基于PLC的氧化铝粉末自动输送系统设计本科毕业设计论文文档格式.docx

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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0.4MPa～0.6MPa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5～10（质量比）,压缩空气耗量大,可达到30m³

/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15～20m/s,物料流速在10～15m/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500∶1,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　Q235A

容积　10m3

容器类别　Ⅰ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（DistributedControlSystem），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