物料氧化铝的输送作业

1、第一章 绪论1绪论1.1设计背景和意义1.1.1背景在电解铝厂的生产运转过程中,对物料氧化铝的输送作业流程十分注重1。这种情形在大型预焙槽日益发展推广的今天，厂方的生产规模也持续性的增扩，鉴于此，物料的输送及过程控制在很大程度上制约着电解生产铝的稳定性及氧化铝的转换率1。所以，设计稳定且可靠性高的控制系统越来越重要1。氧化铝的物料输送技术先后发展了三种，其中超浓相输送是最新技术，它是在稀相输送和浓相输送技术应用之后才兴起的1。基本原理就是通过运用氧化铝的基本特性，其中包括良好的流动性以及充气性，在流化床设备上经过相关处理以后的氧化铝变成了很小的颗粒，该颗粒小到可以悬浮起来。运送颗粒的原理首先是

2、将待电解的氧化铝物料转换成固气两相流体,再利用物料送入送出口设计存在的压差或高度差最终完成运送 1。1.1.2意义在电气传动技术日益进步的今天，变频调速技术的突破更是突飞猛进，在物料储运系统这一大容量传动系统中，中高频调速技术被极为推崇，它的应用极大程度地改善了电解铝的生产工艺水准，使得氧化铝物料的平稳运输的条件日趋完善，符合生产工艺所需，同时使得系统可靠，故障量减少，由此产生的经济效益是让人满意的2。1.2设计目的开展本次研究设计，所要着重进行解决难点如下：(1)提升动力系统产生的风压的稳定性，削弱或避免物料的跑、冒及漏料现象的产生，改善人力、物力的有效利用率；(2)通常情况下要想实现高压分

3、机风压的调整，由于其运转速度不可调，只能通过变更阀门的闭合程度来完成，电能浪费现象严重而且精度低。1.3国内外研究现状超浓相输送技术于30多年前由美国的一位气力输送专家发明，该发明最开始是被法国彼施涅(pechiney)铝业公司所应用1。在进行物料的超浓相输送环节里，所有在溜槽内的物料处于静态平衡，且蓄能流态化，能以此种状态存在，是由于物料颗粒间存在有具有一定压力pf的气体，该气体能量来源于风源供给3 。处于此种状态的物料在料斗中进行排料动作时，由于物料颗粒间存在一定压力并能以空气膨胀的形式进行释放，当料斗料面上方出现空间即需要进料时，此时物料颗粒在自重的影响下加之压力的作用呈流态化进入料斗内

4、3。上述料室中的物料进入料斗的动作将重复进行，直至物料顺着溜槽到达贮槽设置的供料点，再进一步将物料由此转送到排料点3。系统动力风源的压力大小会对物料的静态平衡产生一定影响，同时还能够导致蓄能流态化，如果动力风源没有足够的压力，就使得物料的流动性动作不能实现；而动力风源输出的风压太大，又会使得物料在电解槽内发生冒料现象，极大程度地影响着物料输送能力。因此，我们要想真正意义上实现超浓相输送技术，离不开对动力风源的风压与物料间最佳匹配关系的探索研究，二者能否实现最好的平衡关系，是技术实现与否的关键所在3。鉴于超浓相输送技术的诸多优势特点，该项新兴技术已被大范围应用于国外发达国家的。铝厂，而在我国的使

5、用状况则不是很乐观，仅有屈指可数的几家单位在使用。氧化铝的输送方式经过多年来的发展历程，已经形成三种主要的物料输送技术，包括稀相输送技术、浓相输送技术及新近的超浓相输送技术。稀相输送技术的关键点在于使用漩流喷射的方式，将物料直接由储存仓室中输送到高位料仓中4。而浓相输送技术所具有特点是：具有长的运送距离，所需的输送压力不大，喷射的气流平稳、速度不高，物料流动速度低等4。超浓相物料输送技术是在前两种技术应用发展后兴起的一项新的物料运送方式4。它的基本原理是根据氧化铝的相关特性，包括优良的流动性以及充气性，氧化铝在经过了相关的处理以后变成了非常小的颗粒。再利用物料送入送出口设计存在的压差或高度差最

6、终完成运送4。第1章 总体设计方案2.1浓相输送2.1.1浓相输送工作原理浓相输送可归为气力输送一类，其实就是该类中的静压输送技术,使用特制的内外套管进行组合，通过压缩管内空气产生压力推动物料呈非悬浮状栓状行进，从而将所需物料运送到净化贮存仓内，该物料输送方式具有低能耗、不易造成管壁磨损，同时使氧化铝破损减少5。通常情况，此种输送技术的输送管道内的风速通常设计成3m/s,物料跟气体比例不低于29。鉴于基于浓相输送技术设计而成的输送系统装置，优点明显，能实现可靠高效地物料输送、同时装置密闭性能良好，耗能不高，已被大范围的铝厂所接受，用来进行氧化铝物料的运送环节5。2.1.2 浓相输送存在的缺点(

7、1)氧化铝物料输送过程中，存在的跑、冒及漏料的明显不足,造成工厂人力、物力的极大耗损。(2)进行动力风源的风压调节时，需在阀门的离合程度改变的情况下才能实现，电能浪费现象严重而且精度低。2.2超浓相输送基本原理及框图2.2.1超浓相输送工作原理采用超浓相输送技术所能实现的是使粉体状的物料呈流态化，其流态化具体做法是在输送装置工作过程中，在风压作用下使某特定量的气体被冲入到粉体状物料内，进而使其流态化。此时的物料在气体作用下流动性良好，且在一定条件下能进行定向移动。系统运转时，风机产生的低压风经由风管传到气室，在特定透气版的影响下，上层的氧化铝被均匀分布，然后流态化，而作用完成的低压风经由排气箱

8、离开系统。在经过以上的一系列处理以后，氧化铝变成了一种流体。所以，处于高位的氧化铝可以把重力势能转换为动力势能，最后再运用动力势能运输物料。图2-1展示的便是系统的工作流程：氧化铝高位料仓排气布袋料室液态料风风风风透气板气室料图2-1 超浓相输送工作流程图2.2.2超浓相输送系统的组成超浓相输送系统指的载氟氧化铝贮槽的出口到电解槽料箱进口这一区间内的所有设备装置的总称，其组成包括这一运转区间内的所有装置，除了这些以外，还有风动溜槽被包括在其中。2.3电解铝超浓相输送控制系统设计方案2.3.1设计要求（1）减少氧化铝单耗，输送系统要稳定，无跑料现象。（2）防止风动溜槽粉料输送不畅或堵塞2.3.2

9、设计方案系统的目的是通过plc控制变频器实现变频调速，从而控制交流电机的正反转、起停、加速、减速以及速度的大小，并且能在触摸屏上直接进行操作，控制电机调速。系统的基本结构如图2-2所示变频器plc触摸屏压力传感器离心风机图2-2 基本结构框图系统包括3个主要的部分：1 执行机构：执行机构由一台变频风机和两台工频风机组成，它们的作用在于将风鼓入特定的输送管道。变频风机具有变频调速器，可用来实现风机转速的变频调整，即其转速可随所需风量进行动态变化，从而获得恒定风压的管网状态；工频风机则缺乏变频调速的能力，它要么是在启动的状态下，要么实在停止的状态下，适合于在变频风机最大风量不能满足需求的情况下工作

10、。2 信号检测机构：为使系统运行状态可控，在其运转时，其管网的风压及报警信号应该被检测。风压信号对应的是系统中输送管道内的风压值，是实现恒定供风控制的主要信号反馈源。为了获得高可靠性的系统，还需用电接点压力表检测输送管道的上限压力和下限压力，检测结果以数字量的形式输入到pl。另外，报警信号是一开关量信号，它所反映的是系统及相关组成部分是否运转正常。3 控制机构：供风控制器、变频器及电控设备共同组成了供风控制系统。在变频恒压供风控制系统中，供风控制器是其关键部分。该部分可以直接读取到系统的种数据信息，并进行算法分析，进而使变频调速器及接触器获得控制执行机构的方案并执行；变频器作用在于对离心风机转

11、速进行控制，其所接收的是供风控制器的反馈信号，进而实现调速风机运行频率的控制，控制调速风机的转速。3系统硬件设计3.1变频调速系统3.1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理三相交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的装置。电机一般由两部分组成:固定的部分称为定子，转动的部分称为转子。它的工作原理采用了著名的电力学定律，导杆由于受到磁力线的作用，能够感应到电动势。怎样才能确定电动势的方向，我们使用的是右手法则。由于运动不是完全静止，而是具有相对性，假如磁极静止不动，转子导杆就会逆时针旋转，因此在导杆上也会产生感应电动势，在电动势的影响下，导杆内部会出现电流，电流和磁场之间的关系不是独立存在的

12、，而是相互之间存在作用力，电流的大小会被磁场影响，而磁场也会影响电流的大小，且他们都受电磁力的影响。用左手的规律来决定电磁力的方向。电磁力进而产生电磁转矩，转子转动。3.1.2 变频调速原理变频器可以分为四个部分，如图3-1所示。变频器一般是主电路和控制回路组成的。主电路是提供给异步电动机调压调频电源的电力变换的部分。主电路由整流器、平波回路和逆变器组成。图3-1变频器简化结构图 整流器。实现工频电源到直流电源的转换。 平波回路。由于逆变器所承受的是感性负载，即异步电动机，无论其是电动状态还是发电状态，刚开始的时候，功率因素与1不一样，所以，就会发生无功功率交换的情况，这种无功能量需要储存在电

13、感器或者是电容器里。 逆变器。实现直流功率到指定交流功率的转换7。 控制回路。主要用于实现控制逆变器的开关状态、控制整流器的电压。控制主要采用两种方式来进行：第一种是数字；第二种是模拟。3.1.3 变频调速的基本控制方式 普通控制型v/f通用变频器 普通控制型v/f通用变频器采用的是转速开环控制模式，不需要添加速度传感器，实现控制的电路不复杂；考虑到通用性，选取的是通用标准型异步电动机，性价比比较高，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式8。 具有恒定磁通功能的v/f通用变频器为了克服普通控制型的v/f通用变频器对v/f的值进行调整的困难，如果采用磁通反馈，让异步电动机所输入的三相正弦电

14、流在空间产生圆形旋转磁场，那么就会产生恒定的电磁转矩。这种控制方法叫磁链跟踪控制。 矢量控制方式矢量控制方式可以根据是否有速度传感器来进行分类，我们把它分成两类，有速度传感器的我们把它称之为速度传感器矢量控制，没有速度传感器的我们把它称之为无速度传感矢量控制。调节速度的装置是运用矢量控制方式，可以实现系统电动机的转矩精确设置和调整，进而获得较高的性能，电机本身参数对装置性能影响不大8。不同的控制方式取决于调速范围，范围大的则可选用有速度传感器的矢量控制方式，反之，选用无速度传感器的矢量控制方式。3.2 plc及其扩展模块的选型在整个变频恒压供风控制系统中，其关键部分是plc，它做承担的任务包括

15、：获取系统的全部输入信号，控制系统的所有输出执行单元，完成恒压控制及与外界进行数据互通9。鉴于其重要性，在设计过程中，对于plc的选型可从以下几方面入手：3.2.1输入输出（i/o）点数的估算通常在进行i/o点数估算的时候，应在所需的总点数的基础上增加一定的点数余量。同时，在实际操作过程中，还要考虑供应商产品的特点。3.2.2存储器容量的估算这里我们所谓的存储器容量指的是硬件存储单元容量的大小，通常的，程序容量在设计初始阶段是不知道的，只有在开展程序调试后在能确定你大小。为了能够正常开展系统的设计工作，在最开始进行设计的时候，我们要对其进行估算的，一般情况下我们可以使用估算存储器容量大小的方法

16、来改系统进行估算。从已有经验来看，没有既定的公式能够准确地实现存储器容量的估算，凭的是设计经验尽可能的使其容量大小为数字输入输出点数的10倍以上，并附加模拟点数的100倍大小10。同时再将所得估算增加四分之一的余量10。3.2.3控制功能的选择对于plc控制功能的选取应包含以下相关特性：(1)运算功能根据plc的难易程度，其所具备的功能也有所不同，往往简单的涵盖了基本运算功能，随着其难度的增加，其所蕴藏的功能也更高级，更能适应复杂多变的应用环境11。随着系统开放程度地提升，目前市场上已经出现具有同级通信乃至于上、下位机、局域网等进行互联通讯功能的plc系统11。但我们在进行设计过程中，对其的选

17、型还是要尽可能多的切合实际应用需求，选择合适的运算功能11。比如通常的应用场景中，只需要plc具备简单的逻辑运算和计数功能，就不需要选取那些包含数据传输分析、或含有其它高级运算功能的系统，避免发生有很多的功能没有被使用，产生资源浪费的现象。(2)控制功能pid的控制运算是控制功能最常使用的一种方式，它可以实现前馈补偿的控制运算等， 不管怎样，对于控制功能的选取应以系统需求相适应11。plc的一大主要应用就是实现逻辑控制的顺序性，所以，在我们所见到的一般场景应用中，对于模拟量的控制通常使用的是单回路或多回路控制器来实现，当然在另一些特殊、高级的应用场景中，也会采取对输入输出单元进行智能控制的特制

18、模块来处理，以获得具有快速处理功能和储存器容量利用率高的plc系统11。(3)通信功能除了小型的plc系统，其他的功能应该具备兼容通信协议，在对的时间和管理网对接。其所具备的通信协议标准，应与相关通信标准要求一致，通信网络应该具有开放性12。选取的plc系统应具有多种形式的通信接口，以满足不同场景应用需要12；对于大中型plc系统的通信总线应符合相关国际总线标准，在进行配置时应该设有1比1的冗余量，其可通信距离也要与装置实际应用场景相匹配12。在应用plc系统进行通信网络构建时，一般的对于上级的网络通信速率是有要求的，通常情况其速率不低于1mbps，通信应有超过40%的可再通信冗余量。实现pl

19、c系统的通信网络形式主要有以下四种12：1）pc为主站，多台同型号plc为从站，组成简易plc网络；2）1台plc为主站，其他同型号plc为从站，构成主从式plc网络；3）plc网络通过特定网络接口连接到大型dcs中作为dcs的子网；4）专用plc网络（各厂商的专用plc通信网络）12。在满足系统功能需求的前提了，从实际网络构建需要出发，通过合理选择有针对性功能的通信处理器，尽量减少cpu需要承担的通信负荷，提升cpu的工作效率。(4)编程功能plc具有离线编程功能，具体实现形式是：虽然cpu是plc和编程器的共用资源，但当编程器处于编程环境下时，cpu只对其提供数据处理响应，不再参与现场装置

20、控制环节12。只有在编程结束，编程器重新处于运行状态时，cpu才发挥现场控制功能，此时编程功能失效12。该方式优点在于能获得较低的系统成本，但是其缺点也很明显，即不利于快捷地进行调试及使用12。plc的另外一种编程方式就是可进行在线编程，即cpu和编程不再共用同一个cpc，二者能独立执行对应功能，且现场控制与编程器间的数据交换十分迅速且及时，具有一定实时性12。具有该编程方式的系统一般成本耗费大，但是其优点在于可方便快捷的实现系统操作和调试，适合应用于大中型plc系统中12。五种标准化编程语言：顺序功能图（sfc）、梯形图（ld）、功能模块图（fbd）三种图形化语言和语句表（il）、结构文本（

21、st）两种文本语言12。选用符合相关标准的编程语言进行编程（iec6113123），另外为应对不同控制场景的需要，还应该兼容标准外的其它编程语言的进行编程应用12。(5)诊断功能在plc的的应用过程中，通常都需要其具备一定的诊断功能，不仅仅要求诊断硬件条件，同时还要诊断软件系统。诊断水平越高，对操作人员和维护人员的专业能力要求也越高，反之，诊断水平越低，对操作人员和维护人员的专业能力要求也越低。还制约着维修系统的平均耗时12。(6)处理速度我们所知道的，扫描工作模式强调是实时性，而plc就是以此种方式进行运转的，所以要求plc要具有迅速的数据处理速度，避免产生信号数据丢失的现象11。而用户所编

22、制的应用程序容量及质量、cpu处理性能的到低等都是制约处理速度提升的因素11。眼下，市场上出现的plc，其接点对于每条二进制指令具有纳秒级的执行时间，具备了快速响应的能力，能够与高控制要求、快速响应的控制场景需求相适应11。同时对于不同的plc，其对扫描周期的要求也不同，越是大中型的plc系统，对扫描时间周期要求越高。11。针对本课题设计的恒压供风系统具有结构并不复杂的特点，同时变频恒压供风系统模拟量有5个，数字量信号由12个，并结合上述选型特性描述，我们可以选用西门子公司的s7-200。3.2.4西门子s7-200简介s7-200型的优点是性能优异，体积较小，它进行了最佳的模块化设计，可实现

23、开放式通讯功能，其所配备的cpu具有完备的基本及高级运算功能，且程序及数据存储器容量大，具有优秀的实时响应能力，该型号plc系统的这些特性，使得它成为有限空间里设计的理想选择，而且由它所实现的控制不受时间制约，可使系统的效率、质量及安全性得到极大提升，同时配备有易学习的工程软件，接口兼容性也不错，是操作步骤变得简单。该系统通过pc/ppi电缆实现与上位机的通讯，且完美兼容点对点接口协议，同时采用的pc/ppi电缆具有系统到上位机接口的快捷转换功能，对程序的安全保护设有多级口令模式。根据实际开发过程中所需要的端子数目量，我们可以选用s7-200型plc，它可以做到16点的开关量输出，并使用交流2

24、20伏的输出模式；输入方向的是24点开关量，输入端使用的直流，电压为24伏。根据实际要求模拟量输入、输出数目各一个，需要用到模块em235进行扩展，其模拟量输入输出个数符合要求。另外的输入输出信号接入端口可实现模拟量到数字量自动转换，能将输入的标准信号转换成特定字长的数字信号；而对应的信号输出端口实现的是数字量到模拟量的自动转换。该模块还可以根据输入的标准信号异同，进行dip开关设置。所选的s7-200型plc系统，具有比较高的可靠性，编程语言选择面大，有三种可用。该型plc具有很多的优点，比如功能非常完善，操作起来比较简单，很容易就掌握到它的使用技能，同时内部预置有各种高速运算模块，兼具多种

25、接口形式，及大容量的数据储存空间。（1）基本单元s7-200系列plc中可提供4种不同的基本型号的8种cpu供选择使用.（2）西门子s7-200系列plc扩展单元s7-200系列plc主要有6种扩展单元，它本身没有cpu，只能与基本单元相连接使用，用于扩展i/o点数.（3）编程器plc在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入plc中，在调试过程中，进行监控和故障检测。s7-200系列plc可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。通常的，简易型编程器具有小巧、简单实用、成本低等特点，能比较好的切合现场编程及监测所需，但其缺点也比较明显，显示

26、功能不够完善，输入方式仅限于指令表形式，可操作性有待提高。而智能型编程器是通过计算机进行的编程，可实现梯形图语言程序编制，同时还可以在线进行实时监测。s7-200系列plc的专用编程软件为step7-micro/win。（4）西门子s7-200系列plc程序存储卡为了保证程序及重要参数的安全，一般小型plc设有外接eeprom卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入plc，也可将plc内的程序及重要参数传到外接eeprom卡盒内作为备份。程序存储卡eeprom有6es7291-8gc00-0xa0和6es 7291-8gd00-0xa0两种，程序容量分别为8k和16k程序步。（5）西门子s7-

27、200系列plc写入器写入器的功能是实现plc和eprom之间的程序传送，是将plc中ram区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将plc中程序存储卡中的程序通过写入器传送到ram区。（6）西门子s7-200系列plc文本显示器文本显示器td200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入/输出量。文本信息的显示用选择/确认的方法，最多可显示80条信息，每条信息最多4个变量的状态。过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。td200面板上的8个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。

28、 3.3变频器变频器可以直接充当执行控制系统的角色，调整频率的大小可以改变电机转动的速度，还可以改变供风量的多少，通常情况下，其选型由风机电机的功率及电流决定。为了满足监控日常工作的需求，我们要求变频器必须拥有通讯能力。变频器可根据控制功能不同分为：普通功能型u/f控制变频器、高功能型u/f控制变频器、矢量控制高功能型变频器等三种类型。另外根据供风系统的负载类别，风机类具有低速转矩小的特点，所以选择u/f控制形式的变频器，其经济性较为理想。结合所选的plc类别，为了使其与变频器能进行快捷通讯，我们选择同一公司的micromaster440变频器作为设计所需。micromaster440变频器由

29、西门子有限公司出品，是一款具有广泛应用基础的功能全面的标准型变频器13。变频器运用了矢量控制技术，尽管在速度比较低的条件下还是能够高转矩输出，再加上具有明显的动态特性，能够支持高强度过载，可适应大范围的应用场景13。另外兼具非常灵活的内部功能互联特性13。除此，该变频器采取模块化设计理念，符合相关低电压规范的要求，并获得过多个国际使用方认证13。1 具有的主要特点该款变频器最主要的特点就是调试起来非常简单，比较容易操作，因为模块化设计,所以具有超高灵活性的组态;多数字量输入且可编程并带电位隔离;可进行模拟量输入标定;可进行模拟量编程输出;可进行继电器编程输出；电动机在高调制脉冲频率作用下运转时

30、，噪声小，同时脉冲频率可进行分级调整；具有完善的保护功能等。2 具有的主要控制功能该款变频器具有的主要功能有：控制功能模式、执行方式多样13;标准化：体现在参数结构及调试软件方面;输入是数字模式，输出是模拟模式；i/o端子板独立是独立存在的，更便于日常维护;以bico技术为依托,i/o端口间互联灵活;系统预置有pid控制器，参数能进行自整定;具有的固定频率、跳转频率数量可观，能进行编程控制；能进行主/从控制及力矩控制方式;自动重启功能等等。3保护性能该款变频器可以保障在过压环境下或者是欠压环境下正常工作，同时在温度过高的环境下性能也正常，该保护信号由数字输入端接入ptc或kty来监测获取13。

31、同时设计有对电动的各种保护功能，以求电动机正常稳定工作13。在恒转矩运行模式下，其过载能力如下:(1)0.12kw到75kw,150%的载电流(60s),200%的过载电流(3s)13;(2)90kw到200kw,136%的载电流(57s),160%的过载电流(3s)13;(3)5.5kw到90kw,110%的载电流(60s),140%的过载电流(3s)13;(4)110kw到250kw,110%的载电流(59s)，150%的过载电流(1s)13。根据过载周期的时间限制，所允许值是300s。为达到这一要求，选用匹配的西门子变频器，用其rs-485通信协议和接口直接与所选的plc对接，这样设备之

32、间的通信速度也可以得到提升。mm440变频器的性能如下，该变频器的控制处理器采用的是未处理控制器，它的优点是功能比较强，可靠性比较高，开关频率调制时可进行脉冲宽度选择，从而改善电机运转所带来的噪声，变频器、电机保护功能有效13。当配备显示器、操作键盘后，将dip开关处于on位，参照实际应用对象的特性，完成变频器的参数的匹配设置，该设置是通过参数号及指定的参数属性从而完成各个参数的识别13，参数号针对每个具体的控制系统是具有唯一性的，另外，一种属性可进行多次分配，所以会出现同一属性对应多个参数的情形13。图3-2 mm440变频器性能特征其主要的参数范围可以按照p0004的设置进行如下分类，0=

33、常用，全部参数，2=变频器，变频器内部参数（02000299），3=电机，电机参数（03000399和06000699），4=编码器，转速编码器参数（04000499），5=技术应用，技术应用/装置（05000599），7=命令，控制命令数字i/o（07000749和08000899），8=端子，模拟输入/输出（07500799），10=设定值，设定值通道和斜坡函数发生器（10001199），12=功能，变频器的功能（12001299），13=控制，电机开环/闭环控制（13001799），20=通讯，通讯（20002099），21=报警，故障报警监控功能（21002199），22=工艺控制，生

34、产过程工艺参数控制器，pid控制器（22002399）。具体参数如下表：表3.1 mm440变频器参数3.4压力传感器压力变送器的作用在于完成输送管道中风压的检测，而输送管道中的风压转换成特定的模拟量信号是通过压力传感器及压力变送器来实现的，转换获得的信号充当a/d模块的输入信号，同时为了避免信号在传送时受到干扰及衰减，需对压力变送器的输出限定在一定范围内14。在系统工作运行时，当二者都工作异常，运行过程中，存在所有风机都被开启但风量又不达标的可能，致使管道内风压上升，为了避免产生不好的后果而使装置受损，此时plc的数字输入量由供风系统输出的电极点压力表的压力上限提供，当压力超出范围值时，所有

35、风机关闭并进行告警信息的输出14。综上所述，由数显仪进行压力的显示，选取普通压力表进行压力的变送15。数显仪输出一定范围的电流信号充当pid调节的反馈电信号，进而完成压力上限值、下限值设置，压力的超限信号由两路继电器进行控制并输出15。3.5离心风机的选型在进行离心风机的选型时，要对其各个参数进行综合考虑。考虑实际工作环境中，过大的离心风机运行噪声对环境中出现的工作人员会造成健康伤害，就要对设备进行必要的降噪减震处理；另外，在满足使用要求的前提下，尽可能地使用单台离心风机，不建议多台串联或并联工作，而对于一些特殊应用场合，出现多台风机时也要选择同型号性能一致的风机进行组合，并在串联的两级风机之

36、间进行管路连接设计。当进行离心风机安装时，其钢架必须在混凝土基座上实现固定，二者安装面间还要进行必要的减震处理；同时安装基座要平整、牢固，高度适中；为了削弱机体所产生的震动的影响，需在进出风口位置设置阻燃软管，同时对其管横截面积予以限制，避免其被吸入风机内；并且对于进出风口的管道要进行独立的支承设计而不是将其承重置于风机上；为避免异物从进、出风口进入，在两个位置处要设置防护过滤网；而针对户外使用，根据排风口朝向，要合理设置挡雨结构；另外出风口径要大于进风口径，且进风口的连接软管固定要松紧适当且可靠。3.6系统主电路分析及其设计构成本系统的主要硬件设备如下所述：(1) 压力变送器、(2)plc及

37、其扩展模块、 (3)变频器、 (4)离心风机机组 。2主要设备选型如表所示： 系统主要硬件设备清单表 表3.2系统主要硬件设备清单基于plc的变频恒压供风系统主电路图如图所示：三台电机分别为m1、m2、m3，它们分别带动风机1#、2#、3#。接触器km1、km3、km5分别控制m1、m2、m3的工频运行16；接触器km2、km4、km6分别控制m1、m2、m3的变频运行；fr1、fr2、fr3分别为三台风机电机过载保护用的热继电器16；qs1、qs2、qs3、qs4分别为变频器和三台风机电机主电路的隔离开关；主电路的熔断器为fu。系统采用三个风机循环变频运行方式，即3台风机中只有1台风机在变频

38、器控制下作变速运行，其余风机在工频下做恒速运行16，在用风量小的情况下，如果变频风机连续运行时间超过3h，则要切换下一台风机，即系统具有“倒风机功能”，避免某一台风机工作时间过长16。因此在同一时间内只能有一台风机工作在变频下，但不同时间段内三台风机都可轮流做变频风机16。图4-5 变频恒压供风系统主电路图3.7 plc的i/o端口分配及外围接线图1开展基于plc技术的变频恒压供风系统设计，系统需满足的基本要求如下：(1) 为适应不同的氧化铝运送量需求，本系统需设计两种风机工作模式，即一种是高恒压模式，一种是低恒压模式，两种模式具有不同的风压值。执行高运送量工况时，系统运行在高恒压值状态；低运

39、送量时，系统运行在低恒压值状态。(2) 当系统仅有一台变频风机长时间运行时，倒风机进入工作模式。(3) 系统中各风机的启停状态控制，应以最开始启动的先停止，最先停止先启动为原则。(4) 对于三台风机的启动要设置软启动功能，能进行手动或自动操作，而在突发情况或维护时可进行手动控制。(5) 系统应进行全面的报警功能设计。依据上述要求，所设计的变频恒压供风控制系统的输入输出信号的信息如下表所示。 表3.2 plc的i/o端口分配表2输入输出点代码及地址编号图4-5展示了plc及扩展模块的外围接线情况：图4-5 plc及扩展模块外围接线图上图并不完整，应从以下几方面加以完善：(1)增加关于输出的保护措

40、施 ；(2) 明晰直流电源所蕴含的容量大小；(3)完善对于电源的抗干扰处置措施；（4）对系统提供必要的保护机制等。4软件设计根据硬件设计结果，并结合系统控制要求，开展软件设计、分析：1 由“恒压”要求出发的工作风机组数量管理系统运行时，当风压出现下降需通过提升变频器的输出功率以使风压恒定，如果一台风机不能实现恒压，则要使第二风机处于运行状态。如果变频器的输出频率达到设定的上限值则启动新风机。可通过比较指令实现这一功能。在程序中应采取时间滤波滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，来判断变频器工作频率达上限值的确实性。2 程序的结构及程序功能的实现通常的，模拟量单元及pid调节功能的实现，离不

41、开初始化及中断程序的运行，该程序可分成三种17。初始化子程序顾名思义，运行该程序就能执行系统的初始化工作，扫描时间快17。pid所控制的定时采样及输出离不开定时器的中断执行命令17。主程序较为复杂，所涵盖的功能也最多、最全面17。应用数字方式可直接在程序中对高恒压、低恒压模式给定不同的恒压值17。对于两个恒压值的设定有一定的要求，前者的设定值在满量程范围内应留有10%的余量，后者是30%的余量17。4.1 plc程序设计在进行plc控制程序开发时，采用西门子公司开发的专用软件作为编程开发平台。我们所熟悉的语句表、梯形图及功能块语言组成了该软件的相关指令集18。各种语言都有其优缺点，在程序设计时

42、可以根据程序实现的功能要求，合理选择其中或多种进行程序设计，而且每种语言的难易程度不同，适合于不同知识技能层面的人员应用所需。通常plc控制程序在计算机上完成编制，再通过选定的电缆将主程序和相关子程序转录到plc芯片中，通过执行主机的循环扫描程序，并不间断地执行用户程序来控制任务的最终实现19。4.2控制系统主程序设计plc主程序主要由系统初始化程序、风机电机起动程序、风机电机变频/工频切换程序、风机电机换机程序、模拟量(压力、频率)比较计算程序和报警程序等构成。4.2.1系统初始化程序在系统一开始运行的时候，系统首先要进行的是各部分工作状态的初始化检查，检查出问题状况就要执行报警命令，然后再

43、对变频器、pid控制的各参数进行原始赋值处理，最后再使中断终止20。该初始化工作主要由相应的子程序来进行。完成初始化后需进行的首要工作是，完成两种恒压供风模式风压值设定及变频风机风机号和工频风机投入台数的设定20。4.2.2增、减风机判断和相应操作程序进行pid调解后，当其结果与变频运行上限频率进行比较，出现不小于情况且风机运行稳定的时候，定时器启动并进行5分钟计时，待计时结束后，进行工频风机台数加一操作，对应的风机变频启动脉冲信号产生20。当比较结果相反时，执行风机台数减一操作。4.2.3风机的软启动程序在进行增减风机或倒风机时，对变频器执行复位操作，以便进行软启动，与此同时对变频风机号执行

44、加一操作，并产生相应风机的启动脉冲信号，经过延时处理后启动运行20。当仅有一台变频风机工作，且处于长时间运行状态时，通过对风机连续运行的时间进行判断，当不低于3h则自动倒风机变频运转20。4.2.4各风机变频运行控制逻辑程序对各风机变频运转进行控制的控制逻辑基本一致，在本文中仅对1#风机作简要说明。当进行首次上电、故障已消除或者1#风机变频启动脉冲信号产生且系统无故障出现、复位1#风机变频运转的信号未产生、1#风机不能进行工频状态运转时，q0.1设为1，km2中存在的常开触点呈闭合状态，此时变频器被接通，使1#风机开启变频运转模式，同时km2中的常闭触点处于开启状态，避免km1线圈得电，电气互

45、锁在变频和工频之间产生，另外km2中的常开触点还能实现自身锁定21。4.2.5各风机工频运行控制逻辑程序风机的工频运行受到变频风机的风机号、工频风机的台数的影响21。由于对各风机工频运转进行控制的控制逻辑基本一致，本文仅对1#风机进行简要说明21。当前风机工频获得运转启动脉冲后，如果当前2#风机在进行变频运转且工频风机数不为零，或者当前3#风机进行变频运转且工频风机数大于等于2，那么q0.0设为1，km1的线圈得电21，km1的常开触点处于关闭状态，1#风机开启工频运转模式，此时km1的常闭触点处于打开状态，避免km2线圈得电，电气互锁功能在变频和工频之间形成，km1的常开触点还能实现自身锁定

46、21。主程序包括的主要内容如下：(1) 对初始化子程序进行调用，并给定各自初始值；(2) 工频风机运行数由增、减风机条件进行确定；(3) 变频风机号由增风机、倒风机情况确定；(4) 由工频风机的数目和变频风机号控制各风机运转；(5) 实现报警和故障处理。综上，变频调速恒压供风系统的程序流程图用下图表示：图4-1 变频恒压供风系统主程序流程图4.3控制系统子程序设计4.3.1 初始化子程序sbr_0首先对风机变频运行的上、下限频率进行初始化设定。根据变频器的输出范围给定上下限值。然后再进行pid控制参数的初始化。最后所要进行的是完成定时中断及中断连接设置。具体的程序梯形图如图4-7所示。图4-7

47、 初始化子程序sbr_0梯形图4.3.2 pid控制中断子程序第一步是完成aiwo采样数据的标准化转变，即通过执行pid运算，转换成输出值，再由aqw0进行信号输出。具体的程序梯形图如图4-8所示。图4-8 pid控制中断子程序图4.4 pid控制器参数整定4.4.1 pid控制及其控制算法1 pid控制器参数整定在供风系统的设计中，为了使得供风系统产生恒定压力，所选型的plc具有pid功能，能实现闭环控制，使压力恒定得到保障。pid控制是指在连续控制系统中，经常采用比例、积分、微分作为控制方式16。该种控制在连续控制系统具有极为广泛的应用基础，其技术最为成熟16。其优点在于具有成熟的理论作为

48、支撑，算法简单，控制产生的效果佳，通俗易懂，易掌握16。pid控制器由实际输出值y(t)与给定值r(t)之差来表示：所谓的pid控制器实际上是包含了比例（p）、积分（i）及微分（d）运算功能，且要执行的控制量u(t)是经各种运算后线性组合产生的16。4.4.2 pid控制规律为： 式中：kp为比例系数；ti为积分时间常数；td为微分时间常数。相应的传递函数形式： pid控制器的原理如下所述：(1) 比例环节：通过该环节我们可以知道对系统偏差进行控制所产生的作用，一旦系统产生了偏差，控制器就会发挥其控制作用，以此来降低偏差度，但是这个偏差不能够完全被消除，比例系数和系统偏差是呈反比的关系，倘若比

49、例系数提升，就会使系统变得不稳定。(2) 积分环节：在这个环节中，我们可以看出，偏差持续时间和控制器的输出相关。一旦出现偏差，就会导致控制发生变化，一直系统偏差消失。这个环节最主要的功能就是可以消除静差，使系统的差度尽量减少。积分作用和ti呈正比关系，和超调量呈反比关系。(3) 微分环节：偏差信号一旦发生任何一点变化，系统就会有所反映，当偏差信号在强烈变化以前，系统就会使用一个修正信号，该信号可以提升系统的速度，使调整所需时间较大幅度地缩短。微分环节的执行原理是把被跳量的振荡维持在一定范围内，让超调量保持在比较小的范围内，这样可以减少系统反映的时间，极大的提升了动态特性。自从控制领域大量的使用计算机以后，数字计算机使pid 算法更加的灵活，同时可靠性也增加了。pid控制算法原理的公式如下，用一阶后向差分来计算出pid位置控制算法：式中：t为采样周期；n为采样序号；e(n)为第n时刻的偏差信号22；e(nl)为第n1时刻的偏差信号。控制技术中使用了相应的计算方法，具体公式为：公式中的 为控制增量； 、 。5结束语电解铝厂在日常作业中，怎样传输氧化铝物料显得尤为重要，特别是最近它朝大型大型预焙槽发展,。由于电解铝厂的规模逐渐变大，传送氧化铝的技术可以直接决定电解铝产品的质量以及氧化铝的耗费量。为了提升氧化铝的质量和生产率