淺析過壓保護技術在智能模糊控制系統中的應用

雷曉東

（中鋁蘭州分公司 電解二廠，甘肅 蘭州730060）

槽控機是鋁電解槽自控系統的主體部分，我們應用最新的現場總線及網絡通信技術開發的基于現場總線的網絡式（全分布式）智能槽控機可以滿足現代化電解鋁生產自控的需求。槽控機內部結構設計為多CPU智能分布式網絡結構形式。在低電壓下，電解質層很薄，電解槽變得十分敏感，原來所使用的第一代YFC-99型槽控機已經不能滿足當前的控制要求，我們現在大多都引進了AIC-Ⅱ槽控機，它采用了當前主流的ARM系列控制芯片，相對于C51系列來說，它集成了更多的外設功能模塊，運算速度高，非常適合低電壓下精確控制的要求。但由于現階段原來的槽控機的安全保護只能依靠上下限位來進行。而現在的電解槽非常敏感，發生效應時電壓波動比較大，一個小的陽極操作都會產生較大的電壓波動，陽極操作不易控制，特別是誤操作時非常容易發生不安全事故。因此我們通過對槽控機硬件電路的改進能加強槽控機對電壓過高或者過低時的保護，使它達到一定的要求。

1 槽控機系統簡介

目前我們所使用或將要改造使用的系統是YFC-99型鋁電解槽智能模糊控制系統，是“槽控機-上位機”的兩級分布式控制方案，并采用CAN通信協議構成。每臺電解槽配備一臺槽控機作為直接控制級，它具備獨立進行槽電壓和系列電流采樣的能力，并對電解槽的物料和熱平衡的快速變化過程實時監控。這種全分布式智能槽控機為壁掛式結構，左右機箱分別為動力箱、邏輯箱。

1.1 YFC-99型槽控機，可獨立對電解槽進行數據采集和控制，所以該控制系統叫分布式的控制系統。下位機分為動力機箱和邏輯機箱兩部分，動力機箱是槽控機的執行機構，負責槽控機的各種現場正常操作。邏輯機箱是槽控機的核心部分，主要功能如下：

（1）在線同步采集槽電壓、系列電流；接受并處理與人工作業工序相關的各種手動信號。

（2）實時地解析槽況的變化趨勢；對不穩定及異常槽況（如電阻針振、電阻擺動、陽極效應趨勢、陽極效應發生、下料過程的電阻變化異常、極距調節過程的電阻變化異常等）的預報、報警和自處理。

（3）由模糊控制器實現對下料速率的調節，和對正常槽電阻的控制。

（4）對換陽極、出鋁、抬母線及邊加工等進行監控。

（5）提供多種可供選擇的下料控制模式與電壓控制模式。

（6）在聯機狀態下能通過通訊接口與上位機交換數據。

（7）診斷、記錄和顯示自身的運行狀態和故障部位，并采取相應的保護措施。

1.2 動力箱內動力單元的內部結構其主要器件及用途

信號采集板的主要作用是：（A）檢測接觸器的通斷狀態，以及吸收接觸器線包斷電時的感應電壓。（B）提供一個純手動／自動切換開關：在特殊情況下將其置于純手動，可使動力箱操作面板上的5個操作按鈕生效（參見“操作面板簡介”）。（C）定時器，手動升降超過設定時間，切斷提升電機。（D）當有特殊情況時，按箱外緊急跳閘按鈕達到斷開設備電的目的。（E）雙路保險管盒：其作用是接通和斷開電解槽槽電壓和槽控機的連接，在進行槽控機維護時可斷開槽電壓。

2 信號檢測板在槽控機系統中的工作原理分析

信號檢測板：在陽極升降中接觸器是否閉合，升降結束后接觸器是否斷開，升降開始啟動定時器，發現三相電缺相后能否立即切斷提升機電源，這些都是非常重要的問題。信號檢測板就是為解決這些問題而設置的。如圖1所示。

當升降開始，1KM或2KM閉合時，從B相經過1KM輔助觸點、光耦N1原邊及D1，再到C相構成回路。其中光耦的發光管流過半周，D1流過半周，故光耦次邊輸出的是50Hz的脈沖。此脈沖就是送往硬件定時器作為計時標準用的。同時也是判斷1KM是否閉合的信號。同樣，當3KM或4KM閉合時，光耦N2、N3也會輸出脈沖，分別表示它們各自的通斷。不過，這路脈沖不是送往硬定時器，而是分別送往操作板CPU的定時/計數器T1和T0。程序不斷讀取T1、T0的數值是否變化，用確定3KM、4KM的通斷。注意，這里三個光耦接于三相動力電的不同相之間，升降中任何一相不通，就會感知缺少接觸器閉合信號，出現升降異常，立即令切斷提升電機電源，也就是說，它間接地檢測到缺相發生。

圖1 信號檢測板原理圖

3 現階段存在的問題及解決方法

3.1 現階段存在的問題

原來的槽控機的安全保護只能依靠上下限位來進行。而現在的電解槽非常敏感，發生效應時電壓波動比較大，一個小的陽極操作都會產生較大的電壓波動，陽極操作不易控制，特別是誤操作時非常容易發生不安全事故。

3.2 解決方法

通過對電路原圖的分析，我們準備在現有電路板的基礎上對槽控機的硬件電路進行一些改動，使其能夠在槽電壓在過高時禁止槽控機進行手動或者自動的陽極升動作，電壓過低時禁止槽控機進行手動或自動的陽極降動作。

首先，我們取消原電路中效應報警器部分的小型繼電器，將效應報警改為總線模式，總線模式的報警器相比前更為可靠。在電路板增加芯片和器件,設計電壓保護電路，增加的主要器件有ULN2004, PC817，LM393，JHC-5F/A。最后我們將電路板上兩個二極管DN1和DN2去掉，再次進行調試，電壓保護有效而且可靠準確。經過改動后的電路板只要電壓保護的電壓上下限值設定好以后，當超過電壓上限時，無論是手動還是自動都無法進行陽極升動作；當超過電壓下限時，無論是手動還是自動都無法進行陽極降動作。但是在特殊情況下，根據電解生產的需要，又需要在電壓值高于我們設定的常規電壓上限值時有升陽極動作（如剛啟動的電解槽有時需要高電壓運行），電壓值低于我們設定的常規電壓下限值時有陽極降動作（如大修后的電解槽需要測試陽極升降是否正常）。于是我們在電路板上兩個二極管DN1和DN2的位置焊接跳線插頭，當確實需要在高電壓升陽極時，可以在DN2的位置增加跳線，使JH部分的超小型極化繼電器被短路，無控制陽升信號發出，使高電壓保護電路失效。當確實需要在低電壓降陽極時，可以在DN1的位置增加跳線，使JL部分的超小型極化繼電器被短路，無控制陽降信號發出，使低電壓保護電路失效。

4 結束語

通過對現有電路進行改動，使電壓保護電路發揮了應有的作用，并創造性的增加了操作的可行性。在很大程度上保證了電解生產安全，防止了不當操作引起的電解槽運行不穩定現象，更主要的是防止了電解槽不安全事故的發生，避免了因電解槽不安全事故造成的極大損失經濟損失，產生了無形的經濟效益。

［1］中南大學,長沙業翔科技發展有限公司.鋁電解智能模糊控制系統:產品用戶手冊[S].

［2］電力半導體元件與變流器手冊[S].北京:機械工業出版社.