大型鋁電解廠自動化與智能化研究與發(fā)展綜述

劉 靖 董 菲 李劍虹

（1.東北大學(xué)設(shè)計研究院（有限公司），沈陽 110166；2.遼寧石油化工大學(xué)，撫順 113001）

經(jīng)濟全球化進程的加快為我國工業(yè)發(fā)展提供了機遇，同時也提出了新的戰(zhàn)略要求，工業(yè)智能化和自動化成為第三次工業(yè)革命的信號。在新型工業(yè)化道路戰(zhàn)略的帶動下，“堅持以信息化帶動工業(yè)化，以工業(yè)化促進信息化”的指導(dǎo)思想，大型鋁電解廠生產(chǎn)管理由人力、手動為主的模式向自動化和智能化模式的轉(zhuǎn)變已勢在必行。陽極機械化加工與組裝、多功能機組自動化控制、電解槽工藝操作智能監(jiān)測以及煙氣凈化實時監(jiān)測系統(tǒng)等得到了廣泛應(yīng)用。近年來，眾多研究者在多功能天車優(yōu)化控制、多物理場在線監(jiān)測與槽況診斷等機械自動化和診斷智能化領(lǐng)域做了大量研究與工作，為電解鋁生產(chǎn)控制的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1 多功能機組換極定位的自動化研究與發(fā)展

電解多功能天車（PTM）是電解生產(chǎn)的核心機械化專用操作設(shè)備，主要用于電解生產(chǎn)的打殼、換極、下料、出鋁、抬母線及槽大修等工作。由于電解多功能天車承擔(dān)著電解生產(chǎn)規(guī)?；鳂I(yè)任務(wù)，對其進行自動化研究和改進，可以提高生產(chǎn)效率，降低物料消耗，提高工業(yè)產(chǎn)值。

陳智園[1]將PLC運用于多功能天車加料系統(tǒng)實現(xiàn)了天車自動加料、設(shè)備故障的自動檢測；王峰[2]采用PLC結(jié)合變頻器控制技術(shù)實現(xiàn)了大車、小車的精確對位，并根據(jù)料倉的實際情況放料閥門的開合；韓敏[3]通過利用LOGO控制器改造天車的對位加料系統(tǒng)，實現(xiàn)了加料裝置各機構(gòu)協(xié)調(diào)互鎖和自動控制功能。利用PLC和變頻器對電器系統(tǒng)進行改造，解決了抓斗天車電器故障頻繁的問題[4]；利用羅克韋爾PLC網(wǎng)絡(luò)控制實現(xiàn)天車故障報警及參數(shù)監(jiān)控的功能，大車、小車行走采用1336系列變頻器調(diào)速，滿足了天車快速運送陽極和超低速在操作面作業(yè)（裝爐、清料和加料）的需要[5]。王明海[6]將陽極自動測高裝置集成于多功能機組，提高了換極效率并較低了勞動強度，減少了煙氣排放；祁生軍[7]將S7-300PLC連接到Profibus-DP總線中，與帶有CP5611或CP5511網(wǎng)卡的工程師站以及安裝有PI-SI通訊卡的變頻器和智能電機保護器形成MPI網(wǎng)絡(luò)或DP網(wǎng)絡(luò)，低位控制高位，基于網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)天車的所有功能，提高了換極效率。朱有輝[8]通過由一臺觸摸式工控機、兩臺PLC、九臺DP從站和一套遙控系統(tǒng)構(gòu)成的整車網(wǎng)絡(luò)總線控制方式，實現(xiàn)了信號可靠傳輸、電機回路簡化控制、抗磁場干擾等功能；龔惠玲[9]設(shè)計的新型多功能鋁電解槽陽極坑撈塊裝置可一次性將提殘極時落入槽中的料塊和料渣全部抓出，避免了人工撈渣造成的人身傷害和風(fēng)格板破損隱患；潘玉倉[10]選用LCSP-ZG25型智能絕緣監(jiān)控電子控制裝置，對多功能機組各處絕緣結(jié)構(gòu)實現(xiàn)實時監(jiān)測、自動保護功能；王濤[11]通過安裝大小車軌道吹灰裝置實現(xiàn)了對原系統(tǒng)中清理鏟的限位及絕緣護套的改造和優(yōu)化。

通過研究和改進，多功能機組的綜合性能不斷提升，具備自動精準(zhǔn)對位、故障智能診斷、抗干擾性能強、適用性高、設(shè)備損壞率低以及勞動強度低和安全隱患低等特點，設(shè)備自動化和智能化在各方面均得到充分體現(xiàn)。

2 多物理場在線監(jiān)測與槽況診斷

鋁電解槽物理場主要包括電場、熱場、溫度場、磁場、流場、應(yīng)力場，各物理場的分布直接影響鋁電解槽電流效率、能量消耗和壽命等關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。因此，鋁電解槽多物理場在線連續(xù)監(jiān)測成為判定槽況和改進指標(biāo)的重要手段。

針對多物理場間斷手動測試存在時間不同步、結(jié)果誤差大、勞動強度大及無法連續(xù)監(jiān)測等問題，文斌[12]、王震[13]、鐵軍[14]、樊肇軍[15]等人分別研究了鋁電解槽陽極導(dǎo)桿電流在線監(jiān)測和分析系統(tǒng)，設(shè)計了架構(gòu)中的模塊化系統(tǒng)硬件和運行可靠的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了電流數(shù)據(jù)的釆集分析，為電流分布及電解槽槽況判斷提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；孟玲[16]利用銻一餌一鍺、銻一鍺稀土共摻增光敏技術(shù)開發(fā)了新型光纖光柵高溫傳感器，對布設(shè)于槽殼上的光纖光柵傳感器構(gòu)建了多點溫度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了強磁場、高溫、多塵環(huán)境下的槽殼溫度的實時在線監(jiān)測；張家奇[17]利用delphi7.0為前臺開發(fā)系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了極距、鋁液波型、陽極電流分布的在線監(jiān)測，并提出了依托鋁電解槽極距與鋁液波動在線監(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)的極距均一化操作管理思路；王紫千[18]以C8051單片機為核心，采集陽極導(dǎo)桿等距壓降，由上位機存儲數(shù)據(jù)并顯示鋁液液面波動曲線，進而實現(xiàn)鋁電解槽內(nèi)鋁液液面波動的實時監(jiān)測；林燕[19]采用Fortran與Visual Basic語言相結(jié)合的混合編程方式開發(fā)軟件系統(tǒng)，發(fā)揮數(shù)值計算與界面顯示優(yōu)勢，實現(xiàn)了對鋁電解槽槽膛內(nèi)形狀的在線監(jiān)測。

與間斷手動測試相比，自動連續(xù)在線監(jiān)測系統(tǒng)以其測試過程實時連續(xù)、數(shù)據(jù)采集自動存儲、界面數(shù)據(jù)曲線直觀的特點為槽況診斷、槽結(jié)構(gòu)設(shè)計及耦合仿真提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

在陽極故障及槽況診斷領(lǐng)域，梁漢[20]利用LH-70型陽極電流測量儀實現(xiàn)了對槽噪聲性質(zhì)、強度及發(fā)聲源的判定，進而指導(dǎo)槽噪聲抑制方法的選用。李春艷[21]、楊軍[22]和劉飛岐[23]運用頻域分析、時頻分析、經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸饧吧窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，開發(fā)了Windows界面下陽極效應(yīng)定位檢測和集陽極振動信號的采集、分析、管理于語一體的輔助系統(tǒng)，實現(xiàn)了對陽極效應(yīng)的檢測和預(yù)報；殷小寶[24]根據(jù)陽極電流信號的能量特征通過建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷模型實現(xiàn)對鋁電解槽槽況的診斷。

3 結(jié)語

綜上所述，電解多功能機組、電解槽多物理場在線監(jiān)測與槽況診斷等的自動化和智能化研究與發(fā)展給鋁電解行業(yè)帶來了新的革命。

（1）從生產(chǎn)、監(jiān)測、控制到診斷、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，都貫穿著信息技術(shù)融入工業(yè)的理念，為提高生產(chǎn)效率，節(jié)能減排和職業(yè)安全提供了保障。

（2）隨著我國人口紅利的消失，工業(yè)自動化和智能化已進入高速發(fā)展期，尤其針對我國人口分布不均的問題，這種生產(chǎn)技術(shù)模式顯著降低勞動成本，給鋁工業(yè)西部開發(fā)帶來了新希望。

（3）在陽極加工與組裝、物料控制、故障排除、煙氣凈化等實現(xiàn)自動化之后，應(yīng)將研究與發(fā)展的重心轉(zhuǎn)向智能化。

（4）自動化和智能化的發(fā)展進一步縮小了我國鋁電解行業(yè)與世界先進水平的差距。