電解鋁廠生產(chǎn)全過程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及安全性的研究與系統(tǒng)實現(xiàn)

傅開偉 王 勇張 軍 董 雪

（1．重慶天泰鋁業(yè)有限公司，重慶 400328；2．南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 211000）

電解鋁廠生產(chǎn)全過程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及安全性的研究與系統(tǒng)實現(xiàn)

傅開偉 王 勇1張 軍 董 雪2

（1．重慶天泰鋁業(yè)有限公司，重慶 400328；2．南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 211000）

以適應(yīng)現(xiàn)代電解鋁行業(yè)發(fā)展趨勢，電解鋁廠生產(chǎn)全過程監(jiān)控系統(tǒng)正在新建項目中得到開發(fā)和應(yīng)用。論文詳細論述了系統(tǒng)需求、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及安全性研究、分析到實現(xiàn)的過程和系統(tǒng)實現(xiàn)的效果。

電解鋁廠；全過程監(jiān)控；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及安全性；系統(tǒng)實現(xiàn)

概述

隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，電解鋁廠生產(chǎn)全過程綜合控制技術(shù)作為電解鋁冶煉必須的檢測監(jiān)控手段正發(fā)生著深刻的變化。傳統(tǒng)意義上的電解鋁廠各生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動化水平相對落后，各系統(tǒng)孤立運行，生產(chǎn)運行和維護分離管理，自動化處理能力不足，不能充分發(fā)揮設(shè)備能力，資源浪費嚴重，事故頻頻發(fā)生。自動化程度不高，大部分操作需通過人工手動進行，操作人員勞動強度大，效率較低，管理困難。因此急需建立面向?qū)ο蟆⒚嫦蛉帧㈤_放式、分層分布的電解鋁綜合自動化系統(tǒng)，將電解整流、電解槽控等在正常及事故情況下的監(jiān)測、保護、控制、計量、工作管理有機地融合在一起，改進變電整流供電質(zhì)量和電解工藝參數(shù)，與電解建立了更密切更負責的關(guān)系。

1 生產(chǎn)全過程綜合監(jiān)控系統(tǒng)的建立

圖1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

電解鋁廠生產(chǎn)全過程綜合監(jiān)控系統(tǒng) 融合電解鋁廠電解整流、電解槽控、原料供給、煙氣凈化、空壓氣體等系統(tǒng)的

運行與監(jiān)測，并同時作為電解鋁廠生產(chǎn)調(diào)度控制中心。綜合監(jiān)控系統(tǒng)以控制對象為基礎(chǔ)、設(shè)備管理為保障、優(yōu)化流程為目標，秉承“分級控制、集中監(jiān)控”理念，進行整體設(shè)計，在滿足安全性、可靠性、實用性的基礎(chǔ)上，建立面向?qū)ο蟆⒚嫦蛉帧㈤_放式、分層分布的電解鋁廠生產(chǎn)自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單元結(jié)構(gòu)，分為設(shè)備層、監(jiān)控層二層構(gòu)架。

1.1 設(shè)備層：包括變電整流、電解槽控、煙氣凈化、空壓站、循環(huán)水、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、智能直流電源、視頻監(jiān)控等，通過對現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)、作業(yè)環(huán)境、生產(chǎn)過程的實時監(jiān)測和控制，為電解系列監(jiān)控系統(tǒng)提供全面的生產(chǎn)實時過程信息和控制。

1.2 監(jiān)控層：建設(shè)一體化監(jiān)控平臺，全面接入上述設(shè)備層子系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集匯總和信息共享，實現(xiàn)電解、整流的集中監(jiān)控，實現(xiàn)各類事故預(yù)警和故障快速處理指導(dǎo)，實現(xiàn)WEB遠程管理維護等功能。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及安全性研究

A按對象分層分布式組網(wǎng)模式

電解鋁廠生產(chǎn)全過程控制系統(tǒng)涵蓋電解鋁生產(chǎn)過程的全部環(huán)節(jié)，系統(tǒng)龐大，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點眾多，必須設(shè)計合理、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為使生產(chǎn)各環(huán)節(jié)子系統(tǒng)獨立組網(wǎng)，生產(chǎn)與檢修互不影響，生產(chǎn)網(wǎng)與信息網(wǎng)數(shù)據(jù)相互共享的同時網(wǎng)絡(luò)相對獨立。為此，需建立分層分布式的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的運行效率，對生產(chǎn)過程信息進行全面的展示與分析。

B優(yōu)化雙機切換，平衡分配負荷

針對雙機主備服務(wù)系統(tǒng)，當服務(wù)器發(fā)生切換時，可能發(fā)生的采集數(shù)據(jù)丟失及操作的成功率進行優(yōu)化。傳統(tǒng)的主備機大都是被動主備關(guān)系，所有服務(wù)在主機運行，備機處在熱備用，這導(dǎo)致主機處于長期高負荷運行，而備機卻低負荷甚至無負荷運行，主機長期高負荷運行增加故障概率。并且當真正需要切機時，所有服務(wù)切換需要更長時間，從而引起數(shù)據(jù)丟失。

C網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量統(tǒng)計和數(shù)據(jù)分類

圖2

電解鋁廠生產(chǎn)全過程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的數(shù)據(jù)點多，信息流量大，需要進行流量統(tǒng)計分析，同時需要對傳輸數(shù)據(jù)進行分類，不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)用不同的傳輸頻率。數(shù)據(jù)分為秒級、分鐘級、小時級，重要設(shè)備的狀態(tài)信息通過秒級數(shù)據(jù)傳輸，一般設(shè)備的狀態(tài)信息通過分鐘級數(shù)據(jù)傳輸，運行記錄等歷史信息通過小時級數(shù)據(jù)傳輸。

D監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互

生產(chǎn)自動化網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息網(wǎng)常規(guī)是獨立建設(shè)，但隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，要求自動化網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)進行信息交互，例如過程控制網(wǎng)需要讀取信息中心的化驗室數(shù)據(jù)，過程控制網(wǎng)的一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)也應(yīng)上傳給企業(yè)網(wǎng)，以供決策分析用。系統(tǒng)采用基于Web的遠程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集模式，根據(jù)遠程端頁面動態(tài)收發(fā)實時數(shù)據(jù)，有效實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的共享。

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

通過以上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及安全性研究，本監(jiān)控平臺采用分層、分布、模塊化設(shè)計思想，如圖2所示：

系統(tǒng)以IBM X3850機架式服務(wù)器為硬件平臺，通過RuggedCom交換機聯(lián)接各系統(tǒng)節(jié)點。服務(wù)器采用SUSE11操作系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)安全性的同時，又不失其靈活及高效性。實時庫和歷史庫的分工配置保證了數(shù)據(jù)處理的實時、安全、高效。數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù)庫負責管理存放在內(nèi)存緩沖區(qū)中的實時運行數(shù)據(jù)，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和處理能力。原始的數(shù)據(jù)模型存于商用庫，各應(yīng)用服務(wù)器上實時庫中的數(shù)據(jù)從商用庫中下裝，下裝后即可為其他客戶端提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。

實時數(shù)據(jù)庫具有如下特點：

3.1 分布式結(jié)構(gòu)，便于實時數(shù)據(jù)庫節(jié)點的增減。與普通商用數(shù)據(jù)庫采用集中式存儲不同，系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫支持分布式結(jié)構(gòu)，不同節(jié)點的實時數(shù)據(jù)通過同步機制實現(xiàn)同步刷新。這種結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)具有良好的開放性，可以方便地進行節(jié)點的增減。

3.2 采用關(guān)系模型，支持SQL語言。系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系模型建設(shè)，因此具備支持SQL語言的能力。根據(jù)實時數(shù)據(jù)庫的特點，系統(tǒng)設(shè)計了一個SQL語言子集，支持常用的Select，Insert，Update等命令，并且保證了語法的統(tǒng)一。第三方軟件或用戶可以通過SQL語言命令，方便地對實時數(shù)據(jù)進行處理，具有良好的開放性。

歷史數(shù)據(jù)庫主要用于存儲系統(tǒng)模型、采樣數(shù)據(jù)、告警等需要長期保存，但讀寫頻率較低的數(shù)據(jù)。采用商用數(shù)據(jù)庫（Oracle）或開源數(shù)據(jù)庫（MySQL）存儲歷史數(shù)據(jù)，并通過一套歷史數(shù)據(jù)庫管理模塊，實現(xiàn)了多數(shù)據(jù)庫同步、“1+N”等高級功能，保證了歷史數(shù)據(jù)的完整與可靠。

4 效果及意義

以設(shè)備管理為保障，安全運行生產(chǎn)為目的，進行整體設(shè)計，在滿足安全性、可靠性、實用性的基礎(chǔ)上，計算機硬軟件系統(tǒng)或自動裝置在集控室集中監(jiān)控，代替人工對電解整流的分散控制，進行集中監(jiān)控、測量和運行操作，使變電整流和鋁電解運行和監(jiān)控發(fā)生了巨大的變化，取得顯著的效果。

4.1 提高供電質(zhì)量。電解鋁企業(yè)要求不間斷供電電源和穩(wěn)定的負荷，給供電提出了更高的要求，停電或限電會導(dǎo)致停產(chǎn)或減產(chǎn)，停產(chǎn)或減產(chǎn)對電解鋁生產(chǎn)的危害都是巨大的。實現(xiàn)電解整流一體化集中監(jiān)控，可以最大限度地提高供電質(zhì)量，滿足鋁電解生產(chǎn)的需要，實現(xiàn)綜合自動化可提高供電的可靠性，并為為恢復(fù)供電、快速分析、診斷、報告事故原因提供有效的依據(jù)，減少故障次數(shù)，縮小事故范圍，縮短事故時間。

4.2 綜合自動化系統(tǒng)的效益還在很大程度上體現(xiàn)在設(shè)備管理上，通過綜自系統(tǒng)設(shè)備在線監(jiān)測的使用可以使設(shè)備檢修的針對性更強，變故障檢修為狀態(tài)檢修，變?nèi)斯ぱ矙z為自動故障保修，每年可減少檢修費用50%，減輕維護人員的勞動強度50%，增強電力設(shè)備的免維護性，有利于提高設(shè)備的安全和健康水平，延長使用壽命。

4.3 分級控制、集中監(jiān)控。集中控制系統(tǒng)，是提高企業(yè)整體素質(zhì)的有效途徑和提高行業(yè)監(jiān)控自動化的主要手段。集電解整流過程控制、操作優(yōu)化、生產(chǎn)管理于一身，形成一個高效益、高柔性、高質(zhì)量的生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，可以有效地提高裝備水平、技術(shù)水平和管理水平，投運后可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

從長遠來看，隨著綜合自動化數(shù)字化、智能化在工廠中的應(yīng)用，將設(shè)備控制信息、狀態(tài)信息及設(shè)備故障診斷等現(xiàn)代先進技術(shù)集成在設(shè)備維護管理中，有利于提高員工的技術(shù)水平和素質(zhì)，有利于推動企業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)進步，促進經(jīng)濟增長方式的轉(zhuǎn)變，增強市場競爭力。

[1]師黎．智能控制理論及應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社．

[2]吳醒非，李文珍，王燕，郭大勇．電解鋁生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備管理的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．冶金自動化，2004（增刊）：280-283．

[3]梁學(xué)民．現(xiàn)代鋁電解生產(chǎn)技術(shù)與管理[M]．長沙：中南大學(xué)出版社．

TP27

B