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        鋁電解槽焙燒分流自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2011-07-07 08:48:12杜雯雯李月恒張旭東
        制造業(yè)自動(dòng)化 2011年18期

        杜雯雯,李月恒,張旭東,楊 力

        (1. 青海大學(xué) 計(jì)算機(jī)系,西寧 810016;2. 北方工業(yè)大學(xué) 冶金設(shè)備研究所,北京 100144;3. 北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,北京 100144)

        0 引言

        目前國內(nèi)外鋁廠采用的鋁電解槽焙燒方法主要有鋁液焙燒、石墨焙燒、炭粒焙燒和燃?xì)獗簾?。由于鋁液焙燒有著嚴(yán)重的缺點(diǎn)——高溫鋁液倒入冷槽中,會(huì)使槽內(nèi)襯的搗固糊在突如其來的高溫下分解,導(dǎo)致?lián)v固糊強(qiáng)度低、孔隙大、裂縫多,因而很多鋁廠都舍棄了這種焙燒方法;石墨焙燒在鋪設(shè)石墨層時(shí)要求精度高,操作復(fù)雜,焙燒終了溫度不可再提高,因而很難達(dá)到電解槽啟動(dòng)條件;燃?xì)獗簾に囋O(shè)備相對(duì)復(fù)雜,且安全性較差,焙燒方法技術(shù)還不夠成熟,還有待進(jìn)一步的研究;而焦粒焙燒是當(dāng)前國內(nèi)外大型鋁電解槽最常用的焙燒方法,無需外加能源,且焙燒時(shí)間短,焙燒也較均勻,質(zhì)量好,有利于電解槽的啟動(dòng)和壽命的延長[1]。

        采用焦粒焙燒時(shí),為加強(qiáng)對(duì)升溫速度的控制,各鋁業(yè)公司紛紛開發(fā)出各自的分流技術(shù),并采用在水平母線和立柱母線之間焊接分流片以實(shí)現(xiàn)分流。例如,法國鋁廠的各型電解槽都開發(fā)了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)分流器。焙燒電流分四步以上,在不少于24小時(shí)內(nèi)逐步增大到系列全電流,但是焙燒過程還是采用手動(dòng)操作分流片,控制方法較粗糙,由于焙燒電流不可控以至于焙燒過程不穩(wěn)定,導(dǎo)致控制難以達(dá)到預(yù)想的效果。本文針對(duì)大型鋁電解槽的焦粒焙燒,提出并設(shè)計(jì)了可靠且自動(dòng)控制的焙燒分流控制系統(tǒng)。

        1 焙燒分流器

        焙燒分流控制系統(tǒng)中一個(gè)主要設(shè)備即焙燒分流器,如圖1所示。首先介紹其組成。它主要分為三大部分:上箱體、中箱體和下箱體。上箱體主要由連接裝置組成,它的主要作用是與設(shè)計(jì)好的標(biāo)準(zhǔn)分流片相連接。中箱體由銅電極、動(dòng)觸頭、鎖緊機(jī)構(gòu)等組成,動(dòng)觸頭通過軟連接與上箱體的連接裝置相連,通過編程器自動(dòng)控制動(dòng)觸頭與銅電極接通或斷開,來控制分流大小。下箱體是一個(gè)梯形支架,主要作用即支撐整個(gè)焙燒分流器。一臺(tái)焙燒分流器設(shè)計(jì)最大分流量可達(dá)36000A,總重量約230公斤。

        圖1 焙燒分流器圖

        其次說明分流器使用時(shí)的連接方法,將中箱體的銅電極與軟銅帶的一端相連接,軟銅帶的另一端則通過設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)卡具與下一臺(tái)電解槽的陽極立柱母線連接并用螺母固定。再將設(shè)計(jì)好的標(biāo)準(zhǔn)分流片組的一端插入開關(guān)裝置上連接裝置的插槽中,并用螺母將其擰緊(以減少接觸電阻),分流片組的另外一端則與需要焙燒電解槽的陽極橫桿連接,同樣采用設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)卡具固定并用螺母擰緊。

        2 分流控制

        焙燒分流控制系統(tǒng)的硬件部分主要由上位工控機(jī)及由西門子300PLC模塊和焙燒分流器構(gòu)成的下位機(jī)組成。上位機(jī)監(jiān)控界面是利用西門子SIMATIC WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的,它通過工業(yè)以太網(wǎng)(Industrial Ethernet)與下位機(jī)進(jìn)行通訊連接。焙燒分流控制系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。

        圖2 控制系統(tǒng)框圖

        由于下位機(jī)有以太網(wǎng)通訊模塊(CP343-1 Lean),因而上位機(jī)與下位機(jī)的通訊連接只需要在WinCC組態(tài)軟件的項(xiàng)目管理器添加SIMATIC S7 Protocol Suite驅(qū)動(dòng)程序即可。下位機(jī)中PLC站根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分為一個(gè)主站和四個(gè)子站,主站和子站之間通過CPU上集成的DP接口與子站上的ET200M實(shí)現(xiàn)通訊,擴(kuò)展了遠(yuǎn)程的I/O點(diǎn)數(shù),實(shí)現(xiàn)控制遠(yuǎn)程的數(shù)字量輸入輸出[2]。

        焙燒分流控制系統(tǒng)主界面如圖3所示,下面具體介紹鋁電解槽焙燒分流的整體工作原理,在現(xiàn)場(chǎng)通過天車將焙燒設(shè)備運(yùn)送到目標(biāo)位置,將所有焙燒設(shè)備連接操作完成后,先給下位機(jī)通電,之后打開上位監(jiān)控機(jī),在進(jìn)入焙燒分流控制前,控制系統(tǒng)可自動(dòng)檢測(cè)與下位機(jī)的通訊狀況及當(dāng)前焙燒分流器的開關(guān)狀態(tài),操作者可以在控制主界面中看到,在焙燒開始前,若顯示焙燒分流器中的某個(gè)開關(guān)處于閉合狀態(tài),應(yīng)當(dāng)進(jìn)入手動(dòng)模式,然后手動(dòng)斷開該開關(guān);最后根據(jù)鋁廠提供的標(biāo)準(zhǔn)焙燒曲線在控制界面的參數(shù)設(shè)置中設(shè)置焙燒參數(shù),且上位機(jī)中沒有接收到任何報(bào)警信息,此時(shí)點(diǎn)擊焙燒按鈕即可進(jìn)入焙燒自動(dòng)控制過程。焙燒過程中控制系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)焙燒曲線自動(dòng)控制分流器的接通和斷開,以達(dá)到鋁電解槽的焙燒溫度自動(dòng)跟蹤目標(biāo)曲線溫度,從而按照標(biāo)準(zhǔn)焙燒曲線實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁電解槽的焙燒。焙燒過程中若有開關(guān)故障等都會(huì)以報(bào)警閃爍的方式告知操作者,以便迅速采取措施并解除報(bào)警。此外焙燒分流控制系統(tǒng)還給操作者提供了一套手動(dòng)操作模式,系統(tǒng)進(jìn)入此操作模式下,控制系統(tǒng)脫離自動(dòng)控制過程。操作者可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的槽溫、槽電壓等數(shù)據(jù),采取手動(dòng)控制焙燒分流器中開關(guān)的接通或者斷開動(dòng)作,以達(dá)到手動(dòng)控制鋁電解槽的焙燒過程[3]。

        圖3 焙燒分流控制主界面

        2.1 測(cè)量部分

        該焙燒分流控制系統(tǒng)的測(cè)量部分主要包括鋁電解槽的槽溫度、槽電壓及槽的電流分布。

        1)電解槽的溫度采用將電解槽劃分為六個(gè)分區(qū),每個(gè)分區(qū)溫度利用K型熱電偶測(cè)溫,然后通過無線網(wǎng)絡(luò)將六個(gè)分區(qū)的溫度數(shù)據(jù)送入WinCC集成的數(shù)據(jù)庫中。上位機(jī)則從數(shù)據(jù)庫中讀取各個(gè)分區(qū)溫度數(shù)據(jù),然后將分區(qū)溫度取平均值作為當(dāng)前時(shí)刻的電解槽溫度,1min左右更新一次溫度數(shù)據(jù)。下面是一段上位機(jī)監(jiān)控軟件從數(shù)據(jù)庫中讀取分區(qū)一的溫度數(shù)據(jù)的VB腳本代碼[4],其他分區(qū)溫度的獲取類似。

        Dim cnn

        Dim SQL_Table

        Dim rst

        Dim strcnn

        Dim nDat_No, val

        Dim nValue_1, nValue_2

        On Error Resume Next

        Set cnn = CreateObject("ADODB.Connection")

        Set rst = CreateObject("ADODB.Recordset")

        strcnn= "Provider=MSDASQL;Initial Catalog=djc_ps;DSN=Database_1"

        cnn.Open (strcnn)

        If Err.Number 〈〉 0 Then

        MsgBox "Error #" & Err.Number & " " & Err.Description

        Err.Clear

        Exit Function

        End If

        SQL_Table = "SELECT TOP(1) msrNum,potNum, pstNum, msrTime, msrTmp, Tmp FROM temp_sample WHERE pstNum ='mp01' ORDER BY msrTime DESC"

        Set rst = cnn.Execute(SQL_Table)

        If Err.Number 〈〉 0 Then

        MsgBox "Error #" & Err.Number & " " & Err.Description

        Err.Clear

        Exit Function

        End If

        If Not (rst.EOF And rst.bof) Then

        rst.MoveFirst '如果數(shù)據(jù)存在即從第一條開始

        nValue_1 = rst.Fields(3).Value '讀取最新時(shí)間

        nValue_2 = rst.Fields(4).Value '讀取分區(qū)一最新溫度

        HMIRuntime.Tags("temp_z2").write nValue_2

        rst.Close

        Else

        MsgBox "Dat_No is not available"

        End If

        rst.Close

        cnn.Close

        2)由于焙燒分流器是并聯(lián)在鋁電解槽的兩端,因而槽電壓的測(cè)量就轉(zhuǎn)化為測(cè)量焙燒分流器的兩端電壓。利用PLC中的AI模塊(SM331 AI8×12BIT)采集焙燒分流器兩端電壓,考慮到現(xiàn)場(chǎng)中各種電磁場(chǎng)干擾因素,因而采用信號(hào)調(diào)理模塊A11CI11F將0~10V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為4~20mA的電流信號(hào)。將AI模塊的通道4采集電流的量程設(shè)置為4~20mA,然后將槽電壓信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊轉(zhuǎn)化為的電流信號(hào)送入AI模塊的通道組4,通過 PLC程序即可讀取鋁電解槽的槽電壓。

        A(

        A(

        A(

        A(

        AN M 0.0

        JNB _002

        L PIW 284

        ITD

        T MD 110

        SET

        SAVE

        CLR

        _002: A BR

        )

        JNB _003

        L MD 110

        DTR

        T MD 110

        SET

        SAVE

        CLR

        _003: A BR

        )

        JNB _004

        L MD 110

        L 1.600000e+001

        *R

        T MD 110

        AN OV

        SAVE

        CLR

        _004: A BR

        )

        JNB _005

        L MD 110

        L 2.764800e+004

        /R

        T MD 110

        AN OV

        SAVE

        CLR

        _005: A BR

        )

        JNB _006

        L MD 110

        L 4.000000e+000

        +R

        T MD 100

        _006: NOP 0

        3)槽電流的測(cè)量主要是陽極和陰極電流分布的監(jiān)測(cè),可以通過等距壓降方式測(cè)量陽極導(dǎo)桿和陰極鋼棒上的電流分布。即先采集陽極和陰極上等距的壓降,再除以對(duì)應(yīng)等距上溫度補(bǔ)償后的電阻, 結(jié)果即為對(duì)應(yīng)陽極和陰極上的電流分布值,電流的測(cè)量與槽電壓的測(cè)量方法類似,在這里就不具體介紹了。

        2.2 控制部分

        大型鋁電解槽的焙燒過程主要是控制焙燒分流器的工作,使焙燒電解槽的溫升按照標(biāo)準(zhǔn)的焙燒溫度曲線進(jìn)行。焙燒分流器的控制即通過在上位機(jī)中實(shí)現(xiàn)槽溫控制算法的編程,并經(jīng)過通訊電纜控制下位機(jī)的動(dòng)作,利用PLC的數(shù)字輸出模塊(SM322 DO16×DC24V/0.5A)來控制焙燒分流器中開關(guān)的通斷。焙燒控制原理框圖如圖4所示。

        圖4 控制系統(tǒng)原理框圖

        在上位機(jī)中設(shè)置好焙燒參數(shù)后,設(shè)定溫度即標(biāo)準(zhǔn)焙燒溫度就會(huì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中,如圖5所示。根據(jù)輸入溫度和從鋁電解槽檢測(cè)反饋回來的溫度作差,經(jīng)過控制離散化算法后,將溫度偏差信號(hào)離散化為焙燒分流器中開關(guān)數(shù)量,依據(jù)溫度偏差及變化率來確定開關(guān)數(shù)量的多少,從而實(shí)現(xiàn)通過控制焙燒分流器裝置的開關(guān)來控制鋁電解槽的焙燒溫升。

        圖5 設(shè)置焙燒參數(shù)界面圖

        此外在檢測(cè)槽溫采用了溫度的分區(qū)算法,若鋁電解槽的溫度過高,需要閉合開關(guān),同時(shí)電解槽中的某個(gè)分區(qū)溫度最高,就會(huì)優(yōu)先閉合此分區(qū)附近的開關(guān),同理,鋁電解槽的溫度過低,需要斷開開關(guān),就會(huì)優(yōu)先斷開溫度最低分區(qū)處的開關(guān);同時(shí)又考慮到焙燒分流器裝置中開關(guān)的使用壽命,因而采用了負(fù)荷均勻算法,簡單地說即開關(guān)閉合次數(shù)越多,則閉合后再次斷開此開關(guān)的優(yōu)先級(jí)最高;同理,開關(guān)閉合次數(shù)越少,則斷開后再次閉合的優(yōu)先級(jí)也就最高。實(shí)踐證明這樣就有效地保證了焙燒分流器中開關(guān)動(dòng)作次數(shù)的均勻性,從而可以提高焙燒分流器裝置的使用壽命。

        2.3 監(jiān)視部分

        鋁電解槽的焙燒分流控制系統(tǒng)的監(jiān)視部分主要是電解槽的焙燒溫度監(jiān)視,報(bào)警信息的監(jiān)視,如圖6所示,以及操作員操作記錄的監(jiān)視,如圖7所示。鋁電解槽的焙燒理應(yīng)是按照標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線進(jìn)行焙燒,但是實(shí)際的焙燒溫度與標(biāo)準(zhǔn)的溫度總是有一定偏差的,所以對(duì)電解槽的焙燒溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視就顯得非常重要。上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的各個(gè)通訊子站都應(yīng)該有工作狀態(tài)監(jiān)視,且焙燒控制過程中分流器的開關(guān)的工作狀態(tài)也需要有顯示信息,若有故障等信息則會(huì)以信息閃爍提示操作人員。控制系統(tǒng)中的操作記錄可方便地將當(dāng)前操作員的一些關(guān)鍵的操作記錄到數(shù)據(jù)庫中,以便將來對(duì)電解槽焙燒的操作規(guī)程進(jìn)行優(yōu)化和管理。

        3 結(jié)論

        目前該大型鋁電解槽焙燒分流控制系統(tǒng)在中國鋁業(yè)某電解鋁廠試運(yùn)行,通過多次焙燒啟動(dòng)驗(yàn)證該系統(tǒng)能夠通過控制焙燒分流裝置從而控制鋁電解槽的焙燒溫升,比較設(shè)定焙燒曲線和實(shí)際焙燒溫度曲線,溫度偏差控制在7%以內(nèi),炭縫無燒損現(xiàn)象,大大降低了槽的早期破損,并順利啟動(dòng)了鋁電解槽。

        圖6 報(bào)警信息

        圖7 操作記錄

        [1] 劉永剛, 唐騫, 梁韜. 鋁電解槽大型預(yù)焙槽四種焙燒方法的比較[J]. 輕金屬, 2000(4): 33-35.

        [2] 海心, 馬銀忠, 劉樹青. 西門子PLC開發(fā)入門與典型實(shí)例[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2009.

        [3] 蘇昆哲. 深入淺出西門子WinCC V6[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2008.

        [4] 高守傳. 精通SQL結(jié)構(gòu)化查詢語言詳解[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2007.

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