铝电解自动控制系统的新亮点

摘　要：本文介绍了引进的ELAS系统特有的按需下料模块、出铝控制模块、效应自动熄灭模块、波动处理模块、硬件结构的可靠性等。

关键词：ELAS系统、按需下料、出铝控制、自动阳极效应熄灭、波动处理、硬件技术。

作　者：潘义华 张泳美 钟向明　占勇军 袁宏均
   
    一、引 言

　　霍尔----埃鲁法铝冶炼的过程控制自动化已经要求有可靠、高性能的调节手段。本公司在A120槽型的电解槽生产中采用了德国联合铝业公司技术部开发的铝冶炼过程自动控制系统ELAS，该系统具有如下特点：

　　＊操作平面可靠且丰富多彩，能极大的满足管理电解槽生产工艺的技术人员和工人要求。

　　＊采用OPEN VMS操作平台，确保了系统的可靠性。

　　＊具有自己特色的槽控制模块（如按需下料模块、出铝控制模块、针摆解析模块等），提高了现场控制精度和现场人员对槽故障判断能力，配合有特色的地面操作专用小车，大大地降低了工人的工作强度。

　　＊良好的设备结构，提供给现场工人最大的自主权和在不影响正常生产的前提下的设备维护。

　　该系统对冶炼过程进行控制的数学模型和控制思想是建立在对电解槽生产过程中的各种扰动和其自身的变化规律通过全程模拟基础上的，即槽电阻随电解质中氧化铝浓度变化规律、极距调整与其三场变化规律、单个阳极高或低于阳极底部平面对槽电阻影响的规律等，经过这些模拟，同时忽略掉部分对电解槽生产过程中影响较小的扰动和在解析的过程中剔除对槽生产产生异常的扰动（其中的效应、换极等为正常扰动不与剔除），作出相应的控制模块应用于生产中。

    二、ELAS系统的高可靠性

　　铝电解生产是一种连续生产，因此铝电解控制系统的高可靠性是保证正常生产的关键。ELAS系统在硬件及软件设计上都考虑了保证系统的高可靠性。

　　（一）系统硬件

　　ELAS系统采用了分布式设计，共有两级：过程控制级和管理级。这两级由标准的以太网连接。系统结构图如图1所示：

　　过程控制级主要由ELAS控制器、带输入输出模块的PLC、操作面板（现场人机接口）及与管理级通信的网络接口组成。

　　ELAS控制器是过程控制级的核心部分，每台控制器控制两台电解槽的生产，它实现的主要功能有：

　　a、系列电流及槽电压的数据采集

　　b、电解过程控制

　　c、与上位机的通讯

    每台ELAS控制器有三个独立的光电隔离采样通道分别用于采集系列电流值和两台电解槽的电压值，采用16位的A/D转换器。各通道测量值的获取是同时进行的，采样周期为200ms。同时由于ELAS控制器中集成了以太网控制器，用于实现处理器和上位机之间的通信，因此不需要专门的通讯机来完成数据采集和网络通信，既减少了电缆数量又分散了危险。

　　ELAS控制器的中央处理单元采用32位的MC68340处理器；内存为512K，其中256K带有后备电池；还带有512K的FLASH-EPROM，用于存储程序模块。由于控制器采用较高档的配置，为处理较高的采样频率及复杂的过程控制算法提供了条件。铝电解过程控制完全由ELAS控制器控制实现，当上位机或网络通信发生故障时，不影响连续生产控制。

    由于采用FLASH-EPROM保存程序模块，为程序的升级和刷新提供了方便。当ELAS控制器程序异常或程序升级后需要重装时，可直接通过上位机实现程序下载。

　　管理级提供了一套界面及功能丰富的信息系统，既有生产的历史数据及各种槽操作的显示，又有反映参数发展趋势的图表、报表等。它由两台上位机、存储盒、网络打印机、两台X终端组成。

　　1、上位机

　　两台上位机位于办公楼的微机室，采用64位的Alpha机。上位机主要实现下列功能：

　　a、周期与非周期的从ELAS控制器获取各种生产数据

　　b、控制参数的修改与设定

　　c、各种曲线、图表及报表的生成、储存及打印

　　d、对ELAS控制器进行程序下载

　　由于上位机是实现集中管理的核心，因此在这里采用了冗余设计，一台用做服务器，另一台作为备用。当服务器发生硬件故障时，备用机可承担服务器功能。这种冗余设计大大地提高了系统的可靠性。

　　2、存储盒

　　存储盒中配置有4.3G硬盘及磁带机。硬盘用于存放ELAS系统应用软件及数据文件。磁带机用于将系统软件、应用软件及数据备份到磁带上。存储盒通过SCSI电缆与服务器相连。采用这种方式可使ELAS系统应用软件及生产数据独立于服务器，一旦服务器出现故障，只须将存储盒通过SCSI电缆与备用机相连，大大缩短了系统故障修复时间。

    3、X终端

两台X终端为无盘工作站，位于电解车间的休息室，通过分支电缆与SINEC H1网相连。因电解车间具有很强的磁场，故X终端不带硬盘，采用LCD显示器。它通过远程登录至服务器，运行相应的应用软件，可使现场负责人了解电解槽的生产状况。

    （二）系统软件
    为保证系统的可靠运行，网络操作平台采用了OpenVMS操作系统，它是从UNIX发展而来的适用于工业控制的一种网络操作系统，具有运行稳定、安全性高的特点。99年1月投入运行至今，未出现过无故死机或系统异常的现象。为保证安全性，系统中设置了三级权限：系统管理员；ELAS管理员；ELAS用户。系统管理员权限可实现对服务器的软硬件资源、系统任务的管理；ELAS管理员可实现对ELAS系统进程及文件的管理；ELAS用户只能通过ELAS图形界面进行槽况分析及管理。
同时，为降低上位机故障对系统的影响，在设计中，将ELAS系统的所有应用软件及生产数据保存在存储盒的硬盘上。当上位机发生故障时，只需将存储盒连接到备用机上，既可迅速恢复系统的正常工作，又保证了数据的一致性、完整性。

三、主要控制模块

    目前，国外大型预焙槽自动控制理论及技术应用已相当成熟，国内铝行业在电解自动控制技术的应用上也有了很大的发展。
ELAS系统的主要控制目标是：降低槽操作者的劳动强度，自动极距调整，自动熄灭效应；通过物料平衡，尤其是将氧化铝浓度通过三角波式控制稳定在1.5~2.5%的范围内，以提高电流效率降低能耗，同时也可降低效应系数。
 
1、按需加料（氧化铝浓度自适应）控制

    由于电解槽在线测量的信息一般只有槽电压和系列电流，因此对氧化铝浓度的控制主要是依据槽电阻变化与氧化铝浓度的密切关系，控制程序通过解析并依据该系统制定的自适应方法控制槽电阻斜率稳定在某一区域内，就可控制氧化铝浓度稳定在我们所希望的范围内。
    在这套控制系统中，按需加料包括欠加料周期和过加料周期。过、欠加料的转换控制是由槽电压控制范围和槽电阻斜率共同控制实现的。

（a） 欠加料周期

    在欠加料周期，加料间隔较长，电解槽中氧化铝的添加量小于生产中被转化的氧化铝量，使得电解质中氧化铝浓度降低，实际槽电压升高。当槽电压或槽电阻斜率值超过控制范围时，表明电解质中氧化铝浓度偏低，控制就会转入过加料周期；当槽电压低于控制范围时，就将进入更深一层的欠加料。

（b） 过加料周期

    在过加料周期，加料间隔较短，氧化铝的添加量超过了生产中的转化量，这样电解质中氧化铝浓度逐渐升高，使实际槽电压降低。当过加料周期的持续时间结束时，根据槽电压状态，转入欠加料周期或极距控制周期。
无论是过加料周期还是欠加料周期，它们的持续时间都不是固定的。过加料周期的持续时间是由欠加料转过加料时槽电阻斜率值计算出来的，当槽电阻斜率的相关性过低时，就采用标准控制。欠加料周期的持续时间主要是由槽电压的变化决定的。
在系统中，给用户提供了基础加料时间间隔、过欠加料比例等可调整参数，这样可根据每台电解槽的实际情况在现场或上位机上进行灵活设置，以达到最佳控制状态。
 
2、自动熄效应控制
    当测量的折合电压Uav-cb超过一个限定值（12V）时，控制程序判定该电解槽发生效应。如果该槽控制状态为"手动"或效应时自动下压阳极被锁定，则发送报警信息，由电解操作人员人工熄效应；否则自动熄效应控制程序模块被激活。
自动熄效应时首先进行一段时间(可调整)的快速下料，快速下料完成后，等待一定的时间（可根据槽况调整），然后开始下压阳极（下压时间可调整），根据效应熄灭情况通过多次阳极调整及下压，达到自动熄灭阳极效应。
它的最大特点是在控制程序中给用户提供了较多可调整参数。如快速下料次数及时间间隔、阳极下压次数、下压时间、等待时间等等。我们在进行自动熄效应的试验中，通过对各种参数的调整，在保证自动熄灭阳极效应的同时，可将快速下料次数控制在最小，还可根据槽况需要控制自动熄灭的时间。

4、电压波动的判定及处理

    在数据解析过程中，通过对电压测量值与平均值的标准偏差的计算，当一定数量的标准偏差值超限时，判定电压波动发生。同时在模拟试验的基础上，实现了控制程序通过解析对高低频电压波动的判定。高频波动主要是阳极问题造成的，通过报警由电解操作人员进行处理。低频波动主要是炉底异物引起的，波动处理模块通过抬高阳极来处理。

四、结束语
    通过ELAS在丹铝电解生产中的应用，我们对其进行了消化，通过对其中的参数进行优化，ELAS系统在生产中已发挥了其应有的作用。通过ELAS系统的按需下料程序的良好运行，电解槽在启动后运行状态日趋良好，使我厂电解生产指标全部达标。其特殊的出铝模块使在出铝过程中的能量消耗降至最低，效应自动熄灭率已达到95%，极大的降低了工人的劳动强度。