铝电解自动控制系统设计开发的新视角

摘　要：本文比较了国内与国外现阶段最先进的铝电解控制系统在设计思想、系统结构和功能上的不同，从用户的角度提出了铝电解自动控制系统设计开发中可以应用的一些新观点，如平台式框架、高度模块化结构、效应自动熄灭与波动侦测与处理等。

关键词：ELAS 铝电解自动控制系统 平台式 模块化 网络 效应 波动 配置文件 数据分析

作　者：钟向明　张泳美

    湖北丹江铝业有限责任公司三期技改工程114.5KA大型预焙槽的铝电解控制系统是从德国联合铝业公司引进的ELAS(electrolysis automation system)。该系统投入运行已一年多，实现了全系列100台槽92.5%以上的电效，14350以下的交耗，证明是一套稳定优良的控制系统。本文结合实际应用的体会，将ELAS系统与国内典型的铝电解控制系统进行对比分析，针对软件、硬件以及其间的结合，提出系统设计和开发的几点新意见。

一、 平台式的系统框架

　　提供平台式控制系统框架设计，通过参数和配置文档的设置满足特定用户的不同需要，这样的思想对于降低系统开发成本，提高系统稳定性安全性，丰富系统控制手段与功能等等都是很有必要的。

　　国内控制系统通常是单一生产线对应单一的应用系统，即为特定的生产槽系列设计开发一套特定的控制系统软硬件供用户使用，系统的专用性很强。这种系统的优点是：界面的免维护性较好，设计直接针对实际问题，能满足用户的基本要求和特定需要。但这样的系统也存在一些问题，如设计成本高，开发周期长；系统开放性低，用户调整困难，难以适应实际生产中千变万化的不同槽况；部分槽控硬件为非标产品等等。 

　　ELAS系统的设计使得统一的系统框架可适用于不同的应用环境，如不同的系列电流，同系列不同的槽电压或下料量等。这就如同WINDOWS WORD一样，为用户提供了功能齐全与可再开发的统一平台。 

　　模块化的设计思想使系统的可塑性、灵活性强，对于不同的应用环境只需要进行少量的修改与调整。这种系统的优点在于：设计成本低，开发周期极短；定型的硬件产品，降低非标开支；更大范围的适应生产调整，为工艺技术和电解操作与管理人员提供了广阔的自由空间。这套系统并不是专门为我厂设计的，而德方设计人员只用了24人.就在现场完成了软件修改、硬件测试以及系统联调、技术培训工作。

二、 模块化设计

　　高度模块化的电解控制系统结构是用户降低维护成本、提高经济技术指标的有效方法。

　　国内的控制系统只是一般性的应用了模块化思想。虽实现了控制功能模块化，但可调的参数较少，不便于用户进行工艺调整，且模块间是相互衔接性强，难以进行随意的单模块修改而不影响整体软件的运行。过程控制级（槽控机）与管理级之间是非模块式组合，管理级对系统可控制槽数与控制过程是不可变的。

　　ELAS系统采用了完全模块化的设计结构，其控制槽数量、单槽运行的控制模块数量及内容、模块内参数设置都是开放的。这样的系统具有以下明显的特点：

　　1、 实现了控制功能模块化，并给用户提供了大量的可调参数。槽控机上就有66个仅供查看的不可变参数，146个可调整的可变参数。通过参数的调整，用户可掌握工艺调整的主动权，对工艺过程实现极其细腻的适应和不同程度的试验。如我们可通过修改氧化铝基础加料时间间隔、过加料比例及欠加料比例等参数调节氧化铝加料状况，使每台电解槽保持良好状态。

　　2、 过程控制级和管理级之间是模块化结构，分离与结合都是自由的。过程控制级或管理级的软件更新不会影响对方的正常运行。还可通过管理级进行程序下载来方便地实现过程控制级的软件升级与更新，软件升级与更新可只对某一台控制器进行，这不会影响其他控制器或管理级的运行，这个特点便于进行工艺实验与系统优化。通过这样的方式，我们实现了远程软件升级一次，并将使该系统保持与国际最新水平的同步更新。

　　3、 控制模块容易增减。由于模块之间独立性强，耦合性弱，便于控制模块的添加与删除，同时也提高了系统的安全性、适用性。

三、 用户界面

　　理想的用户界面既要能满足操作和管理人员现阶段的需要，还要能方便的实现他们不断提出来的新要求。

　　国内控制系统的界面多是根据用户的需求设计，一旦设计完成后，便已定型，用户难以进行修改。

　　ELAS系统的界面设计开放，对用于槽况分析的各种表格、图表及报表等，用户可根据需要修改相应的配置文件实现对表格、图表及报表的修改，还可通过生成新的配置文件实现新表格、图表及报表的添加。

四、 网络互连

　　方便的网络互连对于工业控制系统的作用与INTERNET对于办公用户的作用是同等重要的。

　　国内控制系统由于多采用专用的控制协议，因此当系统与外部网络互连时通常需要附加的设计。

　　ELAS系统中支持DECnet协议和TCP/IP协议。上位机与控制器之间通信协议采用DECnet协议，系统采用标准的TCP/IP协议与外部网络通信，因此，系统可通过标准的交换机与外部网络相连，也可通过路由器设立防火墙，在设备及线路条件满足的情况下，很方便的实现了局域监视和全球范围的远程监视与诊断。

五、光纤网络的应用

    ELAS系统的SINECH1网的传输介质是同轴电缆，它的敷设过程及维护都比较麻烦。由于光纤是利用光而不是电信号来传输信息，所以具有传输率高、衰减低、频带宽、抗电磁干扰能力强的特性。特别是光纤作为控制网络传输媒介，可以解决电解车间最棘手的接地问题。

    随着铝电解控制系统的发展，要求的通讯量增大，抗干扰能力增强，因此光纤传输在铝电解控制网络中的应用将越来越广泛。

六、数据的分析层次
    对电解槽更广泛的更多层次的数据自动分析和处理，可以为工艺管理人员提供强有力的武器，使之把握电解槽的脉搏。对于电解控制系统这样存在海量实时数据和长期不间断运行的情况，要实现所有的数据不丢失，并得到准确及时的班、日、月、季、年报等已经是很困难的了，但进行历史的不仅仅是电流电压电耗，还有温度、分子比、质量等的分析，却是工艺人员急切需要的东西。ELAS系统的对实时数据和相关的温度等测量数据，都进行了存储、分析，并以表图等最直观的方式进行多层次的应用。
在管理层，不仅可以观察历史曲线，而且还提供了实时信息，通过实时信息可了解每台电解槽当前的电流、电压值，工艺状态，氧化铝加料状态，最近一次出铝、换极及抬母线等槽操作时间，最近几次效应发生时间、持续时间、效应电压及能耗等。系统中提供了丰富的图表，用曲线或棒图的形式反映出电解槽各主要参数的变化趋势，用户可根据需要选择任意时间段进行观察分析。系统中还提供了丰富灵活的报表，如槽报、启动报表、操作报表、日报、月报、年报等。除了可任意选择所需观察的时间段外，还可通过针对槽号任意分组，来生成任意槽组的各种报表，便于用户进行针对性的槽况分析。

七、氧化铝加料思想

    电解槽自动下料应该进行更细致更灵活的控制。

    在较好地保持物料平衡和能量平衡的前提下，将氧化铝浓度控制在合适的范围内，是自适应控制的目的。主要是依据氧化铝浓度与槽电阻的关系理论，根据槽电阻斜率的变化调整加料间隔。

    ELAS系统的氧化铝自适应控制是将氧化铝浓度控制在1.5~2.5%的范围内。根据槽电阻及槽电阻斜率的变化，在过加料、基础加料、欠加料方式间切换。其中欠加料方式根据程度不同又分为三层，深一层欠加料的加料时间间隔更长，加料量更少。

    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。

    实践表明，这样多层次的细腻的加料处理，可以长期使电解槽氧化铝浓度保持在1.6%左右最敏感的控制范围。

八、效应自动熄灭

    合理的设计可以实现高效率理想的阳极效应自动熄灭。电解槽阳极效应自动熄灭是一个设计和操作人员很长时间以来梦想，总在现实与不现实之间徘徊，由于槽型等因素，国内控制系统虽然有这一功能设计，却一直未如愿实现自动熄灭阳极效应。

    ELAS系统不仅有自动熄效应控制模块，而且针对熄效应控制过程提供了较多的可调参数，如快速下料次数、阳极下压步数、下压时间等，根据不同的槽况，通过对这些参数的调整可在保证自动熄效应的情况下，控制氧化铝下料量及效应持续时间等，以达到规整炉膛、清除沉淀、分离碳渣的效果。

    通过工艺与控制人员的努力，丹江铝业公司电解三厂已经成功实现95%以上的阳极效应自动熄灭，极大的减少了工人劳动强度，降低了效应消耗。

九、波动的检测与处理

    准确检测槽波动，并提供波动原因的分析，为槽操作提供处理意见，对电解生产具有极大的应用价值。ELAS系统不仅可以根据电压标准偏差超过限定值来检测出电压波动，还能通过对标准偏差的数据解析，区分是高频波动还是低频波动，高频波动主要是阳极问题，低频波动主要是炉膛问题。针对高低频波动对电解槽采取不同的操作，可以更好的保持良好槽况。这一工具主要是在电解槽仿真理论上开发出来的。

十、模拟屏和语音报警
   
    在控制系统的管理层实现对电解车间的全屏模拟显示和效应等异常态自动语音报警是有必要的。

    国内控制系统基本上都具备这两种功能，ELAS系统在国外应用中则没有。通过应用表明，生产需要这样的功能块，因此我们对引进系统进行了改进，以外部扩展的形式实现了自动语音报警。

    以上意见是笔者在多年从事铝电解控制系统应用和开发的基础上，参观学习了国内外成功的大型预焙槽控制系统理论和应用，从用户的角度针对国内铝电解控制系统设计和开发提出的一些主要意见，供大家参考，并恳请指导。