電解槽槽控機的自動控制與安全保護措施

摘 要：本文介紹和討論了鋁電解槽控機的自動控制和幾種安全保護措施，其中包括中電投寧夏青銅峽鋁業分公司120、150 kA電解系列槽控機的自動控制安全保護措施。

關鍵詞：鋁電解 槽控機 自動控制 安全保護 陽極升降

中圖分類號：TF801.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）11（b）-0005-01

鋁電解槽智能模糊控制機（簡稱槽控機）通過智能模糊控制軟件完成對生產工藝的各種控制功能，是鋁電解生產的關鍵設備。槽控機自動控制中的安全保護措施主要是通過對電解槽陽極的升降和打殼下料實現的，一旦控制系統失控，就會出現電解槽“壓槽”或“拔槽”事故，特別是“拔槽”會造成系列幾百千安培（目前最大400 kA）電流的陰極與陽極脫開，形成斷路。致使單臺或多臺電解槽劇烈爆炸，嚴重的將會造成整個電解系列停產，經濟損失將會十分慘重，還可能引起人身傷亡。因此，槽控機自動控制采用了安全可靠的陽極升降定時保護、槽電壓越限保護、接觸器升降互鎖等一系列保護措施，主要實現方式有硬件方式、軟件方式以及硬件+軟件方式。

1 槽控機的自動控制

槽控機控制電解槽的基本依據是輸入通道采集電解槽的槽電壓和槽電流，并根據設定的系列、常用、單槽等一系列參數進行解析運算并接收各種工藝操作的手動和檢測信號；最后，輸出通道通過判斷解析電解槽能量平衡的陽極升降信號，來發出電解槽物料平衡信號。在自動狀態下完成陽極升或降、打殼、下料、效應處理、輔助加工、出鋁、換極的過程控制及故障自診斷等功能，也可由人工在手動狀態下操作完成相應控制功能。槽控機通過CANBUS總線完成與工作站上位機的通訊，實現現場實時數據的傳送、接收及存儲，現場監控機與上位機通過有線網絡實現實時數據、歷史數據傳送及讀取。

2 槽控機的安全保護措施

槽控機作為電解槽的直接控制級，實時對電解槽的槽電壓和系列電流采樣解析，并對其物料平衡和熱平衡的變化過程實時地進行智能模糊控制。目前，我公司使用的控制軟件有三種：熱平衡控制（陽極極距）；雙平衡控制（能量平衡、物料平衡）；三度尋優控制（過熱度、電解質溫度、初晶溫度）。其中，電解槽的熱平衡控制原理是通過槽控機控制電解槽上部的陽極母線升降機構來實現改變電解槽陽極與陰極間的極距并解析電解過程所需能量收入，當極距增大時，電解槽壓降升高，相應的電解槽能量收入增加；極距減少時，壓降降低，相應的熱能量收入減少。目前，我公司槽控機采用的安全保護措施主要有以下幾種。

2.1 軟件控制保護

軟件保護主要采用軟件定時保護，由程序設定自動升降陽極時的最大時間，一般為3～6 s，如果升降操作超時，程序自動中斷操作信號，使陽極升降立即終止；其次是槽電壓過、欠壓保護，如果電解槽電壓超出程序設定的最高電壓值（寬死區）或最低電壓值（窄死區）時，程序自動停止升降陽極操作或不執行升降陽極操作。同時在電解槽程序中還設定有每次自動升降陽極的動作時間，陽極升、降分為0.5 s、0.8 s和1 s三個調整檔次，該參數可根據生產過程中根據工藝要求及陽極升降機構的運轉速度來調整。此外，在軟件中還有自診斷程序用來檢測槽控機故障信息和電解槽實時狀態，自動解析、發出陽極動作命令，同時發出語音報警、槽控機屏幕顯示區顯示故障代碼（根據故障類型定義的故障符號）提示維修人員排除故障，防止意外事故的發生。

2.2 硬件保護

2.2.1 硬件定時器安全保護

硬件定時器由14位二進制數字計數器和其他外圍元件組成，由人工設定時間。陽極升降時，檢測電路檢測接觸器動作信號，由信號控制計數器的復位端，使計數器處于計數狀態，如果該信號在計數器溢出之前消失，說明陽極升降過程停止，計數器處于復位狀態停止計數，等待下一次操作；如果該信號一直保持到計數器溢出，說明升降過程已超出了設定時間，說明陽極升降定時器超時，信號傳入CPU，CPU發出停止陽極升降的指令，終止正在執行的陽極升降操作，同時給出定時器超時的故障代碼，并鎖定超時狀態，保護故障現場。

2.2.2 陽極母線上下限安全保護

上下限安全保護主要是保證電解槽陽極母線在有效行程0～400 mm的范圍內移動，防止母線動作時超過設定的安全位置，使電解槽上部機構發生機械損壞，造成事故。行程是由安裝在電解槽上部的兩個行程探測儀向CPU發出上限位和下限位的信號，在母線到達上限位時，只執行降陽極操作，而不執行升陽極操作；反之，當母線到達下限位時，只執行升陽極操作，而不執行降陽極操作，確保了母線升降機構的安全。

2.2.3 主接觸器防粘連及互鎖設計

主接觸器防粘連電路中共設計了四個接觸器。其中3KM、4KM兩個接觸器控制陽極升降電機的正反轉，它們的常閉觸點串連后，與主接觸器1KM的常開觸點并連，接入1KM、2KM的線圈回路，它們的常閉觸點，與其線圈交叉串連。其作用是，如果正反轉接觸器中只要有一個發生粘連，則1KM、2KM都不能閉合，即主電源斷開，電機不得電后立即停止運轉，可以降低事故概率。此外，電路中3KM、4KM的線圈與對方的常閉觸點串聯，只要升接觸器和降接觸器吸合；另一個接觸器的線圈由于對方的常閉觸點斷開而不得電，因而實現了接觸器互鎖功能。

2.2.4 手動陽極升降安全保護

手動操作是槽控機完全脫離自動控制狀態的操作模式。通常是在供電系統出現系列限電、停電等異常情況下轉到手動狀態的操作模式。在手動狀態下，槽控機會失去上位機監控及系統軟硬件的保護，使陽極升降失控的風險性大大增加。

2.2.5 槽控機抗干擾措施

用AC380V/AC220V隔離變壓器為槽控機主回路的控制電源進行一級隔離，隔離后的交流AC380V進行二級隔離，變壓為AC220V后分為兩路，一路供槽控機系統低壓電器控制回路部分使用；另一路通過變壓器變壓為DC12V、5V為槽控機邏輯電路部分集成電路板提供電工作電源；另外，在執行機構設計中采用RC吸收回路，過程通道中采用光電耦合隔離，通訊雙絞線、信號的長線電流傳輸則采用屏蔽、阻抗匹配等措施；為消除對集成電路電路板的雜波干擾，電路板中采用了去藕電容配置。

2.3 打殼下料安全保護

正常情況下電解槽槽電壓總是圍繞著電解槽設定電壓上下波動，定時的打殼下料維持著電壓穩定運行，當打殼下料出現異常過多或過少時都將影響槽電阻的變化，槽電阻的變化超出正常值時，計算機監控軟件通過條件判斷是否是打殼下料設備出現問題，產生報警信號，通知維修人員處理。

3 結語

本文討論、介紹了槽控機的自動控制和槽控機的幾種安全保護措施。對于工業現場的工程技術人員來說，目前，如何在自動化控制迅速發展、生產任務繁重的情況下，深入掌握、不斷改進槽控機的自動控制和安全保護，對正確地操作和維護槽控機具有現實意義。

參考文獻

[1]內部資料150 kA鋁電解操控機智能控制系統用戶手冊.

[2]內部資料120 kA鋁電解生產工藝手冊.