張愛菊

（濰坊職業(yè)學院，山東 濰坊261000）

我國電解鋁行業(yè)的趨勢發(fā)展是大型化，每年產鋁量在不斷上升。然而，很多工廠仍在使用模擬控制系統(tǒng)，其存在著當溫度進行變化時，系統(tǒng)參數(shù)也會跟隨著變化，工況不夠穩(wěn)定，系統(tǒng)當中所需器件多，備件不易洽購，隨著時間的流逝，器件會破損和損耗，造成設備的故障率不斷增加的問題。

根據(jù)電解鋁系統(tǒng)的監(jiān)控要求，使用S7-300PLC 與上位機的通信，完成對電解鋁過程中電解質溫度的動態(tài)監(jiān)控，提升電解鋁的控制管理水平和生產效率。

1 鋁電解工藝原理

鋁電解的工藝流程是從現(xiàn)代鋁工業(yè)生產過程當中，采取的是冰晶石- 氧化鋁融鹽電解法[1]。溶劑是熔融的冰晶石，溶質是氧化鋁，陽極是碳素體，陰極是鋁液，接上大的直流電后，從950℃～970℃的條件下，電化學反應便在電解槽內的陰陽兩極上進行。

在陰極反應中，Na3AlF6-Al2O3熔體電流的主要傳遞者是Na離子，傳輸?shù)碾娏髂苓_到總數(shù)的99%，電流傳輸主要是放電離子的原因。鋁，是陰極上析出的一次陰極產物。

在陽極進行的反應方程式中可以看出，Na3AlF6-Al2O3熔體的電解過程是很紛繁復雜的。氧離子在陰離子中，在陽極過程中，O2從炭陽極上放電析出，氧氣與炭陽極發(fā)生進一步的化學反應產生CO2。

陽極反應：

化學反應進行的主要的反應方程式：

鋁液在陽極產出，并通過真空抬包的方式，把電解槽里真空抽出到外界，輸送到鑄造車間，經(jīng)過凈化和澄清之后，澆鑄成為鋁錠或者直接進行鑄造成線坯等鋁材[1]。

2 電解質溫度的控制

2.1 電解溫度的影響

電解質的溫度實質上就是指電解槽的電解溫度，電解質的溫度等于電解質的初晶溫度加上過熱度，它表示的是溫度的范圍，通常選取950～970℃，差不多超出電解質的初晶溫度15～20℃。經(jīng)過大量的實驗發(fā)現(xiàn)，鋁的第二次損失往往是因為電解溫度的升高而增加，溫度每增加10℃，電流效率大概降低1%。所以，在更低的電解質溫度的條件下生產是最明智的選擇。

2.2 電解溫度的測量

熱電偶高溫計是電位差計與熱電偶構成。工作原理：熱電偶插入電解質當中的熱電偶，是兩種不一樣的金屬或著合金構成的偶絲因受熱而產生不同的熱電勢，從偶絲兩端生成電位差，這種電位差的大小和熱端金屬溫度有關，其值可以在電位差計上讀取出來，再轉換為電解溫度。

熱電偶經(jīng)過傳感器輸入到PLC 后，經(jīng)過PID 閉環(huán)運算環(huán)節(jié)，輸出控制脈沖到直流電機，通過調節(jié)脈沖的占空比來實現(xiàn)直流電機的調速問題，實現(xiàn)對電解槽下料量的控制，進而對電解槽中電解質溫度進行控制。

3 電解鋁溫度控制系統(tǒng)下位機的軟硬件設計

3.1 電解鋁下位機系統(tǒng)設計

系統(tǒng)主要由下位機PLC S7-300，上位機PC 計算機，數(shù)字量的輸入輸出模塊和模擬量的輸入輸出模塊組成。其工作原理是通過對電解槽中的電解質溫度，電解槽電壓，電流模擬量進行采集經(jīng)A/D 轉換器，變送器，光電隔離器輸入PLC，經(jīng)過積分分離PID 運算后，輸出控制電壓，再經(jīng)D/A 轉換器，輸出模擬量對直流電機進行控制來調節(jié)下料時間間隔來實現(xiàn)對電解質溫度的控制，實現(xiàn)最大的出鋁量。

3.2 電解鋁硬件系統(tǒng)設計

（1）電解鋁設計的要求。a.系統(tǒng)有手動控制和自動控制兩種工作模式。b.在自動模式下，通過熱電偶對電解槽中的電解質溫度，槽電壓，電流的測量，輸入到PLC 中進行PID 運算，改變電壓來實現(xiàn)對直流電機的調速和暫停操作，控制閥門的開關時間，來調節(jié)下料量，與調節(jié)極距距離改變電壓相配合。c.在手動模式下，通過對采集的溫度，來手動控制閥門的開關時間，改變下料量。d.在PC 機的監(jiān)控界面，能監(jiān)控電解質的溫度，槽電壓，電流，可以限制電解槽的溫度范圍。

（2）直流電機正反轉的電器原理圖設計。系統(tǒng)要求能夠根據(jù)實時溫度，經(jīng)PID 調節(jié)輸出電壓調節(jié)直流電機的轉速，控制閥門開關時間，改變下料量的大小。直流電機的正反轉，是通過改變電機兩端電壓方向來實現(xiàn)，因此，使用中間繼電器的兩個輔助常開開關來控制一個方向的電壓使其正轉，另一個中間繼電器的兩個輔助常開開關來控制另一個方向的電壓使其反轉。

由以上公式可知，占空比與電機轉速成線性關系，可以很方便的通過改變占空比來調節(jié)電機的平均轉速。本設計是根據(jù)溫度來決定，下料槽閥的開斷時間間隔。當是100%的占空比，即t=T，直流電機的轉速為最大轉速，當電機停止時，t=0，占空比為0%，電機停止。

3.3 電解鋁溫度控制策略

在工業(yè)控制過程當中，PID 控制具備結構簡單、穩(wěn)定性強、調節(jié)方便、可靠等優(yōu)點，在工業(yè)控制當中得到廣泛應用。工程PID 調節(jié)中，因為系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)范圍被限制，所以當偏差ε比較大的時候，比如系統(tǒng)在開工，停工或者大幅度的提降的時候，往往會產生一個幅度很大的超調量，產生系統(tǒng)振蕩。

這種現(xiàn)象針對于變換緩慢的對象，類似于溫度，液面調節(jié)系統(tǒng)，影響會更加嚴重。為此，在計算機系統(tǒng)中，我們采用積分分離的方式，解決這一不利于系統(tǒng)穩(wěn)定的現(xiàn)象。在控制量開始跟蹤時，取消積分作用，直至被調量接近給定值時，開始令積分作用產生作用。

令給定值為R（k），經(jīng)過數(shù)字濾波后的測量值為M（k），最大允許的偏差值是ε，其積分分離的PID 控制計算式為：

當E（k）＞ε 時，為PD 控制，當E（k）＜ε 時，為PID 控制。

4 電解鋁溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計

WinCC 監(jiān)控組態(tài)軟件具有監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集組態(tài)，腳本語言與OPC 的功能。其主要作用是將現(xiàn)場設備的采集的數(shù)據(jù)（電解質的溫度，槽電壓，電流）通過計算機實時的顯示出來，并通過計算機設置相關的參數(shù)來具體控制現(xiàn)場的設備。

電解質溫度的曲線中，設置最佳溫度，觀察PID 調解后的實時溫度變化情況，調整PID 參數(shù)，使溫度達到所要求的實時溫度，實現(xiàn)最佳的出鋁量和最高的電流效率，其溫度PID 調節(jié)趨勢曲線如圖1。經(jīng)過，反復的實驗后，得出一組較為合理參數(shù)，P=36，I=5.4，D=0，能夠使溫度更穩(wěn)定、快速、準確地跟隨設定值的變化。

溫度PID 調節(jié)趨勢曲線

通過應用WinCC 對電解鋁監(jiān)控系統(tǒng)的重新設計，改善了模擬控制系統(tǒng)中工作狀態(tài)不夠穩(wěn)定的問題，簡化了監(jiān)控系統(tǒng)的復雜程度，降低了現(xiàn)場維護的難度，提高電解鋁監(jiān)控系統(tǒng)的自動化水平。