新型智能槽控機的開發(fā)和應用

魏清漢 王振偉 王德全 劉傳國

(河南東大泰隆冶金科技有限公司，河南 鄭州 450008)

設備節(jié)能

新型智能槽控機的開發(fā)和應用

魏清漢 王振偉 王德全 劉傳國

(河南東大泰隆冶金科技有限公司，河南 鄭州 450008)

為解決傳統(tǒng)“大板式”槽控機結(jié)構(gòu)上的不足，綜合運用計算機技術、現(xiàn)場總線技術和智能控制技術，開發(fā)了新一代智能槽控機。該機運算能力強、故障率低，可大幅減少維修費用和運行成本。其主控制器采用標準PLC軟件和硬件體系，用工業(yè)觸摸屏作人機界面，能實現(xiàn)真正的分布式控制和智能化控制，并能很好適應鋁電解技術電解槽大型化、控制精細化和管控一體化的發(fā)展方向。

鋁電解; CANBUS; PLC; 智能槽控機

1 大板式結(jié)構(gòu)槽控機的缺陷

槽控機是鋁電解槽自動控制系統(tǒng)的主體部分，是鋁電解生產(chǎn)過程中的重要設備。當前國內(nèi)的槽控機大都是從單板機發(fā)展過來的“大板式”結(jié)構(gòu)，這種槽控機在30多年的發(fā)展和使用過程中也暴露出了一些缺陷和不足。

(1)“大板式”結(jié)構(gòu)元器件直接裸露焊接在電路板上，在電解車間強腐蝕、高粉塵環(huán)境下極易因氧化腐蝕而損壞，所以故障率極高，檢修、維護工作量大，運行費用高。

(2)人機界面采用數(shù)碼管加指示燈顯示方式和由10多個按鍵(各廠家有差異)組成的操作板的輸入方式，顯示和輸入內(nèi)容簡單，運行時過分依賴上位機，不能做到真正獨立的分布式控制。

(3)軟件、硬件體系均為各自開發(fā)，不易與第三方設備或系統(tǒng)相連接，不具備可擴展性，不易與管控一體化系統(tǒng)相兼容。

槽控機從20世紀80年代初的Z80單板機時代發(fā)展至今，國內(nèi)槽控機廠家進行了不斷的創(chuàng)新，也取得了很大的進步。軟件方面從原來的簡單的定時下料控制到目前的基于模糊控制和智能控制的自適應控制，取得了很大成就，達到了世界先進水平。但硬件方面從單板機到多個板通過并行連接再到今天的多CPU結(jié)構(gòu)，始終擺脫不了“大板式”結(jié)構(gòu)，所以上述問題一直存在。為更好解決當前問題，某公司研發(fā)了新型槽控機——NEUTL型智能槽控機。

2 新型智能槽控機研發(fā)思路

為適應我國鋁電解技術的快速發(fā)展，解決“大板式”結(jié)構(gòu)槽控機存在的問題，需要開發(fā)有更高的可靠性、很好的可擴展性和兼容性的智能槽控機。本文所論述槽控機的整體設計思路為將原“大板式”結(jié)構(gòu)改為標準PLC結(jié)構(gòu)，原數(shù)碼管加指示燈的顯示方式改為高分辨率觸摸屏。由于鋁電解槽控制的特殊性和價格等原因，市面上現(xiàn)有PLC均不適用，故開發(fā)出了槽控機專用PLC型控制單元。PLC型控制單元采用模塊化設計，具有標準PLC的軟件、硬件體系，支持標準的RS232、RS485和CANBUS通訊，支持標準PLC的梯形圖、指令表和功能塊編程方式，能在線修改、下載程序。人機界面采用標準工業(yè)觸摸屏，采用組態(tài)化編程方式，有標準以太網(wǎng)接口和RS485/232接口。

軟件方面將部分標準軟件作為軟件模塊固化在系統(tǒng)中，如陽極升降保護、工藝操作等軟件，并將特定神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法的先進控制模塊引入軟件系統(tǒng)，使智能槽控機具有自學習和修正控制參數(shù)的功能，可根據(jù)控制要求自動優(yōu)化目標控制曲線。根據(jù)各槽的實際情況找尋電解槽特征控制曲線和參數(shù)的控制系統(tǒng)能滿足每個電解槽自有特征控制策略和方法，實現(xiàn)個性化尋優(yōu)控制，即按電解槽固有的個體規(guī)律找尋控制變量和工藝參數(shù)而實現(xiàn)控制。

PLC型控制單元增加可編程邏輯器件(PLD)以實現(xiàn)邏輯部分的保護。PLD的顯著特點就是硬件電路“軟件化”，即它的邏輯功能可按照用戶對器件編程來確定。這樣就使整個硬件體系更加靈活，功能更強大，保護功能更完善。不僅能實現(xiàn)硬件邏輯層面上的限時、限幅、限位保護，而且能實現(xiàn)接觸器粘連、接觸器不吸、升降接觸器互鎖、電源缺相、反序等故障的防護和脫扣器故障監(jiān)視。硬件邏輯保護和軟件保護、硬件動力回路保護組成三級保護體系，確保陽極升降安全、可靠。

3 新型智能槽控機主要結(jié)構(gòu)及特點

3.1 主要結(jié)構(gòu)

以新型智能槽控機為主要設備構(gòu)成的NEUTL鋁電解智能控制系統(tǒng)采用“局域網(wǎng)—生產(chǎn)監(jiān)控—槽控機”三級網(wǎng)絡分布式控制結(jié)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)由安裝在電解生產(chǎn)現(xiàn)場的智能槽控機(直接控制級)和安裝在計算機站的管理機(生產(chǎn)監(jiān)控管理級)以及安裝在電解車間的工區(qū)工作站組成。每個區(qū)內(nèi)的智能槽控機采用CANBUS連接;每個區(qū)的CANBUS在車間內(nèi)轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)并進行光電轉(zhuǎn)換,通過光纖與位于控制室的監(jiān)控管理機相連接，光纖使用以太網(wǎng)的通訊協(xié)議進行傳輸。整流送來的系列電流信號(4～20 mA)和系列電壓信號(0～10 V)在通訊接口箱進行轉(zhuǎn)換，系列電流信號轉(zhuǎn)換為頻率信號通過電流總線送到各槽控機，系列電壓由采集模塊采集后通過CANBUS通訊接入上位機，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

智能槽控機在外觀上采用壁掛式，分左右兩個獨立箱體，左邊為動力箱體，右邊為邏輯箱體。動力箱體主要由主電源開關、控制開關、交流接觸器、槽壓表、動力檢測單元、控制按鈕等部分組成。

控制箱體是槽控機的控制核心，主要由2個PLC模塊、人機界面(觸摸屏)組成。2個PLC模塊之間通過RS485通訊，PLC模塊與觸摸屏之間通過RS232通訊，PLC模塊與上位機通過CANBUS通訊。智能槽控機結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 主要特點

新型智能槽控機主要技術特點如下：

(1)標準體系。主控制器采用標準PLC軟件和硬件體系，支持標準的RS232、RS485和CANBUS通訊，支持0～10的VDC和4～20mA的DC標準信號接入，支持標準的梯形圖和組態(tài)化編程方式。

(2)可靠性高。軟件平臺成熟、穩(wěn)定、可靠。硬件為標準結(jié)構(gòu)，滿足CE標準，防干擾能力強、可靠性高、故障率低，為免維護設計。

圖1 由新型智能槽控機組成的鋁電解生產(chǎn)智能監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

圖2 嵌入式PLC結(jié)構(gòu)智能槽控機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

(3)在線編程。采用梯形圖、功能塊和語言編程，能在線編程和下載程序，可方便響應用戶提出工藝改進、生產(chǎn)試驗的特殊要求，實現(xiàn)個性化控制。

(4)真正分布式控制。能通過觸摸屏現(xiàn)場修改控制參數(shù)(需有相應權限)；能顯示實時數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息、故障信息等并能現(xiàn)場查詢電壓、電流等相關數(shù)據(jù)的實時和歷史曲線；脫離上位機時仍能選擇和切換控制策略與參數(shù)，并可安全獨立運行，實現(xiàn)真正的分布式控制。

(5)人性化設計。人機界面顯示智能化，顯示內(nèi)容自動跟隨槽況，不需人工切換就能直接顯示當前槽況的相關參數(shù)。采用圖形化的顯示方式，直觀明了。操作人員不需死記硬背復雜的組合按鍵含義和故障碼信息即可操作。

(6)完善的保護功能。軟件保護、硬件邏輯保護和硬件動力回路保護組成三級保護體系，有限時、限幅、限位和防硬件故障等多種保護方式。操作界面進行防誤操作設計，安全性提高。

(7)開放式系統(tǒng)。系統(tǒng)方便接入陽極導桿電流分布傳感器、槽殼溫度測量傳感器、爐底壓降測量傳感器等用于輔助分析槽況。方便與管控一體化系統(tǒng)、母線接地報警系統(tǒng)、天車出鋁系統(tǒng)等第三方系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)。

4 應用實例

新型智能槽控機開發(fā)完成后，先后在河南某鋁廠300 kA系列槽和山東某鋁廠400 kA系列槽進行試驗。選取5臺電解槽進行試驗運行，組成獨立的分布式控制系統(tǒng)。每臺槽控機控制一臺電解槽，槽控機之間通過CANBUS總線相連，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換裝置通過光纖接入位于主控室內(nèi)的監(jiān)控機和數(shù)據(jù)服務器，在區(qū)長辦公室設置一臺工區(qū)工作站。除電流信號和語音報警系統(tǒng)與其它槽系統(tǒng)共用外(由于電解槽控制系統(tǒng)的特殊性)，其它均獨立運行。試驗運行中對硬件和軟件系統(tǒng)各項功能進行了系統(tǒng)的測試和論證，尤其對陽極移動安全防護措施進行了反復的驗證。積極了解現(xiàn)場反饋信息，聽取生產(chǎn)現(xiàn)場的合理化建議，并結(jié)合生產(chǎn)實際對相關功能進行調(diào)整，滿足電解槽的個性化控制要求。對運行數(shù)據(jù)和曲線進行了詳細的分析，結(jié)合槽溫、鋁水平、電解質(zhì)水平、氧化鋁濃度、分子比等人工化驗數(shù)據(jù)和生產(chǎn)經(jīng)驗對新型智能槽控機的控制效果進行了深入的研究。試驗運行持續(xù)一年，各項技術指標滿足設計要求，取得了預期效果，抽驗的氧化鋁濃度數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗槽氧化鋁濃度數(shù)據(jù) 單位：%

試驗定型后正式投入新疆某鋁廠400 kA系列運行。該項目一個系列共168臺電解槽，分4個工區(qū)，自2012年初投入正式運行。運行后，新型智能槽控機軟件、硬件穩(wěn)定、可靠，保證了電解槽的安全穩(wěn)定運行，減少了維修費用和運行成本。電解工經(jīng)過簡單介紹和培訓即可適應并熟悉這種具有友好的人機界面，采用可視化圖形操作界面的新型智能槽控機的操作。新型智能槽控機的優(yōu)點也改變了生產(chǎn)管理的方式，電解工通過觸摸屏及時查看完整的電解槽信息，并能現(xiàn)場查詢實時和歷史曲線，現(xiàn)場查詢和修改參數(shù)(修改需權限)，有異常情況及時處理，真正做到的了獨立分布式控制，充分發(fā)揮了電解工的主動性。新型智能槽控機改變了以前“大板式”槽控機過分依賴上位機，電解工對電解槽槽況了解太少，一旦槽控機與上位機通訊異常，槽控機只能維持當前控制參數(shù)不變，且不能及時了解詳細的槽況信息，延誤時機造成槽況惡化的情況。當發(fā)生異常時，智能槽控機直接顯示異常情況的詳細信息，并通過分析直接顯示異常原因和處理方法，指示相關人員快速處理，實現(xiàn)真正的智能化。

運行期間對氧化鋁濃度、槽電壓和效應系數(shù)等關鍵技術指標進行了長時間的跟蹤測試、分析，其中氧化鋁濃度數(shù)據(jù)如表2、圖3所示(數(shù)據(jù)為2013.4～6月隨機抽檢)。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，新型智能槽控機所控制的電解槽均處在高效率、低電耗的低窄氧化鋁濃度區(qū)域，濃度在1.5%～3.0%的占91.18%，其中在1.5%～2.5%的占48.36%，符合低氧化鋁濃度的控制思想。槽電壓控制、電流效率和效應系數(shù)等其它關鍵指標也均達到了當前先進水平。智能槽控機采用PLC結(jié)構(gòu)的邏輯控制單元優(yōu)勢明顯，故障率大大降低，平均故障檢修率低于0.02次/臺·a，僅為“大板式”槽控機平均故障率的5%左右，僅維修費用和檢修成本一項節(jié)約90%以上。NEUTL鋁電解智能控制系統(tǒng)已通過標準連接方式與母線接地檢測系統(tǒng)以及LED顯示系統(tǒng)互聯(lián)，實現(xiàn)了資源共享，縮短了故障排除提醒時間，提高了整個鋁電解生產(chǎn)的安全性。通過標準接口與其集團網(wǎng)信息化系統(tǒng)的互聯(lián)也即將完成。

表2 新疆某鋁廠400 kA電解槽氧化鋁濃度數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

新型智能槽控機投入運行后，充分顯示了可靠性高、可擴展性和兼容性好等方面的優(yōu)點。

(1)PLC強大的編程和運算功能以及工業(yè)觸摸屏信息顯示和方便操作功能得到了很好的體現(xiàn)。不再過分依賴上位機，實現(xiàn)了真正意義上的獨立分布式控制和智能控制。

(2)可視化和組態(tài)化的編程方式使得智能槽控機軟件升級非常方便，能根據(jù)用戶的實際情況進行相關輔助功能的調(diào)整，實現(xiàn)精細化控制和個性化控制。

(3)標準的軟件和硬件體系使槽控機系統(tǒng)很方便地外接第三方設備，實現(xiàn)陽極電流分布、槽殼溫度等用于電解槽輔助控制，也方便槽控機系統(tǒng)接入鋁廠的管控一體化或MIS系統(tǒng)。

新型槽控機有效地解決了槽控機維修率高、軟件不標準、不能獨立分散運行等問題。能滿足鋁電解技術電解槽大型化、控制精細化和管控一體化的發(fā)展需求，是槽控機以后的發(fā)展方向。

[1] 劉延飛、王曉戎. 基于AlteraFPGA/CPLD的電子系統(tǒng)設計及工程實踐[M]. 北京：人民郵電出版社，2009.

[2] 潘立登. 先進控制與在線優(yōu)化技術及其應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3] 劉業(yè)翔,李劫,等. 現(xiàn)代鋁電解[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

Development and Application of New Intelligent Potline Controller

WEI Qing-han, WANG Zhen-wei, WANG De-quan, LIU Chuan-guo

In order to solve the deficiency of traditional “big plate” potline controller, a new generation intelligent potline controller is developed. This intelligent potline controller can greatly reduce the repair and operation costs because of its high operation capability and low failure rate. The main controller with standard PLC software and hardware, industrial touch screen as human machine interface, can really accomplish distributed and intelligent control. This new controller can adapt well to the development direction of aluminum electrolysis cell in large-scale, fine control, and management and control integration.

aluminum electrolysis; CANBUS; PLC; intelligent potline controller

2014-05-05

魏清漢(1980—)，男，河南泌陽人，大學本科，從事氧化鋁、電解鋁行業(yè)自動化控制技術研發(fā)工作。

TF821

A

1008-5122(2014)05-0027-04