鋁電解槽焙燒分流自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜雯雯，李月恒，張旭東，楊 力

（1. 青海大學(xué) 計(jì)算機(jī)系，西寧 810016；2. 北方工業(yè)大學(xué) 冶金設(shè)備研究所，北京 100144；3. 北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外鋁廠采用的鋁電解槽焙燒方法主要有鋁液焙燒、石墨焙燒、炭粒焙燒和燃?xì)獗簾?。由于鋁液焙燒有著嚴(yán)重的缺點(diǎn)——高溫鋁液倒入冷槽中，會(huì)使槽內(nèi)襯的搗固糊在突如其來(lái)的高溫下分解，導(dǎo)致?lián)v固糊強(qiáng)度低、孔隙大、裂縫多，因而很多鋁廠都舍棄了這種焙燒方法；石墨焙燒在鋪設(shè)石墨層時(shí)要求精度高，操作復(fù)雜，焙燒終了溫度不可再提高，因而很難達(dá)到電解槽啟動(dòng)條件；燃?xì)獗簾に囋O(shè)備相對(duì)復(fù)雜，且安全性較差，焙燒方法技術(shù)還不夠成熟，還有待進(jìn)一步的研究；而焦粒焙燒是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外大型鋁電解槽最常用的焙燒方法，無(wú)需外加能源，且焙燒時(shí)間短，焙燒也較均勻，質(zhì)量好，有利于電解槽的啟動(dòng)和壽命的延長(zhǎng)[1]。

采用焦粒焙燒時(shí)，為加強(qiáng)對(duì)升溫速度的控制，各鋁業(yè)公司紛紛開(kāi)發(fā)出各自的分流技術(shù)，并采用在水平母線和立柱母線之間焊接分流片以實(shí)現(xiàn)分流。例如，法國(guó)鋁廠的各型電解槽都開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)分流器。焙燒電流分四步以上，在不少于24小時(shí)內(nèi)逐步增大到系列全電流，但是焙燒過(guò)程還是采用手動(dòng)操作分流片，控制方法較粗糙，由于焙燒電流不可控以至于焙燒過(guò)程不穩(wěn)定，導(dǎo)致控制難以達(dá)到預(yù)想的效果。本文針對(duì)大型鋁電解槽的焦粒焙燒，提出并設(shè)計(jì)了可靠且自動(dòng)控制的焙燒分流控制系統(tǒng)。

1 焙燒分流器

焙燒分流控制系統(tǒng)中一個(gè)主要設(shè)備即焙燒分流器，如圖1所示。首先介紹其組成。它主要分為三大部分：上箱體、中箱體和下箱體。上箱體主要由連接裝置組成，它的主要作用是與設(shè)計(jì)好的標(biāo)準(zhǔn)分流片相連接。中箱體由銅電極、動(dòng)觸頭、鎖緊機(jī)構(gòu)等組成，動(dòng)觸頭通過(guò)軟連接與上箱體的連接裝置相連，通過(guò)編程器自動(dòng)控制動(dòng)觸頭與銅電極接通或斷開(kāi)，來(lái)控制分流大小。下箱體是一個(gè)梯形支架，主要作用即支撐整個(gè)焙燒分流器。一臺(tái)焙燒分流器設(shè)計(jì)最大分流量可達(dá)36000A，總重量約230公斤。

圖1 焙燒分流器圖

其次說(shuō)明分流器使用時(shí)的連接方法，將中箱體的銅電極與軟銅帶的一端相連接，軟銅帶的另一端則通過(guò)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)卡具與下一臺(tái)電解槽的陽(yáng)極立柱母線連接并用螺母固定。再將設(shè)計(jì)好的標(biāo)準(zhǔn)分流片組的一端插入開(kāi)關(guān)裝置上連接裝置的插槽中，并用螺母將其擰緊（以減少接觸電阻），分流片組的另外一端則與需要焙燒電解槽的陽(yáng)極橫桿連接，同樣采用設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)卡具固定并用螺母擰緊。

2 分流控制

焙燒分流控制系統(tǒng)的硬件部分主要由上位工控機(jī)及由西門(mén)子300PLC模塊和焙燒分流器構(gòu)成的下位機(jī)組成。上位機(jī)監(jiān)控界面是利用西門(mén)子SIMATIC WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的，它通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）與下位機(jī)進(jìn)行通訊連接。焙燒分流控制系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

由于下位機(jī)有以太網(wǎng)通訊模塊（CP343-1 Lean），因而上位機(jī)與下位機(jī)的通訊連接只需要在WinCC組態(tài)軟件的項(xiàng)目管理器添加SIMATIC S7 Protocol Suite驅(qū)動(dòng)程序即可。下位機(jī)中PLC站根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分為一個(gè)主站和四個(gè)子站，主站和子站之間通過(guò)CPU上集成的DP接口與子站上的ET200M實(shí)現(xiàn)通訊，擴(kuò)展了遠(yuǎn)程的I/O點(diǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制遠(yuǎn)程的數(shù)字量輸入輸出[2]。

焙燒分流控制系統(tǒng)主界面如圖3所示，下面具體介紹鋁電解槽焙燒分流的整體工作原理，在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)天車(chē)將焙燒設(shè)備運(yùn)送到目標(biāo)位置，將所有焙燒設(shè)備連接操作完成后，先給下位機(jī)通電，之后打開(kāi)上位監(jiān)控機(jī)，在進(jìn)入焙燒分流控制前，控制系統(tǒng)可自動(dòng)檢測(cè)與下位機(jī)的通訊狀況及當(dāng)前焙燒分流器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，操作者可以在控制主界面中看到，在焙燒開(kāi)始前，若顯示焙燒分流器中的某個(gè)開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)入手動(dòng)模式，然后手動(dòng)斷開(kāi)該開(kāi)關(guān)；最后根據(jù)鋁廠提供的標(biāo)準(zhǔn)焙燒曲線在控制界面的參數(shù)設(shè)置中設(shè)置焙燒參數(shù)，且上位機(jī)中沒(méi)有接收到任何報(bào)警信息，此時(shí)點(diǎn)擊焙燒按鈕即可進(jìn)入焙燒自動(dòng)控制過(guò)程。焙燒過(guò)程中控制系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)焙燒曲線自動(dòng)控制分流器的接通和斷開(kāi)，以達(dá)到鋁電解槽的焙燒溫度自動(dòng)跟蹤目標(biāo)曲線溫度，從而按照標(biāo)準(zhǔn)焙燒曲線實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁電解槽的焙燒。焙燒過(guò)程中若有開(kāi)關(guān)故障等都會(huì)以報(bào)警閃爍的方式告知操作者，以便迅速采取措施并解除報(bào)警。此外焙燒分流控制系統(tǒng)還給操作者提供了一套手動(dòng)操作模式，系統(tǒng)進(jìn)入此操作模式下，控制系統(tǒng)脫離自動(dòng)控制過(guò)程。操作者可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的槽溫、槽電壓等數(shù)據(jù)，采取手動(dòng)控制焙燒分流器中開(kāi)關(guān)的接通或者斷開(kāi)動(dòng)作，以達(dá)到手動(dòng)控制鋁電解槽的焙燒過(guò)程[3]。

圖3 焙燒分流控制主界面

2.1 測(cè)量部分

該焙燒分流控制系統(tǒng)的測(cè)量部分主要包括鋁電解槽的槽溫度、槽電壓及槽的電流分布。

1）電解槽的溫度采用將電解槽劃分為六個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)溫度利用K型熱電偶測(cè)溫，然后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將六個(gè)分區(qū)的溫度數(shù)據(jù)送入WinCC集成的數(shù)據(jù)庫(kù)中。上位機(jī)則從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取各個(gè)分區(qū)溫度數(shù)據(jù)，然后將分區(qū)溫度取平均值作為當(dāng)前時(shí)刻的電解槽溫度，1min左右更新一次溫度數(shù)據(jù)。下面是一段上位機(jī)監(jiān)控軟件從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取分區(qū)一的溫度數(shù)據(jù)的VB腳本代碼[4]，其他分區(qū)溫度的獲取類(lèi)似。

Dim cnn

Dim SQL_Table

Dim rst

Dim strcnn

Dim nDat_No, val

Dim nValue_1, nValue_2

On Error Resume Next

Set cnn = CreateObject(＂ADODB.Connection＂)

Set rst = CreateObject(＂ADODB.Recordset＂)

strcnn= ＂Provider=MSDASQL;Initial Catalog=djc_ps;DSN=Database_1＂

cnn.Open (strcnn)

If Err.Number 〈〉 0 Then

MsgBox ＂Error #＂ & Err.Number & ＂ ＂ & Err.Description

Err.Clear

Exit Function

End If

SQL_Table = ＂SELECT TOP(1) msrNum,potNum, pstNum, msrTime, msrTmp, Tmp FROM temp_sample WHERE pstNum ='mp01' ORDER BY msrTime DESC＂

Set rst = cnn.Execute(SQL_Table)

If Err.Number 〈〉 0 Then

MsgBox ＂Error #＂ & Err.Number & ＂ ＂ & Err.Description

Err.Clear

Exit Function

End If

If Not (rst.EOF And rst.bof) Then

rst.MoveFirst '如果數(shù)據(jù)存在即從第一條開(kāi)始

nValue_1 = rst.Fields(3).Value '讀取最新時(shí)間

nValue_2 = rst.Fields(4).Value '讀取分區(qū)一最新溫度

HMIRuntime.Tags(＂temp_z2＂).write nValue_2

rst.Close

Else

MsgBox ＂Dat_No is not available＂

End If

rst.Close

cnn.Close

2）由于焙燒分流器是并聯(lián)在鋁電解槽的兩端，因而槽電壓的測(cè)量就轉(zhuǎn)化為測(cè)量焙燒分流器的兩端電壓。利用PLC中的AI模塊（SM331 AI8×12BIT）采集焙燒分流器兩端電壓，考慮到現(xiàn)場(chǎng)中各種電磁場(chǎng)干擾因素，因而采用信號(hào)調(diào)理模塊A11CI11F將0～10V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為4～20mA的電流信號(hào)。將AI模塊的通道4采集電流的量程設(shè)置為4～20mA，然后將槽電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊轉(zhuǎn)化為的電流信號(hào)送入AI模塊的通道組4，通過(guò) PLC程序即可讀取鋁電解槽的槽電壓。

A(

A(

A(

A(

AN M 0.0

JNB _002

L PIW 284

ITD

T MD 110

SET

SAVE

CLR

_002: A BR

)

JNB _003

L MD 110

DTR

T MD 110

SET

SAVE

CLR

_003: A BR

)

JNB _004

L MD 110

L 1.600000e+001

*R

T MD 110

AN OV

SAVE

CLR

_004: A BR

)

JNB _005

L MD 110

L 2.764800e+004

/R

T MD 110

AN OV

SAVE

CLR

_005: A BR

)

JNB _006

L MD 110

L 4.000000e+000

+R

T MD 100

_006: NOP 0

3）槽電流的測(cè)量主要是陽(yáng)極和陰極電流分布的監(jiān)測(cè)，可以通過(guò)等距壓降方式測(cè)量陽(yáng)極導(dǎo)桿和陰極鋼棒上的電流分布。即先采集陽(yáng)極和陰極上等距的壓降，再除以對(duì)應(yīng)等距上溫度補(bǔ)償后的電阻， 結(jié)果即為對(duì)應(yīng)陽(yáng)極和陰極上的電流分布值，電流的測(cè)量與槽電壓的測(cè)量方法類(lèi)似，在這里就不具體介紹了。

2.2 控制部分

大型鋁電解槽的焙燒過(guò)程主要是控制焙燒分流器的工作，使焙燒電解槽的溫升按照標(biāo)準(zhǔn)的焙燒溫度曲線進(jìn)行。焙燒分流器的控制即通過(guò)在上位機(jī)中實(shí)現(xiàn)槽溫控制算法的編程，并經(jīng)過(guò)通訊電纜控制下位機(jī)的動(dòng)作，利用PLC的數(shù)字輸出模塊（SM322 DO16×DC24V/0.5A）來(lái)控制焙燒分流器中開(kāi)關(guān)的通斷。焙燒控制原理框圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)原理框圖

在上位機(jī)中設(shè)置好焙燒參數(shù)后，設(shè)定溫度即標(biāo)準(zhǔn)焙燒溫度就會(huì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，如圖5所示。根據(jù)輸入溫度和從鋁電解槽檢測(cè)反饋回來(lái)的溫度作差，經(jīng)過(guò)控制離散化算法后，將溫度偏差信號(hào)離散化為焙燒分流器中開(kāi)關(guān)數(shù)量，依據(jù)溫度偏差及變化率來(lái)確定開(kāi)關(guān)數(shù)量的多少，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)控制焙燒分流器裝置的開(kāi)關(guān)來(lái)控制鋁電解槽的焙燒溫升。

圖5 設(shè)置焙燒參數(shù)界面圖

此外在檢測(cè)槽溫采用了溫度的分區(qū)算法，若鋁電解槽的溫度過(guò)高，需要閉合開(kāi)關(guān)，同時(shí)電解槽中的某個(gè)分區(qū)溫度最高，就會(huì)優(yōu)先閉合此分區(qū)附近的開(kāi)關(guān)，同理，鋁電解槽的溫度過(guò)低，需要斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，就會(huì)優(yōu)先斷開(kāi)溫度最低分區(qū)處的開(kāi)關(guān)；同時(shí)又考慮到焙燒分流器裝置中開(kāi)關(guān)的使用壽命，因而采用了負(fù)荷均勻算法，簡(jiǎn)單地說(shuō)即開(kāi)關(guān)閉合次數(shù)越多，則閉合后再次斷開(kāi)此開(kāi)關(guān)的優(yōu)先級(jí)最高；同理，開(kāi)關(guān)閉合次數(shù)越少，則斷開(kāi)后再次閉合的優(yōu)先級(jí)也就最高。實(shí)踐證明這樣就有效地保證了焙燒分流器中開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)的均勻性，從而可以提高焙燒分流器裝置的使用壽命。

2.3 監(jiān)視部分

鋁電解槽的焙燒分流控制系統(tǒng)的監(jiān)視部分主要是電解槽的焙燒溫度監(jiān)視，報(bào)警信息的監(jiān)視，如圖6所示，以及操作員操作記錄的監(jiān)視，如圖7所示。鋁電解槽的焙燒理應(yīng)是按照標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線進(jìn)行焙燒，但是實(shí)際的焙燒溫度與標(biāo)準(zhǔn)的溫度總是有一定偏差的，所以對(duì)電解槽的焙燒溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視就顯得非常重要。上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的各個(gè)通訊子站都應(yīng)該有工作狀態(tài)監(jiān)視，且焙燒控制過(guò)程中分流器的開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)也需要有顯示信息，若有故障等信息則會(huì)以信息閃爍提示操作人員?？刂葡到y(tǒng)中的操作記錄可方便地將當(dāng)前操作員的一些關(guān)鍵的操作記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便將來(lái)對(duì)電解槽焙燒的操作規(guī)程進(jìn)行優(yōu)化和管理。

3 結(jié)論

目前該大型鋁電解槽焙燒分流控制系統(tǒng)在中國(guó)鋁業(yè)某電解鋁廠試運(yùn)行，通過(guò)多次焙燒啟動(dòng)驗(yàn)證該系統(tǒng)能夠通過(guò)控制焙燒分流裝置從而控制鋁電解槽的焙燒溫升，比較設(shè)定焙燒曲線和實(shí)際焙燒溫度曲線，溫度偏差控制在7%以內(nèi)，炭縫無(wú)燒損現(xiàn)象，大大降低了槽的早期破損，并順利啟動(dòng)了鋁電解槽。

圖6 報(bào)警信息

圖7 操作記錄

[1] 劉永剛, 唐騫, 梁韜. 鋁電解槽大型預(yù)焙槽四種焙燒方法的比較[J]. 輕金屬, 2000(4): 33-35.

[2] 海心, 馬銀忠, 劉樹(shù)青. 西門(mén)子PLC開(kāi)發(fā)入門(mén)與典型實(shí)例[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2009.

[3] 蘇昆哲. 深入淺出西門(mén)子WinCC V6[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2008.

[4] 高守傳. 精通SQL結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言詳解[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2007.