電煅爐煅燒無煙煤智能產線建設

張紅亮，任 偉

（山西亮宇炭素有限公司鋁用炭素工程技術中心，山西 晉中 030600）

1 電煅爐煅燒無煙煤智能產線建設的總體思路

電煅爐煅燒無煙煤智能產線建設的總體思路是：用智能設備替代傳統(tǒng)流程設備，組建數字化流程，用算法控制替代定值控制和手動操作，實現(xiàn)智能控制。

電煅爐煅燒無煙煤智能產線的建設主要有三個方面：一是以生產設備、智能設備、測控設備等組成的產線硬件設施。主要包括工業(yè)AGV、AGV升降機、電煅爐及直流供電裝置、冷卻循環(huán)水路、各類傳感器及執(zhí)行機構等等。這是智能產線的物理基礎，也是煅燒生產過程精確化執(zhí)行的基本保證。

第二方面是建設工業(yè)物聯(lián)局域網，以實現(xiàn)測控設備、智能設備和智能管控平臺之間的互聯(lián)互通。主要包括：工業(yè)以太網和AGV無線AP等網絡及設備設施。它是電煅爐煅燒無煙煤智能產線的信息橋梁。

第三方面是建設一個具有良好的人機對話環(huán)境的智能管控平臺（地面指揮控制系統(tǒng)）。主要包括：AGV指揮調度、智能控制和算法以及顯示操作等軟硬件。它是整個煅燒智能產線生產指揮控制中心，是實現(xiàn)適度智能生產方式的核心。

智能管控平臺對物料搬運、電阻率在線智控及煅燒過程中各要素、各環(huán)節(jié)實施精益化控制，可分析、判斷、決策控制任務，在智能設備設施的配合下更好的發(fā)揮人的潛能，讓管控平臺和機器智能與人的智慧融合，實現(xiàn)人機一體化。

智能產線是柔性化、網絡化的數字生產流程，是煅燒工序精益化生產的有效使能手段。能夠克服傳統(tǒng)煅燒生產普遍存在的粉塵泄漏、爐電流波動大等工藝難點，可預報電極倒塌、爐內結焦、偏料、偏流等事件，預防噴爐等惡性事故的發(fā)生。是實現(xiàn)量化操作、精準控制、確保設備安全運行的重要載體。

電煅爐煅燒無煙煤智能產線的硬件設備設施主要由兩大部分組成（詳見圖1）：

圖1 電煅爐煅燒無煙煤智能產線總體結構示意圖

第一部分是電煅爐無煙煤供給及煅后煤儲存輸送，這兩種物料均由同一臺工業(yè)AGV（搬運機器人）負責計量和運輸，整個輸送線采用各類傳感器讓流程數字化、控制智能化、操作指令化，較好的解決了傳統(tǒng)產線控制粗放和物料動態(tài)流程長、粉塵泄漏點多等問題，整條線環(huán)境清潔環(huán)保。

第二部分是無煙煤煅燒及智能控制，它是通過分析產成品煅后煤的電阻率ρ、排料速度s（排料量）和直流電功率p之間的關系，訂立模糊規(guī)則、通過模糊推理調節(jié)排料速度，并通過量化電阻率所需的直流電功率，實現(xiàn)煅后煤產品質量指標的在線控制。

2 電煅爐煅燒無煙煤智能產線的主要功能

2.1 電煅爐煅燒過程智控功能

（1）根據電煅爐進出料量的動態(tài)變化和爐內煅料的移動速度，預判爐內煅料是否發(fā)生結焦并發(fā)出安全預警；

（2）根據爐壁四周溫度偏差對電煅爐偏流和爐底電極倒塌進行分析預判，并發(fā)出安全預警；

（3）實測爐內電功率，根據算法在線預測爐內煅料電阻率的變化趨勢，通過自動切換檔位和改變排料速度對電阻率實時控制，待煅后煤化驗分析數據錄入后，自動反饋修正控制結果，實現(xiàn)智能控制；

（4）根據電煅爐單位時間內A（B）倉出料和C（D）倉進料量的動態(tài)變化和CD倉進料的均勻程度，預判爐內煅料是否發(fā)生偏料，并發(fā)出安全預警；

（5）根據電煅爐進料和排料量在線估算是煅燒實收率。

2.2 電煅爐無煙煤供給和煅后煤儲運系統(tǒng)智控功能

（1）電煅爐供料指令控制，在A（B）倉料空時地面指揮控制系統(tǒng)發(fā)出指令，AGV1自動到原料倉底部接料，通過AGV電梯向AB倉搬運物料；

（2）冷卻后的煅后煤在輸送時，由地面指揮控制系統(tǒng)發(fā)出指令，AGV1自動到達冷卻倉C（D）處接料，通過AGV電梯向成品倉搬運煅后料；

（3）煅燒工序使用的無煙煤原料由AGV2按指令從原料庫搬運至進料料斗，再由AGV1按指令搬運至原料倉待用；

（4）原料倉和成品倉采用負壓控制收集的粉塵自動返倉，不產生額外粉塵；

（5）AGV料箱設計為負壓箱，在搬運過程中不產生粉塵，整個物料搬運過程清潔衛(wèi)生；

（6）物料輸送工藝為數字化流程，各料倉和AGV料箱安裝有計量裝置，搬運量數字顯示，精確控制，同時AGV料箱還安裝有測溫元件，防止高溫煅后煤進入成品倉，帶來安全隱患。

3 智能產線建設采用的主要智能設備

3.1 工業(yè)AGV

AGV是能夠滿足煅燒生產惡劣環(huán)境的搬運機器人（圖2），接受生產任務指令，并按指令進行線路規(guī)劃和任務實施。AGV可自動尋址、避障、防撞和防墜，確保行駛安全。

圖2 煅燒工業(yè)AGV

AGV可在線自動充電，故障自動報警，其載貨量可根據電煅爐數量、產量設計，承擔的任務是原料和產成品煅后煤的無泄漏定量搬運。AGV載有無線通訊裝置，通過無線AP和地面指揮控制系統(tǒng)通訊，接受和發(fā)送指令，自動對準完成接料和排料任務。AGV電梯和地面指揮控制系統(tǒng)連接，能夠接受控制指令自動按照指令要求配合AGV完成行駛運輸任務，AGV電梯設有防墜落機構和AGV鎖，可有效避免承載平臺下墜和AGV滑動，安全可靠。

3.1.1 AGV指令系統(tǒng)

AGV1待機位：原料倉出料口，待機期間自動充電；AGV2待機位：原料庫，待機期間自動充電。

3.1.2 AGV1控制指令（圖3）

圖3 AGV1指令操作界面

（1）從原料倉接無煙煤到電煅爐A（B）倉，指令的控制內容：① AGV1啟動車載負壓裝置，計量車載料量；

② 地面指揮控制系統(tǒng)打開原料倉底排料閥，啟動振動給料機，開始排料，當AGV1車載料量達到設定值時，通知地面指揮控制系統(tǒng)停止排料；

③ AGV1開始行駛，進入AGV電梯，電梯上升到達電煅爐樓層自動鎖死，AGV1行駛到A（B）倉進料口排料，排料完成后返回待機位，并關閉車載負壓裝置。

（2）從電煅爐C（D）倉搬運煅后煤到成品倉，指令的控制內容：

① AGV1啟動車載負壓裝置，計量車載料量，并行駛到電煅爐煅后煤倉C（D）底部；

② AGV1行駛到位后，地面指揮控制系統(tǒng)打開C（D）倉底排料閥排料，當AGV1車載料量達到設定值時，通知地面指揮控制系統(tǒng)停止排料；

③ AGV1開始行駛，進入AGV電梯，電梯上升到達成品倉樓層自動鎖死，AGV1行駛到成品倉進料口排料，排料完成后返回待機位，并關閉車載負壓裝置。

（3）從無煙煤進料斗接料到原料倉，指令的控制內容：

① AGV1啟動車載負壓裝置，計量車載料量，并行駛到無煙煤料斗底部；

② AGV1行駛到位后，地面指揮控制系統(tǒng)打開無煙煤料斗排料閥排料，當AGV1車載料量達到設定值時，通知地面指揮控制系統(tǒng)停止排料；

③ AGV1開始行駛，進入AGV電梯，電梯上升到達原料倉倉樓層自動鎖死，AGV1行駛到原料倉進料口排料，排料完成后返回待機位，并關閉車載負壓裝置。

3.1.3 AGV2控制指令

（1)從原料搬運無煙煤到電煅爐原料倉，指令的控制內容（圖4）：

圖4 AGV2指令操作界面

① AGV2提前裝載好規(guī)定量的無煙煤，AGV2在接到 指令后，啟動車載負壓裝置，向電煅爐進料斗行駛；

② AGV2到達電煅爐進料斗后開始排料，排料完成后返回原料庫，關閉負壓裝置。

3.1.4 AGV升降機

作為AGV的升降平臺（見圖5），配合AGV實現(xiàn)物料在垂直和水平兩個空間的穿梭搬運。升降平臺具有AGV鎖死機構，防止平臺傾斜AGV滑動，升降平臺具有防墜落功能，在到達指定樓層后平臺自動鎖死，防止平臺下墜帶來安全隱患，平臺具有防傾斜功能，避免平臺傾斜帶來安全隱患。

圖5 AGV升降機

4 地面指揮控制系統(tǒng)

地面指揮控制系統(tǒng)是煅燒生產的控制中心，可按訂單指標組織生產，對AGV下達任務指令，指揮AGV完成無煙煤的搬運和煅后煤的儲運；對電煅爐冷卻水進行控制，確保電煅爐的安全運行；對電煅爐煅燒的熱工過程和直流供電功率自動控制，實現(xiàn)煅后煤質量達標。

4.1 電煅煤電阻率在線智能控制

電煅爐在環(huán)境溫度和排料速度相對穩(wěn)定的前提下，產成品的電阻率ρ和直流供電裝置供給的電功率P呈負相關關系，供給的直流功率越大，電阻率約低。詳見圖6。

圖6 電阻率與電功率的關系示意圖

環(huán)境溫度升高時，電阻率降低，當排料速度提高時，煅料在爐內的移動速度加快，爐內煅料溫度降低，產成品的電阻率升高。

根據模糊控制原理，將操作人員或專家的操作經驗編制成模糊規(guī)則，再將產成品的電阻率化驗分析數據定時錄入并模糊化，通過和模糊規(guī)則的對比分析，完成模糊推理，將推理結果輸出，控制排料量，實現(xiàn)電煅煤電阻率的智能控制。另外，再根據電煅爐實際的直流電功率大小和計算推薦的功率范圍進行對比，調整整流變壓器的檔位，改變供電功率，實現(xiàn)煅燒過程中電功率的調整，滿足智能控制的基本要求，最終完成電煅爐煅燒過程的智能控制。詳見圖7。

圖7 電阻率在線智能控制原理框圖

隨著電極的消耗，電極極距也在發(fā)生變化，這將直接引起直流供電回路負荷的變化，造成電煅爐電功率的供給不足，影響智能控制效果，所以需要定期對電極極距進行測量和調整，調整的范圍見表1。

表1 智能控制條件下不同電阻率對應電極的極距調整范圍

另外，合理的極距范圍也可以穩(wěn)定煅燒帶，防止煅燒帶漂移造成煅后煤電阻率的波動，有利于穩(wěn)定排料速度，同時也是穩(wěn)定智能控制效果的前提條件。在條件允許的情況下可將極距調整和測量納入自動化控制范疇。實際生產中電阻率智能控制運行曲線見圖8。

圖8 電阻率智能控制運行曲線

4.2 電煅爐供料及煅后煤儲運智能控制

電煅爐的無煙煤供給按照按AB倉所需定量搬運，AGV搬運完畢后，自動累計計算AB倉的無煙煤消耗量，并和CD倉的累計進料量量對比，估算出電煅爐的綜合實收率、產量以及原料消耗等經濟指標，用于生產管理。

電煅爐產成品煅后煤的搬運可以根據訂單于指標要求分類儲運，為了防止AGV故障影響生產可離線備用一臺設備，待在線AGV故障時上線使用。

4.2.1 AGV1行駛線路規(guī)劃

（1）無煙煤原料倉?電煅爐AB倉

（2）電煅爐CD倉?煅后煤成品倉

（3）電煅爐無煙煤進料斗?無煙煤原料倉

4.2.2 AGV2行駛線路規(guī)劃

無煙煤原料庫?電煅爐無煙煤進料斗，電煅爐供料及煅后煤儲運線路見圖9。

圖9 電煅爐供料及煅后煤儲運線路規(guī)劃示意圖

5 總結

用智能搬運設備AGV替代傳統(tǒng)的輸送設備，AGV升降機替代傳統(tǒng)的提升機可以將物料的動態(tài)輸送過程變?yōu)殪o態(tài)搬運，量化了輸送過程，再配合各類傳感器的使用讓流程數字化，改變了由眾多輸送設備構成的傳統(tǒng)輸送方式，凈化了生產環(huán)境，減少了設備配置，提高了設備的使用效率，通過無線網絡實現(xiàn)有效的人機互動，實現(xiàn)了控制智能化。

通過對電煅爐煅燒熱工過程的深入研究，采用模糊技術實現(xiàn)煅燒生產過程的智能化控制，有助于穩(wěn)定煅燒生產的質量指標，通過對噴爐、偏料、偏流、結焦等事件的預判預報，有效地預防了各類事故的發(fā)生，為電煅爐煅燒無煙煤探索了一條新的實現(xiàn)方式。