電解鋁廠自動(dòng)化現(xiàn)狀和優(yōu)化措施

周 鑫

（沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110001）

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)下行壓力增大，我國(guó)的鋁行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩日益嚴(yán)重，已到了“爬坡過(guò)坎，轉(zhuǎn)型升級(jí)”的關(guān)鍵時(shí)期。大力促進(jìn)鋁行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級(jí)轉(zhuǎn)型，已經(jīng)成為企業(yè)運(yùn)營(yíng)的重中之重。將人工智能，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和電氣控制的智能化引入鋁廠將達(dá)到優(yōu)化崗位設(shè)置，精減崗位人員，車(chē)間生產(chǎn)協(xié)調(diào)效率更高，管理更一致的效果[1]。

1 電解鋁廠自動(dòng)化現(xiàn)狀和不足

（1）電解鋁廠自動(dòng)化現(xiàn)狀。20世紀(jì)50年代，我國(guó)就開(kāi)始引進(jìn)有色冶金工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，目前我國(guó)鋁廠自動(dòng)化設(shè)備的覆蓋率較高。一般而言，全廠自動(dòng)化系統(tǒng)包括電解槽控系統(tǒng)、車(chē)間PLC控制系統(tǒng)和視頻監(jiān)視系統(tǒng)，均通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)接入到全廠控制中心。電解槽控系統(tǒng)：在實(shí)時(shí)控制的基礎(chǔ)上，對(duì)電解過(guò)程的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)數(shù)據(jù)采集功能收集來(lái)自化驗(yàn)室、日常測(cè)量及電解槽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，快速解析每臺(tái)槽數(shù)據(jù)，對(duì)于異常槽，可以找到引起電解槽異常的根本原因，并以直觀可追溯方式展現(xiàn)給操作者和管理者。車(chē)間PLC控制系統(tǒng)：在每個(gè)主要生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)設(shè)置一套PLC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備自帶控制系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)。設(shè)備信息及工藝參數(shù)通過(guò)以太網(wǎng)連接至主控樓控制中心，并實(shí)現(xiàn)控制中心遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。視頻監(jiān)控系統(tǒng)：包括生產(chǎn)視頻監(jiān)控及安保視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、運(yùn)行設(shè)備、保安的狀況進(jìn)行圖像記錄和實(shí)時(shí)監(jiān)視。及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，進(jìn)行歷史圖像追憶和查詢，為安全事故分析提供可靠信息資料。

（2）電解鋁廠自動(dòng)化不足。配電所未配備智能化電氣設(shè)備，沒(méi)有搭建智能化配電系統(tǒng)，電氣巡檢人員多，用電故障排查不及時(shí)，電網(wǎng)高低峰電價(jià)、負(fù)荷及電解槽的信息協(xié)同優(yōu)化沒(méi)有開(kāi)展。重要工藝設(shè)備儀表測(cè)點(diǎn)缺乏冗余，當(dāng)儀表?yè)p壞或受干擾時(shí)無(wú)法提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)[2]。某些鋁廠的槽控箱為90年代產(chǎn)品，在高磁場(chǎng)、高電流的作用下，扛干擾能力差。此外，鋁電解情況復(fù)雜，受出鋁、效應(yīng)等因素影響，現(xiàn)場(chǎng)需要技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富的工人進(jìn)行手動(dòng)調(diào)控，才能確保電解槽穩(wěn)定運(yùn)行。鋁廠集團(tuán)總部與下屬分廠以及分廠各生產(chǎn)車(chē)間之間未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一信息平臺(tái)，不能有效發(fā)揮各廠及部門(mén)的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。

2 鋁廠優(yōu)化措施

2.1 升級(jí)鋁廠配電系統(tǒng)

首先設(shè)備升級(jí)，高壓開(kāi)關(guān)柜接地刀采用電動(dòng)設(shè)計(jì)，以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)安裝攝像頭，當(dāng)電動(dòng)操作時(shí)，對(duì)柜內(nèi)電動(dòng)底盤(pán)車(chē)及接地刀進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測(cè)。廠用變壓器、低壓柜的進(jìn)線和各重要負(fù)荷出線配置具有通訊功能的多功能儀表，通過(guò)通訊管理機(jī)將各特性參數(shù)上傳至后臺(tái)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)測(cè)。其次建立智能供配電管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化配電解決方案，結(jié)合云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析與服務(wù)，將配電系統(tǒng)中的智能設(shè)備互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)高效維護(hù)，保障配電運(yùn)行更加可靠，全方位改善配電系統(tǒng)。通過(guò)高速采集和處理所有智能配電設(shè)備（斷路器、變壓器、絕緣監(jiān)測(cè)、電容補(bǔ)償裝置）的數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)電能質(zhì)量管理、電氣資產(chǎn)管理和運(yùn)行維護(hù)管理。對(duì)過(guò)載、過(guò)溫、設(shè)備老化及電能質(zhì)量起到預(yù)警作用，縮短停電時(shí)間，減少停電次數(shù)并延長(zhǎng)設(shè)備壽命。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接口與供電公司信息對(duì)接，優(yōu)化排產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)最低電價(jià)。

2.2 提升鋁廠工藝設(shè)備的傳感器配置

①對(duì)于核心工藝設(shè)備配置冗余智能型傳感器，傳感器能夠自動(dòng)篩選有效的數(shù)據(jù)并初步加工，降低控制中心自動(dòng)化系統(tǒng)的負(fù)荷壓力。②采用冗余配置，故障狀態(tài)下能夠選擇自動(dòng)切換至備用部件，避免設(shè)備故障引起工藝流程的中斷，從而保障生產(chǎn)安全可靠性。

2.3 選用智能模糊控制槽控機(jī)

電解槽控機(jī)之間通過(guò)CAN總線連接，槽控機(jī)硬件以16位工業(yè)級(jí)CPU為控制核心，箱內(nèi)集成知名廠家元器件，硬件系統(tǒng)具有靈活的模塊插拔功能。軟件系統(tǒng)具有專家模糊控制和槽況專家診斷等功能。專家模糊控制由推理機(jī)和模糊控制共同完成，推理機(jī)主要實(shí)現(xiàn)槽況分析、系統(tǒng)工作點(diǎn)和控制器性能的自調(diào)整等功能，而模糊控制則是完成下料速率調(diào)節(jié)和級(jí)距調(diào)節(jié)。

槽況專家診斷采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)成知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，監(jiān)視和控制槽況的變化趨勢(shì)，自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)入所需數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，之后進(jìn)行診斷并形成控制決策。

智能模糊控制槽控機(jī)將現(xiàn)有的以單槽為單位的實(shí)時(shí)在線優(yōu)化方法升級(jí)為以整系列為單位的全局優(yōu)化措施，并以標(biāo)準(zhǔn)化為手段，通過(guò)降低外圍因素的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單臺(tái)指標(biāo)在不同時(shí)間、不同電解槽上的可復(fù)制性，實(shí)現(xiàn)對(duì)電解全方位管理，達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

2.4 建立完善的鋁廠智能化平臺(tái)

智能化鋁廠需搭建一套完善的工業(yè)化和信息化綜合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，一級(jí)平臺(tái)為集團(tuán)的ERP系統(tǒng)，通過(guò)云服務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各分廠的數(shù)據(jù)交換和共享。二級(jí)平臺(tái)包括信息展示、智能槽控系統(tǒng)、能源管理、專家決策、數(shù)據(jù)模型、生產(chǎn)管控、巡檢管理、智能工廠數(shù)據(jù)庫(kù)等；三級(jí)平臺(tái)包括電力系統(tǒng)管理、安防管理、智能網(wǎng)關(guān)、工控管理、辦公網(wǎng)絡(luò)、傳感器、工藝智能化設(shè)備等，此平臺(tái)的建設(shè)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)智能化和管理智能化。

（1）生產(chǎn)智能化。主要體現(xiàn)在以下方面：①智能檢測(cè)：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多廠站聯(lián)結(jié)，在運(yùn)營(yíng)單元建設(shè)的二級(jí)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有廠站集中式監(jiān)控，統(tǒng)一調(diào)度控制和移動(dòng)化管理。通過(guò)匯聚相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)視頻監(jiān)控錄像、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)等，啟動(dòng)專家系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，形成監(jiān)控、報(bào)警、診斷的一體化聯(lián)動(dòng)機(jī)制。②智能槽控：通過(guò)遠(yuǎn)程智能終端可以實(shí)現(xiàn)專家遠(yuǎn)程控制電解槽，同時(shí)通過(guò)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)電解槽的數(shù)字化。③智能巡檢：優(yōu)化管理模式，通過(guò)手機(jī)或PDA等智能移動(dòng)終端，輔以設(shè)備故障報(bào)警快速定位等方式進(jìn)行智能巡檢。如遠(yuǎn)程操控機(jī)器人完成電解槽自動(dòng)換極與出鋁、在整流所高危區(qū)域采用搭載監(jiān)控?cái)z像機(jī)等設(shè)備的巡檢機(jī)器人獲取母線溫度、設(shè)備檢修等作業(yè)。④智能調(diào)度：通過(guò)建立鋁廠與電網(wǎng)、物流系統(tǒng)模型，利用數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度和倉(cāng)儲(chǔ)，在考慮生產(chǎn)安全可靠的前提下，綜合利用高低峰電價(jià)和各車(chē)間氣熱供應(yīng)信息，降低生產(chǎn)成本。⑤智能安防：廠區(qū)視頻監(jiān)控?cái)z像頭實(shí)現(xiàn)了全廠無(wú)死角全覆蓋，輔以門(mén)禁控制和巡更，在廠區(qū)外墻布設(shè)主動(dòng)紅外預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)人防和技防的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)廠區(qū)安全。

（2）管理智能化。包括設(shè)備管理和人員管理。其中設(shè)備管理可借助三維模型，結(jié)合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，輔助以AI視覺(jué)感知等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)施的在線管理功能，對(duì)設(shè)備壽命、設(shè)備成本等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，制定各設(shè)備設(shè)施的保養(yǎng)、維修、改造、更換計(jì)劃。人員管理則借助智能視覺(jué)分析等先進(jìn)手段，提高工廠人、物、事件管理的無(wú)人化或少人化、智能化水平；提升生產(chǎn)運(yùn)行管理、巡檢管理、設(shè)備管理、安全管理、?；瘓?chǎng)所管理效率，減少人力成本。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)電解鋁廠的管、控、決策、物流等全面智能化任重道遠(yuǎn)，鋁廠智能化建設(shè)離不開(kāi)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)。雖然這些技術(shù)在某些領(lǐng)域取得了卓越的成果，但在制造業(yè)的成功案例卻不多見(jiàn)，而且由于投入成本過(guò)高，培訓(xùn)周期長(zhǎng)等因素，阻礙了大規(guī)模推廣。