青海铝厂阳极组装工艺 PLC控制系统的设计
开题报告
1.1 选题的目的意义及国内外对本课题涉及问题的研究现状
（1）选题的目的、意义
选题的目的 :
随着我国电解铝行业的跨越式发展， 电解铝企业无论产量还是规模都有长足进步。 本设
计基于西门子公司 S7-300 可编程控制器，设计了青海铝厂阳极组装工艺 PLC控制的自动控
制系统。
该工艺过程主要是对托盘小车的控制和轨道电机的控制， 本设计取材于青海铝厂阳
[1]
由油泵电机、油加热器、液压站、皮带运输机、小车移动电机和控制系统组成。通过对控制
系统主电路、控制电路设计和参数计算，给出了控制系统完整的控制电气原理图和流程图。
根据阳极组装的生产工艺的要求，设计并使用 STEP 7 编制了一套适用于该组装工艺的 PLC
控制软件
[2] 。
选题的意义：
铝锭阳极组装工艺是电解铝行业中不可缺少的一种作业方式，其作业的劳动强度不大，但因该工艺主要任务是利用熔化的磷生铁完成合格焙烧阳极块与钢导杆组装成电解所需的
阳极，所以常常要在高温环境下工作。 在传统的阳极组装工艺作业中， 最常见的作业流程为：
浇铸→输送→脱模→冷却提升→翻转→整齐→夹持→提升→换向。 这种作业方式工作流程长
[3]
计周期长、体积大、成本高等缺陷，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。而
PLC应用到阳极组装工艺的控制系统后， 不仅实现了阳极小车的自动化控制， 降低了系统的运行费用，而且采用 PLC控制系统具有连线简单， 控制速度快，精度高，可靠性和可维护
性好，安装、维修和改造方便等优点
[4] 。
2）国内外对本课题涉及问题的研究现状国内研究现状 :
倪春鹏 [5]
（ 2009）电解铝工厂中的阳极组装车间的自动化设备较多
, 除了各设备自身的
控制较为复杂外 , 各设备之间的联锁控制也较为复杂
, 作者从阳极组装车间控制系统的硬件
配置和软件配置两方面简单的介绍了阳极组装车间
PLC自动控制系统的配置。
褚宏梅 [6]
（ 2007）为提高阳极组装车间的效率、满足其特殊的工艺条件
, 采用 ROCKWELL
公司的 ControlNet 网络 , 实现了阳极组装车间所有工艺设备的自动监控及联网。
重点完成了
ROCKWELL公司以太网、 ControlNet 、DeviceNet 网三级控制网络系统在阳极组装车间的整个
工艺流程中的应用。结果表明系统的网络结构、软硬件设计合理
, 能够实现预想的功能。
刘宏社 [7]
（2007）阳极组装衔接电解、炭素的工艺位置
, 流程型的工艺特点
, 多工步集成
的工艺设备 ,
多类型设备的联动以及交叉的设备布置
, 使得阳极组装系统与外部系统之间表
现为较强的关联性。 因而对车间的工艺流程、 设备性能、 单体设备与阳极组装系统和厂房结
构间的适应性等提出必然的要求 , 加之生产过程的程序控制对企业信息化底层基础的实际形成, 需要在项目建设中加以关注。
[8]
郑建忠 （ 2002）介绍以 PLC构成的分散控制系统在铝冶炼厂阳极组装生产线上的应用 , 阐述其硬件结构、软件设计及控制系统的技术特点。
王明山、莫德格 [9] （ 2013 ）根据笔者的多年从事本行业的经验和有关相同铝厂的调查研
究得出的结论 , 对于相关阳极组装的设计、建设、生产及设备配置等方面提供新思路。
王春江、郝杰 [10] （ 2008）通过对炭素阳极焙烧解组站系统的工艺原理的分析
, 以炭素阳
极一焙烧二系列炭块解组站系统为例
, 设计了一种基于美国
A-B 可编程序控制器 (PLC) 技术
的焙烧炭块解组站生产线计算机自动控制系统
, 阐述了控制系统的组成结构、控制功能、网
络拓扑的实现和上位计算机监控软件
IFIX
在该系统的应用。
实践证明 , 该解组站自动控制程
序针对了现场工艺特点
, 是一套经济、 可靠、易于维护的解组站自动控制系统方案
, 系统达到
较好的应用效果。
王海伟（ 2008 ）[11]
介绍了 PLC在阳极组装车间桥式托盘翻转机电气控制系统中的应用
,
主要讨论了控制系统的组成
, 自动化软件的设计以及系统的程序设计。
陈顾、王福明、郭彦青
[12] （ 2016）为了提高阳极氧化生产线自动化程度和产品质量
, 设
计了基于 PLC和 Wincc 的自动控制系统 , 结合系统的工作原理和多工艺的复杂性
, 提出模块化
设计思路 , 将系统各功能进行模块化分解
, 采用 Wincc 软件作为上位监控
, 西门子 S7-300 PLC
作为主控系统 , 与分布于两台行车上的西门子
S7-200PLC 通过 PROFIBUS-DP通信构成主从站
系统 , 降低了程序开发的难度
, 实现了多工艺并行生产。为提高行车定位精度
, 在系统中设计
了基于二进制编码的槽位识别方法。应用结果表明
, 该系统运行可靠稳定。
韩敏、张海彦 [13] （ 2011）主要阐述应用
2 套 Logix5550 可编程控制器实现
7 台设备控制
的系统实例 , 简要地阐述了其软件编程和使用效果。
李瑞光、李振 [14] （ 2012）随着铝行业生产规模的不断扩大
,PLC 在铝行业的应用越来越
广泛。作者就可编程控制器
(PLC) 在大型铝厂电解辅助生产领域、整流机组稳流控制系统、
整流所微机监控系统、全厂生产调度管理网络中的应用进行了阐述
, 对于今后铝行业控制自
动化的发展具有较大的应用价值。
国外研究现状
:
随着国外电解铝行业的跨越式发展，电解铝企业无论产量还是规模都有长足进步 [15] 。在大型预焙电解铝生产中常利用阳极炭块组供应电解生产， 并对消耗更换的阳极炭块组—残极，进行清理、压脱、破碎等处理，完成新阳极的组装浇注使其返回电解，从而形成阳极组装生产工艺。由于阳极组装的控制现场，检测点数量多，分布广、距离远、现场作业环境恶劣。如将 PIl 放在控制室内采用传统的集中式控制，将耗费大量的控制电缆和电缆桥架，并 [16]
为适应现场环境、 工艺和便于维护， 针对 RoCKW EII公司的 con trole 网络控制子站数
口多、布线简单、维护方便、安全可靠、诊断功能强大等特点设计了基于 ControllNe 网络的
阳极组装控制系统。 采用完成阳极组装车间所有工艺设备的网络控制， 提高组装车间控制系
[17]
阳极组装车间生产工艺一般包括装残极、 电解质清理、残极抛丸、 残极压脱、 磷铁环压
脱、钢爪抛丸、 铝导杆校直、 钢爪校直、 铝导杆清刷、 钢爪蘸石墨、 钢爪烘干、 组装阳极组、
浇铸、卸新阳极组等工位，形成阳极组装生产的主流程。对应电解质清理、残极压脱、磷铁
环压脱， 相应形成电解质破碎、 残极破碎、 磷铁环清理子系统 [18] 。电解质破碎子系统对残极
上清理下来的电解质进行破碎、输送、筛分并集中存放 ; 残极破碎子系统对抛丸清理后压脱
下来的干净残极进行破碎输送，返回至炭素再生产 ; 磷铁环清理子系统对压脱下的铁环进行
输送清理， 以返回中频炉熔化再浇铸 [19] 。阳极组装生产主流程上配以悬链为输送设备串接各
工位，整个车间以 PLC控制，远控状态下主流程和各子系统之间、 系统各工位之间逻辑互锁，
[20]
形成自动化机械流水生产 。
1.2 研究方法、研究手段和设计需解决的关键问题及拟采用的技术方案
（1）本课题主要研究方法、研究手段
研究方法：
结合实际经验，以真实工程案例对青海铝厂阳极组装工艺 PLC控制系统的设计进行分
析。对系统方案进行阐述，并通过数据统计、 计算校验、 硬件电路等详细分析给青海铝厂阳
极组装工艺 PLC控制系统的设计提供依据。
研究手段：
（ 1） .从查找和分析原始资料，整理和课题有关的信息资料，确定需用系数，同时系数等计算参数。
2） .查阅《电气工程师手册》 ，对各个设备型号进行合理选择。
3） .采用 PLC软件，对青海铝厂阳极组装工艺进行设计。
2）设计需解决的关键问题及拟采用的技术方案设计需解决的关键问题：
小车的运行控制
. 小车的前进、后退以及制动控制，夹具的上升和下降控制、夹具的翻转和复位控制等。
.PLC 对变频器的起停、调速及制动使能的控制。
轨道电机的控制
① . 完成 10 台电机起停信号的检测以及实现电机的自由起停。
. 完成小车和轨道电机各种信号的监控。
③ . 根据轨道的运载情况，决定电机的起停、故障和过载保护控制。
拟采用的技术方案：
1. 根据设计要求，选用了西门子 S7-300PLC。
1） S7-300 具有以下显著的特点：
循环周期短、处理速度高。
指令集功能强大、可用于复杂功能。
产品设计紧凑、可用于空间有限的场合。
模块化结构、适合密集安装。
有不同档次的 CPU、各种各样的功能。
模块和 I/O 模块可供选择。
g. 无需电池备份，免维护，可在恶劣气候条件下露天使用的模块类型（ SIPLUS）
2）S7-300 由多种模块部件所组成，各种模块能以不同方式组合在一起，从而可使控制系
统设计更加灵活，满足不同的应用需求；它还有各种不同性能档次的CPU 模块可供使用；
S7-300 的指令集包含 350 多条指令，包括了位指令、比较指令、定时指令、计数指令、整数和浮点数运算指令等。
（3）S7-300 使用 STEP7软件进行编程。
而且， STEP7能简单方便地将 S7-300 全部功能加以利用， STEP7包含了自动化项目中从项目的启动、实施到测试以及服务，每一阶段所需的全
部功能。
4） S7-300 的模块：一个 S7-300 系统由多个模块组成，其主要模块有电源模块、中央处理单元、信号模块 SM、 PROFIBUS总线电缆、连接编程器 PG的电缆等。
输入输出模块的选择：
系统的输入有：光电传感器的信号（10 个）、轨道电机的起 / 停按钮（ 47 个）、急停按
钮（ 1 个）、自动 / 手动开启按钮（ 2 个）、上料完信号（ 1 个）、下料完信号（ 1 个）、夹
具动作按钮（ 10 个）、电机跳闸信号（
12 个）、变频器按钮（ 2 个）、
轨道电机接近开关
（18 个）、小车接近开关（ 6 个）、过滤器堵信号（ 1
个）、油温信号（
4 个）、交接信号
（4 个）、电动机的断路保护和热保护（
19 个），共计
138 个输入。所以选择数字量输入模
块 SM321 DI16× 24V DC；
(2) DI16 × 24V（直流）带硬件和诊断中断，输入点数为
16DI，隔离为 1 组，额定输入电压
24V（直流），适用对象为开关； 2/3/4
线接近开关，支持时钟操作，可编程诊断，诊断中
断，沿触发硬件中断，输入延迟可设定。
系统的输出有： 电动机动作线圈 （12 个）、 运行指示灯 （ 15 个）、故障指示灯 （ 8 个）、
上料完指示灯（ 1 个）、下料完指示灯（ 1 个）、急停指示灯（ 1 个）、轨道电机有物（ 10
个），共计 48 个输出。故选择数字量输出模块
SM322； DO16× 24 DC，输出点数为 16DO，隔
离为 16 组，输出电流 0.5A ，额定负载电压
24-48 （直流 / 交流），适用于电磁阀、直流触点
和指示灯，可编程诊断，诊断中断，替换值输出。
3.
光电传感器的选择：
光电传感器主要参数： 尺寸 、 传感模式 、 传感范围 、 安装方式 、 输出工作模式 、 工
作电压 、光源、 连接方式 、封装材料等。根据设计要求和生产实际等几方面考虑，选择了
日本 OPTEX的 V 系列 VD-200/300 （ T），其主要技术指标如下表所示：
型 号
VD-200/300(T)
检测距离
2/3m
检测型式
扩散反射
检测光源
红外线 LED
响应时间
20ms( 延时 )
输出方式
继电器 (1a 触点 )
负载能力
AC240V/3A
工作温度
-20 ～ 55℃
工作电源
12 ～ 240VDC/AC
外型尺寸
77.5 ×25×63mm
防护等级
IP67
4.
采用可编程序控制器完成小车和轨道电机的自动控制系统。
主要包括油泵电机、 风机电
机、液压站电机、小车移动电机的控制和
1#-10# 轨道电机的控制。采用
S7-300 可编程控制
器作为控制核心后， 功能增强， 应用水平大大提高，提高了系统的可靠性和灵活性，并增加了一系列的连锁和保护功能。
5. 对所需的硬件选型完以后， 就开始学习设计中应用到的各种软件， 并学着根据工艺流程及设计要求来编程； 同时对电动机的保护部分进行计算； 待软件编程完成就可以进行系统的
调试。
1.3 工作方案和进度计划
（1）论文的工作方案
①查阅相关设计规范，明确设计要求和设计思路。
②完成设计要求及设计参数。
③系统方案设计。
④各部分功能分述。
⑤经过对系统的功能要求和性能指标的分析， 把整个控制系统的硬件设计分为两个模块来完成：（ 1）主电路图设计； （ 2）系统控制图设计。
⑥完成导线、电缆及元器件选型。
⑦进行变频器的设计。
⑧控制系统软件设计。
（2）进度计划
2016.11.1~2016.11.20
查阅相关资料撰写开题报告
2016.12.20
开题答辩
2017.03.03~2017.03.08
完成设计要求及设计参数
2017.03.09~2017.03.15
系统方案设计
2017.03.16~2017.03.23
各部分功能分述
2017.03.24~2017.03.26
对系统的功能要求和性能指标的分析
2017.03.27~2017.03.30
完成导线、电缆及元器件选型
2017.04.01~2017.04.06
进行变频器的设计
2017.04.07~2017.04.10
控制系统软件设计
2017.04.11~2017.04.20
撰写论文
2017.05.20
审核与答辩
1.4 参考文献
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