指揮控制中心操作站，再根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整配料的工作配方，實(shí)施精準(zhǔn)配料控制，確保糊料塑性穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)糊料均質(zhì)生產(chǎn)。

配料AGV往返于混捏鍋和配料秤之間，進(jìn)行配方料的保真搬運(yùn)，在配料秤接料時(shí)，AGV啟動(dòng)負(fù)壓裝置，自動(dòng)尋址對(duì)準(zhǔn)無(wú)塵接料，行駛到混捏鍋對(duì)準(zhǔn)排料時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟混捏鍋上層鍋的鍋?lái)敵龎m器，待AGV排料完成后，收塵粉自動(dòng)返回混捏鍋，確保配方穩(wěn)定。流程示意圖見(jiàn)圖10。

圖10 篩分制粉配料智能工序示意圖

第三部分是混捏成型工序數(shù)字化流程，該流程使用糊料AGV進(jìn)行糊料搬運(yùn)，AGV貨箱設(shè)計(jì)有溫度傳感器測(cè)量糊料溫度，地面指揮控制系統(tǒng)依據(jù)此溫度進(jìn)行下一批次的糊料加熱控制，同時(shí)對(duì)貨箱糊料重量計(jì)量定量搬運(yùn)至擠壓成型機(jī)。粘結(jié)劑的投放采用高壓噴淋方式進(jìn)行，提高浸漬效果，穩(wěn)定糊料塑性。

擠壓成型后的電極或生炭塊由質(zhì)檢搬運(yùn)AGV進(jìn)行幾何尺寸測(cè)量、積密度檢測(cè)和溫度分布檢測(cè)，對(duì)合格品和不合格品實(shí)施分類搬運(yùn)冷卻存儲(chǔ)。流程示意見(jiàn)圖11。

圖11 混捏成型智能工序示意圖

第四部分是粘結(jié)劑調(diào)配工序流程，示意圖見(jiàn)圖12。

圖12 粘結(jié)劑調(diào)配工序示意圖

6 智能生產(chǎn)線地面指揮控制系統(tǒng)

地面指揮控制系統(tǒng)（圖13）是炭素生制品生產(chǎn)的核心，對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程實(shí)施統(tǒng)一管理和協(xié)調(diào)，通過(guò)它實(shí)現(xiàn)生制品生產(chǎn)制造過(guò)程的適度智能化、物料柔性化配送、AGV狀態(tài)跟蹤、生產(chǎn)優(yōu)化控制、固定設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、制品質(zhì)量追溯和管理等等。可對(duì)生產(chǎn)、設(shè)備、質(zhì)量的異常做出正確判斷和處置，管控一體化，確保生制品生產(chǎn)穩(wěn)定，質(zhì)量可控。

圖13 智能生產(chǎn)線地面指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

7 結(jié)束語(yǔ)

采用工業(yè)AGV作為炭素生制品產(chǎn)線的流程設(shè)備，簡(jiǎn)化了工藝，縮短了流程，減少了設(shè)備配置，對(duì)于按訂單生產(chǎn)的炭素生制品產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，柔性化的生產(chǎn)方式讓生產(chǎn)組織變得更加便利，數(shù)字化流程讓生產(chǎn)過(guò)程更加透明，量化了操作，執(zhí)行更加精準(zhǔn)，適度智能化的控制能夠讓制品質(zhì)量指標(biāo)穩(wěn)定，均質(zhì)化生產(chǎn)，智能生產(chǎn)線粉塵泄漏少，安全環(huán)保，清潔高效。