袁雄兵

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410011)

0 引 言

(1)技術(shù)背景

剝鋅生產(chǎn)是鋅冶煉過(guò)程中最關(guān)鍵最重要的工序，其工藝過(guò)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(yùn)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(lái)，之后通過(guò)叉車或者輸送設(shè)備將剝離下來(lái)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(guò)工人手動(dòng)將鋅金屬?gòu)年帢O板上剝離下來(lái)，這種吊運(yùn)和剝鋅的方法無(wú)法滿足鋅冶煉產(chǎn)能越來(lái)越大的需求，同時(shí)還造成對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重噪音污染及對(duì)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(yán)重制約了我國(guó)鋅冶煉的清潔高效降耗生產(chǎn)。2017年底國(guó)家發(fā)改委公布了鉛鋅行業(yè)準(zhǔn)入條件，對(duì)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(hù)、安全生產(chǎn)等方面做出了明確規(guī)定，這就迫切要求開(kāi)發(fā)一種高效智能的剝鋅生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)，來(lái)滿足鉛鋅行業(yè)準(zhǔn)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(kāi)發(fā)了一種基于自動(dòng)吊運(yùn)極板、自動(dòng)剝鋅和自動(dòng)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(yùn)設(shè)備(包括第一行車和第二行車)，見(jiàn)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(yùn)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(yùn)至刷洗裝置，同時(shí)，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(hào)系列電解槽中；圖中的箭頭方向即為陰極板的運(yùn)行方向，亦即為上述的自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線的工作流程方向。1號(hào)系列電解槽、2號(hào)系列電解槽、左右兩側(cè)2臺(tái)吊運(yùn)設(shè)備對(duì)兩側(cè)電解槽陰極板的吊運(yùn)、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(jiàn)圖2。剝鋅生產(chǎn)線的智能控制系統(tǒng)包括了專用打印機(jī)、專用工業(yè)計(jì)算機(jī)、刷洗機(jī)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(shí)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(jī)控制裝置和刷洗機(jī)控制裝置通過(guò)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(guò)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(jī)控制裝置、刷洗機(jī)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(jī)的動(dòng)作?？偪刂蒲b置可以接收各個(gè)控制裝置發(fā)送的設(shè)備運(yùn)行、工作狀態(tài)及故障信息，并可根據(jù)設(shè)備運(yùn)行、狀態(tài)及故障信息對(duì)剝鋅生產(chǎn)線的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制，從而可實(shí)現(xiàn)剝鋅生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化。工業(yè)計(jì)算機(jī)和專用打印機(jī)通過(guò)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(guò)以太網(wǎng)通訊總線與總控制裝置連接，總控制裝置再通過(guò)通訊交換設(shè)備把系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)送至工業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)接收工業(yè)計(jì)算機(jī)對(duì)自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線參數(shù)的設(shè)置，并控制剝鋅生產(chǎn)線自動(dòng)運(yùn)行，工業(yè)計(jì)算機(jī)可實(shí)時(shí)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(duì)自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線進(jìn)行參數(shù)設(shè)置或系統(tǒng)控制，打印機(jī)用于打印相應(yīng)的資料、文檔或報(bào)表。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(jī)控制裝置、刷洗機(jī)控制裝置、專用工業(yè)計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、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(jī)控制裝置、刷洗機(jī)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(jiàn)圖3。經(jīng)隔離變壓器后，設(shè)置1臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)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(shí)有1.5倍的過(guò)負(fù)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(jiàn)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(gè)控制器可實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)切換。但在同一時(shí)間點(diǎn)系統(tǒng)要求只能有一個(gè)控制器能獲得對(duì)遠(yuǎn)程IO站和總線的控制權(quán)限，所以要預(yù)先設(shè)定主控制器和備用控制器，由控制系統(tǒng)決定哪個(gè)控制器為主控制器，哪個(gè)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(yùn)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(shí)時(shí)監(jiān)視主控制裝置的運(yùn)行情況，并且將控制系統(tǒng)運(yùn)行中相關(guān)的一些重要數(shù)據(jù)讀入和存儲(chǔ)，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?，主備控制裝置熱備冗余，并可實(shí)時(shí)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(jiàn)圖5。行車控制裝置通過(guò)以太網(wǎng)通訊電纜與輸入輸出模塊、行車行走電機(jī)變頻器、行車提升電機(jī)變頻器相連；通過(guò)光纖模塊把以太網(wǎng)通訊的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)后，用光纖把行車控制裝置和行車本體上的遠(yuǎn)程IO站相連，遠(yuǎn)程IO站包括輸入輸出模塊、稱重系統(tǒng)和提升電機(jī)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(guò)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(jī)控制裝置

剝鋅機(jī)控制裝置結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖6。剝鋅機(jī)控制器通過(guò)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(jī)控制柜、剝鋅機(jī)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(jī)控制器通過(guò)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(jī)控制裝置

刷洗機(jī)控制裝置結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖7。刷洗機(jī)控制裝置通過(guò)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(jī)控制柜、刷洗機(jī)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(jī)控制裝置通過(guò)以太網(wǎng)通訊電纜與圖4的控制交換機(jī)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(jì)

3.1 軟件開(kāi)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(tái)的硬件組態(tài)功能，能實(shí)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(jī)控制器、刷洗機(jī)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(cè)功能，可對(duì)通訊總線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.2.1 動(dòng)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(jī)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(jī)的鏈條上；

(3)控制剝鋅機(jī)在進(jìn)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(jìn)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(jī)；

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

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

(7)重復(fù)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(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，依據(jù)行車任務(wù)、剝鋅機(jī)任務(wù)、刷洗機(jī)任務(wù)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(yùn)算等部分。剝鋅生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的軟件程序邏輯見(jiàn)圖8。利用PLC實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的處理及遠(yuǎn)程IO模塊、變頻器與控制器的通信，實(shí)現(xiàn)剝鋅生產(chǎn)線的所有功能。

4 結(jié) 語(yǔ)

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(xì)描述了行車控制裝置、剝鋅機(jī)控制裝置和刷洗機(jī)控制裝置，進(jìn)行了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。以自主開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)為核心，開(kāi)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(qiáng)大、可靠性高，能實(shí)現(xiàn)剝鋅生產(chǎn)線的全自動(dòng)化操作及智能運(yùn)行。