摘　要：本文介紹了引進的ELAS系統(tǒng)特有的按需下料模塊、出鋁控制模塊、效應自動熄滅模塊、波動處理模塊、硬件結構的可靠性等。

關鍵詞：ELAS系統(tǒng)、按需下料、出鋁控制、自動陽極效應熄滅、波動處理、硬件技術。

作　者：潘義華 張泳美 鐘向明　占勇軍 袁宏均
   
    一、引 言

　　霍爾----埃魯法鋁冶煉的過程控制自動化已經要求有可靠、高性能的調節(jié)手段。本公司在A120槽型的電解槽生產中采用了德國聯合鋁業(yè)公司技術部開發(fā)的鋁冶煉過程自動控制系統(tǒng)ELAS，該系統(tǒng)具有如下特點：

　?。僮髌矫婵煽壳邑S富多彩，能極大的滿足管理電解槽生產工藝的技術人員和工人要求。

　　＊采用OPEN VMS操作平臺，確保了系統(tǒng)的可靠性。

　?。哂凶约禾厣牟劭刂颇K（如按需下料模塊、出鋁控制模塊、針擺解析模塊等），提高了現場控制精度和現場人員對槽故障判斷能力，配合有特色的地面操作專用小車，大大地降低了工人的工作強度。

　?。己玫脑O備結構，提供給現場工人最大的自主權和在不影響正常生產的前提下的設備維護。

　　該系統(tǒng)對冶煉過程進行控制的數學模型和控制思想是建立在對電解槽生產過程中的各種擾動和其自身的變化規(guī)律通過全程模擬基礎上的，即槽電阻隨電解質中氧化鋁濃度變化規(guī)律、極距調整與其三場變化規(guī)律、單個陽極高或低于陽極底部平面對槽電阻影響的規(guī)律等，經過這些模擬，同時忽略掉部分對電解槽生產過程中影響較小的擾動和在解析的過程中剔除對槽生產產生異常的擾動（其中的效應、換極等為正常擾動不與剔除），作出相應的控制模塊應用于生產中。

    二、ELAS系統(tǒng)的高可靠性

　　鋁電解生產是一種連續(xù)生產，因此鋁電解控制系統(tǒng)的高可靠性是保證正常生產的關鍵。ELAS系統(tǒng)在硬件及軟件設計上都考慮了保證系統(tǒng)的高可靠性。

　　（一）系統(tǒng)硬件

　　ELAS系統(tǒng)采用了分布式設計，共有兩級：過程控制級和管理級。這兩級由標準的以太網連接。系統(tǒng)結構圖如圖1所示：

　　過程控制級主要由ELAS控制器、帶輸入輸出模塊的PLC、操作面板（現場人機接口）及與管理級通信的網絡接口組成。

　　ELAS控制器是過程控制級的核心部分，每臺控制器控制兩臺電解槽的生產，它實現的主要功能有：

　　a、系列電流及槽電壓的數據采集

　　b、電解過程控制

　　c、與上位機的通訊

    每臺ELAS控制器有三個獨立的光電隔離采樣通道分別用于采集系列電流值和兩臺電解槽的電壓值，采用16位的A/D轉換器。各通道測量值的獲取是同時進行的，采樣周期為200ms。同時由于ELAS控制器中集成了以太網控制器，用于實現處理器和上位機之間的通信，因此不需要專門的通訊機來完成數據采集和網絡通信，既減少了電纜數量又分散了危險。

　　ELAS控制器的中央處理單元采用32位的MC68340處理器；內存為512K，其中256K帶有后備電池；還帶有512K的FLASH-EPROM，用于存儲程序模塊。由于控制器采用較高檔的配置，為處理較高的采樣頻率及復雜的過程控制算法提供了條件。鋁電解過程控制完全由ELAS控制器控制實現，當上位機或網絡通信發(fā)生故障時，不影響連續(xù)生產控制。

    由于采用FLASH-EPROM保存程序模塊，為程序的升級和刷新提供了方便。當ELAS控制器程序異常或程序升級后需要重裝時，可直接通過上位機實現程序下載。

　　管理級提供了一套界面及功能豐富的信息系統(tǒng)，既有生產的歷史數據及各種槽操作的顯示，又有反映參數發(fā)展趨勢的圖表、報表等。它由兩臺上位機、存儲盒、網絡打印機、兩臺X終端組成。

　　1、上位機

　　兩臺上位機位于辦公樓的微機室，采用64位的Alpha機。上位機主要實現下列功能：

　　a、周期與非周期的從ELAS控制器獲取各種生產數據

　　b、控制參數的修改與設定

　　c、各種曲線、圖表及報表的生成、儲存及打印

　　d、對ELAS控制器進行程序下載

　　由于上位機是實現集中管理的核心，因此在這里采用了冗余設計，一臺用做服務器，另一臺作為備用。當服務器發(fā)生硬件故障時，備用機可承擔服務器功能。這種冗余設計大大地提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　2、存儲盒

　　存儲盒中配置有4.3G硬盤及磁帶機。硬盤用于存放ELAS系統(tǒng)應用軟件及數據文件。磁帶機用于將系統(tǒng)軟件、應用軟件及數據備份到磁帶上。存儲盒通過SCSI電纜與服務器相連。采用這種方式可使ELAS系統(tǒng)應用軟件及生產數據獨立于服務器，一旦服務器出現故障，只須將存儲盒通過SCSI電纜與備用機相連，大大縮短了系統(tǒng)故障修復時間。

    3、X終端

兩臺X終端為無盤工作站，位于電解車間的休息室，通過分支電纜與SINEC H1網相連。因電解車間具有很強的磁場，故X終端不帶硬盤，采用LCD顯示器。它通過遠程登錄至服務器，運行相應的應用軟件，可使現場負責人了解電解槽的生產狀況。

    （二）系統(tǒng)軟件
    為保證系統(tǒng)的可靠運行，網絡操作平臺采用了OpenVMS操作系統(tǒng)，它是從UNIX發(fā)展而來的適用于工業(yè)控制的一種網絡操作系統(tǒng)，具有運行穩(wěn)定、安全性高的特點。99年1月投入運行至今，未出現過無故死機或系統(tǒng)異常的現象。為保證安全性，系統(tǒng)中設置了三級權限：系統(tǒng)管理員；ELAS管理員；ELAS用戶。系統(tǒng)管理員權限可實現對服務器的軟硬件資源、系統(tǒng)任務的管理；ELAS管理員可實現對ELAS系統(tǒng)進程及文件的管理；ELAS用戶只能通過ELAS圖形界面進行槽況分析及管理。
同時，為降低上位機故障對系統(tǒng)的影響，在設計中，將ELAS系統(tǒng)的所有應用軟件及生產數據保存在存儲盒的硬盤上。當上位機發(fā)生故障時，只需將存儲盒連接到備用機上，既可迅速恢復系統(tǒng)的正常工作，又保證了數據的一致性、完整性。

三、主要控制模塊

    目前，國外大型預焙槽自動控制理論及技術應用已相當成熟，國內鋁行業(yè)在電解自動控制技術的應用上也有了很大的發(fā)展。
ELAS系統(tǒng)的主要控制目標是：降低槽操作者的勞動強度，自動極距調整，自動熄滅效應；通過物料平衡，尤其是將氧化鋁濃度通過三角波式控制穩(wěn)定在1.5~2.5%的范圍內，以提高電流效率降低能耗，同時也可降低效應系數。
 
1、按需加料（氧化鋁濃度自適應）控制

    由于電解槽在線測量的信息一般只有槽電壓和系列電流，因此對氧化鋁濃度的控制主要是依據槽電阻變化與氧化鋁濃度的密切關系，控制程序通過解析并依據該系統(tǒng)制定的自適應方法控制槽電阻斜率穩(wěn)定在某一區(qū)域內，就可控制氧化鋁濃度穩(wěn)定在我們所希望的范圍內。
    在這套控制系統(tǒng)中，按需加料包括欠加料周期和過加料周期。過、欠加料的轉換控制是由槽電壓控制范圍和槽電阻斜率共同控制實現的。

（a） 欠加料周期

    在欠加料周期，加料間隔較長，電解槽中氧化鋁的添加量小于生產中被轉化的氧化鋁量，使得電解質中氧化鋁濃度降低，實際槽電壓升高。當槽電壓或槽電阻斜率值超過控制范圍時，表明電解質中氧化鋁濃度偏低，控制就會轉入過加料周期；當槽電壓低于控制范圍時，就將進入更深一層的欠加料。

（b） 過加料周期

    在過加料周期，加料間隔較短，氧化鋁的添加量超過了生產中的轉化量，這樣電解質中氧化鋁濃度逐漸升高，使實際槽電壓降低。當過加料周期的持續(xù)時間結束時，根據槽電壓狀態(tài)，轉入欠加料周期或極距控制周期。
無論是過加料周期還是欠加料周期，它們的持續(xù)時間都不是固定的。過加料周期的持續(xù)時間是由欠加料轉過加料時槽電阻斜率值計算出來的，當槽電阻斜率的相關性過低時，就采用標準控制。欠加料周期的持續(xù)時間主要是由槽電壓的變化決定的。
在系統(tǒng)中，給用戶提供了基礎加料時間間隔、過欠加料比例等可調整參數，這樣可根據每臺電解槽的實際情況在現場或上位機上進行靈活設置，以達到最佳控制狀態(tài)。
 
2、自動熄效應控制
    當測量的折合電壓Uav-cb超過一個限定值（12V）時，控制程序判定該電解槽發(fā)生效應。如果該槽控制狀態(tài)為"手動"或效應時自動下壓陽極被鎖定，則發(fā)送報警信息，由電解操作人員人工熄效應；否則自動熄效應控制程序模塊被激活。
自動熄效應時首先進行一段時間(可調整)的快速下料，快速下料完成后，等待一定的時間（可根據槽況調整），然后開始下壓陽極（下壓時間可調整），根據效應熄滅情況通過多次陽極調整及下壓，達到自動熄滅陽極效應。
它的最大特點是在控制程序中給用戶提供了較多可調整參數。如快速下料次數及時間間隔、陽極下壓次數、下壓時間、等待時間等等。我們在進行自動熄效應的試驗中，通過對各種參數的調整，在保證自動熄滅陽極效應的同時，可將快速下料次數控制在最小，還可根據槽況需要控制自動熄滅的時間。

4、電壓波動的判定及處理

    在數據解析過程中，通過對電壓測量值與平均值的標準偏差的計算，當一定數量的標準偏差值超限時，判定電壓波動發(fā)生。同時在模擬試驗的基礎上，實現了控制程序通過解析對高低頻電壓波動的判定。高頻波動主要是陽極問題造成的，通過報警由電解操作人員進行處理。低頻波動主要是爐底異物引起的，波動處理模塊通過抬高陽極來處理。

四、結束語
    通過ELAS在丹鋁電解生產中的應用，我們對其進行了消化，通過對其中的參數進行優(yōu)化，ELAS系統(tǒng)在生產中已發(fā)揮了其應有的作用。通過ELAS系統(tǒng)的按需下料程序的良好運行，電解槽在啟動后運行狀態(tài)日趨良好，使我廠電解生產指標全部達標。其特殊的出鋁模塊使在出鋁過程中的能量消耗降至最低，效應自動熄滅率已達到95%，極大的降低了工人的勞動強度。