摘　要：本文比較了國內(nèi)與國外現(xiàn)階段最先進(jìn)的鋁電解控制系統(tǒng)在設(shè)計思想、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能上的不同，從用戶的角度提出了鋁電解自動控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)中可以應(yīng)用的一些新觀點，如平臺式框架、高度模塊化結(jié)構(gòu)、效應(yīng)自動熄滅與波動偵測與處理等。

關(guān)鍵詞：ELAS 鋁電解自動控制系統(tǒng) 平臺式 模塊化 網(wǎng)絡(luò) 效應(yīng) 波動 配置文件 數(shù)據(jù)分析

作　者：鐘向明　張泳美

    湖北丹江鋁業(yè)有限責(zé)任公司三期技改工程114.5KA大型預(yù)焙槽的鋁電解控制系統(tǒng)是從德國聯(lián)合鋁業(yè)公司引進(jìn)的ELAS(electrolysis automation system)。該系統(tǒng)投入運行已一年多，實現(xiàn)了全系列100臺槽92.5%以上的電效，14350以下的交耗，證明是一套穩(wěn)定優(yōu)良的控制系統(tǒng)。本文結(jié)合實際應(yīng)用的體會，將ELAS系統(tǒng)與國內(nèi)典型的鋁電解控制系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，針對軟件、硬件以及其間的結(jié)合，提出系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)的幾點新意見。

一、 平臺式的系統(tǒng)框架

　　提供平臺式控制系統(tǒng)框架設(shè)計，通過參數(shù)和配置文檔的設(shè)置滿足特定用戶的不同需要，這樣的思想對于降低系統(tǒng)開發(fā)成本，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性安全性，豐富系統(tǒng)控制手段與功能等等都是很有必要的。

　　國內(nèi)控制系統(tǒng)通常是單一生產(chǎn)線對應(yīng)單一的應(yīng)用系統(tǒng)，即為特定的生產(chǎn)槽系列設(shè)計開發(fā)一套特定的控制系統(tǒng)軟硬件供用戶使用，系統(tǒng)的專用性很強(qiáng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是：界面的免維護(hù)性較好，設(shè)計直接針對實際問題，能滿足用戶的基本要求和特定需要。但這樣的系統(tǒng)也存在一些問題，如設(shè)計成本高，開發(fā)周期長；系統(tǒng)開放性低，用戶調(diào)整困難，難以適應(yīng)實際生產(chǎn)中千變?nèi)f化的不同槽況；部分槽控硬件為非標(biāo)產(chǎn)品等等。 

　　ELAS系統(tǒng)的設(shè)計使得統(tǒng)一的系統(tǒng)框架可適用于不同的應(yīng)用環(huán)境，如不同的系列電流，同系列不同的槽電壓或下料量等。這就如同WINDOWS WORD一樣，為用戶提供了功能齊全與可再開發(fā)的統(tǒng)一平臺。 

　　模塊化的設(shè)計思想使系統(tǒng)的可塑性、靈活性強(qiáng)，對于不同的應(yīng)用環(huán)境只需要進(jìn)行少量的修改與調(diào)整。這種系統(tǒng)的優(yōu)點在于：設(shè)計成本低，開發(fā)周期極短；定型的硬件產(chǎn)品，降低非標(biāo)開支；更大范圍的適應(yīng)生產(chǎn)調(diào)整，為工藝技術(shù)和電解操作與管理人員提供了廣闊的自由空間。這套系統(tǒng)并不是專門為我廠設(shè)計的，而德方設(shè)計人員只用了24人.就在現(xiàn)場完成了軟件修改、硬件測試以及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、技術(shù)培訓(xùn)工作。

二、 模塊化設(shè)計

　　高度模塊化的電解控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是用戶降低維護(hù)成本、提高經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的有效方法。

　　國內(nèi)的控制系統(tǒng)只是一般性的應(yīng)用了模塊化思想。雖實現(xiàn)了控制功能模塊化，但可調(diào)的參數(shù)較少，不便于用戶進(jìn)行工藝調(diào)整，且模塊間是相互銜接性強(qiáng)，難以進(jìn)行隨意的單模塊修改而不影響整體軟件的運行。過程控制級（槽控機(jī)）與管理級之間是非模塊式組合，管理級對系統(tǒng)可控制槽數(shù)與控制過程是不可變的。

　　ELAS系統(tǒng)采用了完全模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，其控制槽數(shù)量、單槽運行的控制模塊數(shù)量及內(nèi)容、模塊內(nèi)參數(shù)設(shè)置都是開放的。這樣的系統(tǒng)具有以下明顯的特點：

　　1、 實現(xiàn)了控制功能模塊化，并給用戶提供了大量的可調(diào)參數(shù)。槽控機(jī)上就有66個僅供查看的不可變參數(shù)，146個可調(diào)整的可變參數(shù)。通過參數(shù)的調(diào)整，用戶可掌握工藝調(diào)整的主動權(quán)，對工藝過程實現(xiàn)極其細(xì)膩的適應(yīng)和不同程度的試驗。如我們可通過修改氧化鋁基礎(chǔ)加料時間間隔、過加料比例及欠加料比例等參數(shù)調(diào)節(jié)氧化鋁加料狀況，使每臺電解槽保持良好狀態(tài)。

　　2、 過程控制級和管理級之間是模塊化結(jié)構(gòu)，分離與結(jié)合都是自由的。過程控制級或管理級的軟件更新不會影響對方的正常運行。還可通過管理級進(jìn)行程序下載來方便地實現(xiàn)過程控制級的軟件升級與更新，軟件升級與更新可只對某一臺控制器進(jìn)行，這不會影響其他控制器或管理級的運行，這個特點便于進(jìn)行工藝實驗與系統(tǒng)優(yōu)化。通過這樣的方式，我們實現(xiàn)了遠(yuǎn)程軟件升級一次，并將使該系統(tǒng)保持與國際最新水平的同步更新。

　　3、 控制模塊容易增減。由于模塊之間獨立性強(qiáng)，耦合性弱，便于控制模塊的添加與刪除，同時也提高了系統(tǒng)的安全性、適用性。

三、 用戶界面

　　理想的用戶界面既要能滿足操作和管理人員現(xiàn)階段的需要，還要能方便的實現(xiàn)他們不斷提出來的新要求。

　　國內(nèi)控制系統(tǒng)的界面多是根據(jù)用戶的需求設(shè)計，一旦設(shè)計完成后，便已定型，用戶難以進(jìn)行修改。

　　ELAS系統(tǒng)的界面設(shè)計開放，對用于槽況分析的各種表格、圖表及報表等，用戶可根據(jù)需要修改相應(yīng)的配置文件實現(xiàn)對表格、圖表及報表的修改，還可通過生成新的配置文件實現(xiàn)新表格、圖表及報表的添加。

四、 網(wǎng)絡(luò)互連

　　方便的網(wǎng)絡(luò)互連對于工業(yè)控制系統(tǒng)的作用與INTERNET對于辦公用戶的作用是同等重要的。

　　國內(nèi)控制系統(tǒng)由于多采用專用的控制協(xié)議，因此當(dāng)系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)互連時通常需要附加的設(shè)計。

　　ELAS系統(tǒng)中支持DECnet協(xié)議和TCP/IP協(xié)議。上位機(jī)與控制器之間通信協(xié)議采用DECnet協(xié)議，系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議與外部網(wǎng)絡(luò)通信，因此，系統(tǒng)可通過標(biāo)準(zhǔn)的交換機(jī)與外部網(wǎng)絡(luò)相連，也可通過路由器設(shè)立防火墻，在設(shè)備及線路條件滿足的情況下，很方便的實現(xiàn)了局域監(jiān)視和全球范圍的遠(yuǎn)程監(jiān)視與診斷。

五、光纖網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

    ELAS系統(tǒng)的SINECH1網(wǎng)的傳輸介質(zhì)是同軸電纜，它的敷設(shè)過程及維護(hù)都比較麻煩。由于光纖是利用光而不是電信號來傳輸信息，所以具有傳輸率高、衰減低、頻帶寬、抗電磁干擾能力強(qiáng)的特性。特別是光纖作為控制網(wǎng)絡(luò)傳輸媒介，可以解決電解車間最棘手的接地問題。

    隨著鋁電解控制系統(tǒng)的發(fā)展，要求的通訊量增大，抗干擾能力增強(qiáng)，因此光纖傳輸在鋁電解控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用將越來越廣泛。

六、數(shù)據(jù)的分析層次
    對電解槽更廣泛的更多層次的數(shù)據(jù)自動分析和處理，可以為工藝管理人員提供強(qiáng)有力的武器，使之把握電解槽的脈搏。對于電解控制系統(tǒng)這樣存在海量實時數(shù)據(jù)和長期不間斷運行的情況，要實現(xiàn)所有的數(shù)據(jù)不丟失，并得到準(zhǔn)確及時的班、日、月、季、年報等已經(jīng)是很困難的了，但進(jìn)行歷史的不僅僅是電流電壓電耗，還有溫度、分子比、質(zhì)量等的分析，卻是工藝人員急切需要的東西。ELAS系統(tǒng)的對實時數(shù)據(jù)和相關(guān)的溫度等測量數(shù)據(jù)，都進(jìn)行了存儲、分析，并以表圖等最直觀的方式進(jìn)行多層次的應(yīng)用。
在管理層，不僅可以觀察歷史曲線，而且還提供了實時信息，通過實時信息可了解每臺電解槽當(dāng)前的電流、電壓值，工藝狀態(tài)，氧化鋁加料狀態(tài)，最近一次出鋁、換極及抬母線等槽操作時間，最近幾次效應(yīng)發(fā)生時間、持續(xù)時間、效應(yīng)電壓及能耗等。系統(tǒng)中提供了豐富的圖表，用曲線或棒圖的形式反映出電解槽各主要參數(shù)的變化趨勢，用戶可根據(jù)需要選擇任意時間段進(jìn)行觀察分析。系統(tǒng)中還提供了豐富靈活的報表，如槽報、啟動報表、操作報表、日報、月報、年報等。除了可任意選擇所需觀察的時間段外，還可通過針對槽號任意分組，來生成任意槽組的各種報表，便于用戶進(jìn)行針對性的槽況分析。

七、氧化鋁加料思想

    電解槽自動下料應(yīng)該進(jìn)行更細(xì)致更靈活的控制。

    在較好地保持物料平衡和能量平衡的前提下，將氧化鋁濃度控制在合適的范圍內(nèi)，是自適應(yīng)控制的目的。主要是依據(jù)氧化鋁濃度與槽電阻的關(guān)系理論，根據(jù)槽電阻斜率的變化調(diào)整加料間隔。

    ELAS系統(tǒng)的氧化鋁自適應(yīng)控制是將氧化鋁濃度控制在1.5~2.5%的范圍內(nèi)。根據(jù)槽電阻及槽電阻斜率的變化，在過加料、基礎(chǔ)加料、欠加料方式間切換。其中欠加料方式根據(jù)程度不同又分為三層，深一層欠加料的加料時間間隔更長，加料量更少。

    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(zhuǎn)過加料時槽電阻斜率值計算出來的，當(dāng)槽電阻斜率的相關(guān)性過低時，就采用標(biāo)準(zhǔn)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。

    實踐表明，這樣多層次的細(xì)膩的加料處理，可以長期使電解槽氧化鋁濃度保持在1.6%左右最敏感的控制范圍。

八、效應(yīng)自動熄滅

    合理的設(shè)計可以實現(xiàn)高效率理想的陽極效應(yīng)自動熄滅。電解槽陽極效應(yīng)自動熄滅是一個設(shè)計和操作人員很長時間以來夢想，總在現(xiàn)實與不現(xiàn)實之間徘徊，由于槽型等因素，國內(nèi)控制系統(tǒng)雖然有這一功能設(shè)計，卻一直未如愿實現(xiàn)自動熄滅陽極效應(yīng)。

    ELAS系統(tǒng)不僅有自動熄效應(yīng)控制模塊，而且針對熄效應(yīng)控制過程提供了較多的可調(diào)參數(shù)，如快速下料次數(shù)、陽極下壓步數(shù)、下壓時間等，根據(jù)不同的槽況，通過對這些參數(shù)的調(diào)整可在保證自動熄效應(yīng)的情況下，控制氧化鋁下料量及效應(yīng)持續(xù)時間等，以達(dá)到規(guī)整爐膛、清除沉淀、分離碳渣的效果。

    通過工藝與控制人員的努力，丹江鋁業(yè)公司電解三廠已經(jīng)成功實現(xiàn)95%以上的陽極效應(yīng)自動熄滅，極大的減少了工人勞動強(qiáng)度，降低了效應(yīng)消耗。

九、波動的檢測與處理

    準(zhǔn)確檢測槽波動，并提供波動原因的分析，為槽操作提供處理意見，對電解生產(chǎn)具有極大的應(yīng)用價值。ELAS系統(tǒng)不僅可以根據(jù)電壓標(biāo)準(zhǔn)偏差超過限定值來檢測出電壓波動，還能通過對標(biāo)準(zhǔn)偏差的數(shù)據(jù)解析，區(qū)分是高頻波動還是低頻波動，高頻波動主要是陽極問題，低頻波動主要是爐膛問題。針對高低頻波動對電解槽采取不同的操作，可以更好的保持良好槽況。這一工具主要是在電解槽仿真理論上開發(fā)出來的。

十、模擬屏和語音報警
   
    在控制系統(tǒng)的管理層實現(xiàn)對電解車間的全屏模擬顯示和效應(yīng)等異常態(tài)自動語音報警是有必要的。

    國內(nèi)控制系統(tǒng)基本上都具備這兩種功能，ELAS系統(tǒng)在國外應(yīng)用中則沒有。通過應(yīng)用表明，生產(chǎn)需要這樣的功能塊，因此我們對引進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，以外部擴(kuò)展的形式實現(xiàn)了自動語音報警。

    以上意見是筆者在多年從事鋁電解控制系統(tǒng)應(yīng)用和開發(fā)的基礎(chǔ)上，參觀學(xué)習(xí)了國內(nèi)外成功的大型預(yù)焙槽控制系統(tǒng)理論和應(yīng)用，從用戶的角度針對國內(nèi)鋁電解控制系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)提出的一些主要意見，供大家參考，并懇請指導(dǎo)。