300kA鋁冶煉生產(chǎn)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)原理及應(yīng)用

趙志平　丁曉亮　余云菊

【摘 要】300kA鋁冶煉生產(chǎn)線采用了國(guó)內(nèi)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，本文通過(guò)計(jì)算機(jī)在鋁冶煉生產(chǎn)中的槽電阻（RC）控制，出鋁（TAP）控制，換極（AC）控制，電壓擺（SHK）控制，效應(yīng)（AE）控制，抬母線（ABR）控制，詳細(xì)闡明鋁冶煉生產(chǎn)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的原理及其在300kA鋁冶煉生產(chǎn)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】槽電阻（RC）控制；出鋁（TAP）控制；換極（AC）控制；電壓擺（SHK）控制；效應(yīng)（AE）控制；抬母線（ABR）控制

一、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋁冶煉生產(chǎn)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的結(jié)合越來(lái)越緊密， 鋁冶煉生產(chǎn)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)能及時(shí)、準(zhǔn)確、科學(xué)、連續(xù)一致地對(duì)鋁冶煉生產(chǎn)進(jìn)行控制，為管理決策提供詳實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，提高了鋁冶煉生產(chǎn)自動(dòng)化程度，大大減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，是鋁冶煉生產(chǎn)的核心技術(shù)，也是現(xiàn)代鋁冶煉技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。300kA鋁冶煉生產(chǎn)線，引進(jìn)國(guó)內(nèi)先進(jìn)的鋁冶煉生產(chǎn)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，使鋁冶煉生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)化、科學(xué)化，在生產(chǎn)及管理中發(fā)揮著重要的作用。

二、300kA鋁冶煉計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

300kA鋁冶煉計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用的是集散控制結(jié)構(gòu)，即集中管理，分散控制。集散控制結(jié)構(gòu)的鋁冶煉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不僅能完成對(duì)鋁冶煉生產(chǎn)實(shí)時(shí)控制，又能對(duì)整個(gè)生產(chǎn)實(shí)行科學(xué)有效的管理，實(shí)現(xiàn)信息和操作管理的集中化，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

300kA鋁冶煉計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)將控制部分（下位機(jī)）和管理部分（上位機(jī)）分開(kāi)，具有控制實(shí)時(shí)性好、擴(kuò)展方便、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，其主要功能有：下位機(jī)對(duì)系列電壓、系列電流和單槽電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電解槽的工作狀態(tài)，對(duì)鋁冶煉過(guò)程中的故障進(jìn)行檢測(cè)；針對(duì)鋁冶煉電解槽的不同工作狀態(tài)，采用不同的計(jì)算機(jī)控制策略，使電解槽工作在最佳狀態(tài)；上位機(jī)對(duì)系列數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和解析，實(shí)現(xiàn)單槽和系列參數(shù)的修改，進(jìn)行異常情況和故障的語(yǔ)音報(bào)警，生成生產(chǎn)報(bào)表并打印，實(shí)現(xiàn)電解槽歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)記錄的保存和顯示。

三、300kA鋁冶煉生產(chǎn)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)簡(jiǎn)介

鋁冶煉生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜多變，影響生產(chǎn)的因素極多，300kA大型預(yù)焙槽鋁冶煉生產(chǎn)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)針對(duì)不同的生產(chǎn)過(guò)程制定了相應(yīng)的控制策略：

1.槽電阻控制（RC）

1.1槽電阻控制（RC）的定義及目的

槽電阻控制（RC）是指將當(dāng)前槽電阻與目標(biāo)槽電阻比較，根據(jù)其正負(fù)及變化率進(jìn)行陽(yáng)極升/降控制，槽電阻控制（RC）的目的是①通過(guò)槽電阻調(diào)節(jié)維持正常的極距；②維持理想的熱平衡。

1.2槽電阻計(jì)算機(jī)控制策略

槽電阻R=（V-E）/I ，其中V表示槽電壓，E表示槽反電動(dòng)勢(shì)，I表示系列電流。計(jì)算機(jī)將槽電阻劃分為四個(gè)區(qū)域，針對(duì)不同區(qū)域?qū)嵭胁煌目刂撇呗?。槽電阻分區(qū)控制圖如下：

槽電阻計(jì)算機(jī)控制（RC）策略如下：

①窄死區(qū)為不調(diào)整區(qū)。此期間不進(jìn)行調(diào)極。

②寬死區(qū)為微調(diào)區(qū)。此期間計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)際槽況進(jìn)行輕微調(diào)整，以使槽電阻回到窄死區(qū)。

③調(diào)整區(qū)。計(jì)算機(jī)先作粗調(diào)，粗調(diào)時(shí)動(dòng)極時(shí)限最大3秒（可調(diào)），保持穩(wěn)定一段時(shí)間后再作微調(diào)，以使槽電阻平穩(wěn)的回到窄死區(qū)。

④異常區(qū)為報(bào)警區(qū)。槽電阻在此期間計(jì)算機(jī)停止動(dòng)極，發(fā)出報(bào)警，通知現(xiàn)場(chǎng)操作人員處理。

2.陽(yáng)極更換（AC）控制

在鋁冶煉生產(chǎn)中，陽(yáng)極更換（AC）指令由人工從操作盤發(fā)出，當(dāng)計(jì)算機(jī)檢測(cè)到陽(yáng)極更換（AC）信號(hào)，便旁路RC，禁止陽(yáng)極動(dòng)作，進(jìn)行定時(shí)加工，一旦檢測(cè)到“殘極取出”則停止下料，直到AC結(jié)束。因?yàn)锳C過(guò)程中會(huì)造成大量的熱量損失，并會(huì)有大量的物料落入電解槽中，為了補(bǔ)償電解槽的熱收入和保持物料平衡，在AC結(jié)束后，計(jì)算機(jī)根據(jù)AC額外電壓及AC后額外電阻作用時(shí)間進(jìn)行AC后的附加控制，此過(guò)程下料間隔時(shí)間放大140%。

3. 出鋁（TAP）控制

電解槽進(jìn)行出鋁（TAP）作業(yè)時(shí)，操作人員從操作盤發(fā)出出鋁（TAP）指令，計(jì)算機(jī)首先檢測(cè)是否滿足出鋁開(kāi)始條件：①當(dāng)前電阻值與目標(biāo)電阻值之差>判斷出鋁已開(kāi)始的電阻值②設(shè)出鋁過(guò)程最新4次5s槽電阻值為：JR4，JR3，JR2，JR1，JRB，當(dāng)：JR4-JR3>出鋁開(kāi)始判定用電壓差值1時(shí)，若JR4-JR2>出鋁開(kāi)始判定用電壓差值2或（JR4+JR3）/2- JRB >出鋁開(kāi)始判定用電壓差值3。計(jì)算機(jī)判定滿足出鋁條件時(shí)，進(jìn)入出鋁控制程序，其控制策略為：①當(dāng)前槽電阻與目標(biāo)電阻值之差>出鋁粗降極判定用電阻差值時(shí)，按TAP粗調(diào)陽(yáng)極下降時(shí)間進(jìn)行粗降陽(yáng)極。②當(dāng)前槽電阻與目標(biāo)電阻值之差>出鋁微降極判定用電阻差值時(shí)，按TAP微調(diào)陽(yáng)極下降時(shí)間進(jìn)行微降陽(yáng)極。③當(dāng)前槽電阻與目標(biāo)電阻值之差<出鋁微升極判定用電阻差值時(shí)，按TAP微調(diào)陽(yáng)極上升時(shí)間進(jìn)行微升陽(yáng)極。

當(dāng)出鋁下降總時(shí)間>TAP陽(yáng)極下降總時(shí)間限定并出鋁微調(diào)控制次數(shù)>出鋁控制完成條件判別次數(shù)時(shí)，出鋁控制正常結(jié)束，進(jìn)入出鋁后附加控制。

4. 電壓波動(dòng)（SHK）控制

電解槽內(nèi)的鋁液層受到內(nèi)外力的干擾，會(huì)產(chǎn)生變形和波動(dòng)，使各塊陽(yáng)極底部的極距發(fā)生變化，此時(shí)電壓表現(xiàn)為周期性的波動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)電壓波動(dòng)的幅值超過(guò)電壓波動(dòng)判定用電壓值時(shí)，計(jì)算機(jī)判定發(fā)生電壓波動(dòng)，進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警，將目標(biāo)電阻控制區(qū)由窄死區(qū)轉(zhuǎn)到寬死區(qū)， 并根據(jù)擺動(dòng)的強(qiáng)弱分為三級(jí)進(jìn)行微升陽(yáng)極控制；若升極控制不能抑止電壓波動(dòng)，則每隔5分鐘進(jìn)行一次報(bào)警，直到人工處理正常。電壓波動(dòng)發(fā)生后，目標(biāo)控制電阻（SNRN）=設(shè)定電阻值+電壓擺后額外電阻值，適當(dāng)?shù)奶岣咴O(shè)定電壓，有利于增加電解槽的熱收入，維持電解槽的穩(wěn)定性。

5. 效應(yīng)（AE）控制

陽(yáng)極效應(yīng)是鋁冶煉過(guò)程中發(fā)生在陽(yáng)極上的特殊現(xiàn)象，可分為計(jì)劃效應(yīng)，突發(fā)效應(yīng)和閃爍效應(yīng)。計(jì)算機(jī)每5s進(jìn)行一次效應(yīng)檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)R5S>AE電壓判定值，則確定有效應(yīng)電阻，如果最新4個(gè)5s電阻中有3個(gè)以上效應(yīng)電阻，則判定發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)。當(dāng)陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生時(shí)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行一次效應(yīng)加工（按效應(yīng)加工中的下料次數(shù)，五點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行加工），同時(shí)發(fā)出效應(yīng)報(bào)警，當(dāng)確定真實(shí)效應(yīng)發(fā)生后，每隔2分鐘進(jìn)行一次效應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)報(bào)警，直至效應(yīng)熄滅。

6. 抬母線（ABR）控制

在鋁冶煉生產(chǎn)中，隨著陽(yáng)極的消耗，陽(yáng)極母線的位置會(huì)不斷下移，當(dāng)母線行程接近下限時(shí)，就必須進(jìn)行抬母線作業(yè)。當(dāng)人工從操作盤發(fā)出抬母線作業(yè)指令，計(jì)算機(jī)首先進(jìn)行一次效應(yīng)加工，然后按80%的基礎(chǔ)加工間隔進(jìn)行下料加工控制，直到抬母線作業(yè)（ABR）完成，若抬母線操作時(shí)間>抬母線作業(yè)（ABR）最大時(shí)限，計(jì)算機(jī)每隔5分鐘進(jìn)行抬母線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)語(yǔ)音報(bào)警，直到人工清除為止。

四、結(jié)語(yǔ)

生實(shí)產(chǎn)踐表明，300kA鋁冶煉生產(chǎn)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)能夠?qū)︿X冶煉生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的控制，是鋁冶煉生產(chǎn)的核心技術(shù)，在提高電流效率、降低能耗、延長(zhǎng)電解槽槽壽命、優(yōu)化鋁冶煉生產(chǎn)工藝等方面起到了決定性作用，為300kA鋁冶煉生產(chǎn)線高效、平穩(wěn)運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

作者簡(jiǎn)介：

趙志平，男，1978年7月生，云南香格里拉人，鋁冶煉工程師，云鋁股份電解二廠計(jì)算站。