PLC在鋁電解槽下料控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄂以帥，張艷芳，王 彪，孫鳳娟，唐新平

(1.中國鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041；2.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450046)

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PLC在鋁電解槽下料控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄂以帥1，張艷芳1，王 彪2，孫鳳娟1，唐新平1

(1.中國鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041；2.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450046)

介紹了一種鋁電解下料控制系統(tǒng)，該下料控制系統(tǒng)以PLC為核心，通過與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交流傳輸，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)布動(dòng)作命令，起到橋梁紐帶作用；同時(shí)，利用PLC自身優(yōu)勢(shì)，把一部分程序書寫到PLC中，提高了上位機(jī)數(shù)據(jù)處理效率。現(xiàn)場(chǎng)以觸摸屏為人機(jī)對(duì)話界面，便于現(xiàn)場(chǎng)工人查看電解槽運(yùn)行狀況。

鋁電解；PLC；觸摸屏；下料控制

電解槽計(jì)算機(jī)控制從20世紀(jì)80年代間的集中式控制系統(tǒng)，發(fā)展到20世紀(jì)90年代末的分布式控制系統(tǒng)，在槽控機(jī)硬件構(gòu)造方面先后作出了幾次大的改進(jìn)。目前，我國中間點(diǎn)式下料預(yù)焙槽采用的分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，每臺(tái)電解槽配置1臺(tái)槽控機(jī)，每臺(tái)槽控機(jī)獨(dú)立完成所控電解槽的全部控制任務(wù)。

電解槽控制系統(tǒng)主要通過控制電解槽的物料平衡和能量平衡實(shí)現(xiàn)電解槽的穩(wěn)定高效運(yùn)行。其中，物料平衡主要包括氧化鋁濃度、電解質(zhì)成分控制；能量平衡主要包括電壓控制、槽溫及過熱度控制。

1 PLC控制下料上位機(jī)控制策略[1-2]

鋁電解槽的下料分為3種：氧化鋁下料、氟鹽下料和電解質(zhì)下料。根據(jù)這3種下料的不同特征，需要采取不同的方式進(jìn)行下料控制。氧化鋁根據(jù)濃度需求采用多點(diǎn)按需下料的精準(zhǔn)穩(wěn)定控制方法，由于濃度過低會(huì)導(dǎo)致陽極腐蝕增強(qiáng)，過高容易產(chǎn)生沉淀，濃度控制范圍、氧化鋁的輸送擴(kuò)散特點(diǎn)均需要研究適合的控制方案和策略；氟鹽在生產(chǎn)過程中根據(jù)揮發(fā)、添加量、回收量和分子比分析等數(shù)據(jù)的變化特征制定出了穩(wěn)定控制的優(yōu)化對(duì)比反饋算法，該算法根據(jù)近歷史的和一段時(shí)間內(nèi)分子比的實(shí)測(cè)值，氟鹽加料量、電解溫度等計(jì)算預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)的氟鹽揮發(fā)速度，依據(jù)此揮發(fā)速度和當(dāng)前分子比數(shù)值及目標(biāo)值來調(diào)整氟鹽下料間隔，使分子比逐步到達(dá)目標(biāo)范圍內(nèi)；電解質(zhì)量及成分精確穩(wěn)定控制方法、分子比穩(wěn)定保證初晶溫度及氧化鋁融解性能穩(wěn)定，電解質(zhì)水平的高低也影響著電解槽的熱穩(wěn)定性，電解質(zhì)水平越高，槽內(nèi)電解質(zhì)量越大，電解槽熱穩(wěn)定性越好，有利于氧化鋁的溶解，但同時(shí)也影響著電極在電解質(zhì)液面的深度，因此電解槽生產(chǎn)應(yīng)保持在一個(gè)穩(wěn)定的電解質(zhì)水平。

結(jié)合上述下料特點(diǎn)，硬件布局結(jié)合本著實(shí)用、先進(jìn)、可靠的原則來構(gòu)造鋁電解生產(chǎn)過程計(jì)算控制系統(tǒng)的硬件體系。槽控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案如下：采用模擬量模塊、開關(guān)量模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，控制級(jí)執(zhí)行由PLC完成，監(jiān)控級(jí)邏輯功能由監(jiān)控機(jī)完成，系統(tǒng)管理功能由客戶端和應(yīng)用服務(wù)器完成，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)由數(shù)據(jù)服務(wù)器完成。槽控系統(tǒng)硬件機(jī)構(gòu)布局圖如圖1所示。

圖1 槽控系統(tǒng)硬件機(jī)構(gòu)布局圖

2 PLC在下料控制中的程序設(shè)計(jì)思路及控制邏輯

2.1 PLC硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)需要檢測(cè)的主要信號(hào)有2路槽電壓、3路母線電流、6路溫度檢測(cè)、34路分電流和54路側(cè)壁溫度；需要執(zhí)行的控制有3回路氧化鋁多點(diǎn)下料控制、1回路氟化鹽下料控制和1回路電解質(zhì)下料控制。考慮到經(jīng)濟(jì)適用性，采用國產(chǎn)信捷XC3-60T-E為基本單元的PLC，需測(cè)控開關(guān)輸入及輔助信號(hào)9路、開關(guān)輸出及輔助信號(hào)13路和模擬量輸入100路。考慮到模擬量信號(hào)較多，采用專用模擬量模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]。

XC3-60T-E基本單元有3個(gè)通信口：通信口1為RS-232，用來編程和調(diào)試用；通信口2為RS-232/RS-485，用來與觸摸通信；通信口3為RS-232/RS-485，用來進(jìn)行上位機(jī)通信。

在下料控制過程中，通過PLC既滿足了上位機(jī)控制需求，又實(shí)現(xiàn)了氧化鋁、氟鹽的下料時(shí)間、下料間隔的控制；同時(shí)通過下發(fā)脈沖參數(shù)實(shí)現(xiàn)了電解質(zhì)下料的精確控制。考慮到上位機(jī)與下位機(jī)通信異常情況下又要滿足生產(chǎn)需求，在程序設(shè)計(jì)中添加了通過PLC獨(dú)立運(yùn)算下料控制功能。

2.2 PLC與上位軟件通信

Monitor軟件采用VC++6.0開發(fā)，建立了友好的RS485基本數(shù)據(jù)采集通信平臺(tái)，建立了數(shù)據(jù)采集、下料控制和監(jiān)控等功能模塊。其中，數(shù)據(jù)采集預(yù)處理模塊主要采集電流、電壓、分電流、側(cè)壁溫度、冷凝數(shù)溫度和預(yù)熱器溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理；下料控制模塊接收參數(shù)管理中的下發(fā)參數(shù)，并向開關(guān)量模塊或PLC發(fā)出命令，實(shí)現(xiàn)氧化鋁和氟鹽的下料；監(jiān)控模塊主要對(duì)溫度狀況、下料狀態(tài)和電流分布進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與分析。

2.3 下料控制程序控制邏輯

將下料控制系統(tǒng)的程序按工作方式和功能分成公共程序、手動(dòng)程序和自動(dòng)程序等幾大類。手動(dòng)程序和自動(dòng)程序是不同時(shí)執(zhí)行的，所以用跳轉(zhuǎn)指令將它們分開，用工作方式的選擇信號(hào)作為跳轉(zhuǎn)的條件。選擇手動(dòng)工作方式，如X1為“1”狀態(tài)，將跳過自動(dòng)程序，執(zhí)行公用程序和手動(dòng)程序；選擇自動(dòng)工作方式，如X1為“0”狀態(tài)，將跳過手動(dòng)程序，執(zhí)行公用程序和自動(dòng)程序。確定了系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)形式后，分別對(duì)氧化鋁下料、氟鹽下料和電解質(zhì)下料程序進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。

公共程序和手動(dòng)程序相對(duì)較為簡(jiǎn)單，一般采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)；自動(dòng)程序相對(duì)比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮實(shí)際工藝條件及要求，根據(jù)上位機(jī)要求進(jìn)行程序參數(shù)的改變及優(yōu)化。在氧化鋁下料、氟鹽下料及電解質(zhì)下料中，結(jié)合各自下料量和下料周期，采取了三者之間是否關(guān)聯(lián)可選、順序控制的設(shè)計(jì)方法。考慮出現(xiàn)通信異常情況，在程序中設(shè)計(jì)了通信異常下位機(jī)自動(dòng)下料，恢復(fù)正常后上報(bào)通信異常下料情況等程序。PLC下料控制流程圖如圖2所示。

圖2 PLC下料控制流程圖

3 PLC與觸屏配合實(shí)現(xiàn)下料參數(shù)監(jiān)測(cè)與控制

為便于操作，在該系統(tǒng)中加入了觸摸屏，與PLC通信進(jìn)行參數(shù)讀取與設(shè)置。可設(shè)置的參數(shù)有下料時(shí)間、下料間隔、槽壓、槽溫和槽電流等常用數(shù)據(jù)，并可通過實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，也可通過報(bào)表查看和打印對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與研究。下料控制主要參數(shù)設(shè)置與顯示界面如圖3所示。

圖3 下料控制主要參數(shù)設(shè)置與顯示界面

4 結(jié)語

以PLC為核心的鋁電解下料控制系統(tǒng)，利用PLC網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)，軟件好用、方便，人性化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)為鋁電解下料控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了較大便利，摒除了傳統(tǒng)鋁電解下料控制系統(tǒng)開發(fā)周期長、數(shù)據(jù)處理手段繁瑣和運(yùn)行維護(hù)技術(shù)要求高的開發(fā)板性電路板，提高了現(xiàn)場(chǎng)工作效率，為鋁電解槽的高效運(yùn)行提供了有力的保障。

[1] 邱竹賢.預(yù)焙槽煉鋁[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[2] 馮乃祥.鋁電解[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3] 晁陽.可編程控制器[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[4] 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

責(zé)任編輯 鄭練

PLC Application in Aluminum Cell Discharge Control System

E Yishuai1, ZHANG Yanfang1, WANG Biao2, SUN Fengjuan1, TANG Xinping1

(1.Zhengzhou Non-ferrous Metals Research Institute Co., Ltd. of CHALCO, Zhengzhou 450041, China; 2.Henan Polytechnic, Zhengzhou 450046, China)

Briefly introduce a kind of aluminum electrolytic discharge control system. The feed control system takes PLC as the core, transfer the data through the communication with PC, and the executing agency releases action command with a role of Bridges. At the same time, with the advantage based on PLC, the part of the program is written to the PLC to improve the efficiency of the PC data processing. Living with the touch screen for the man-machine dialogue interface, it is easy to field workers to check the electrolyze running status.

aluminum electrolysis, PLC, touch screen, blanking control

TP 273

A

鄂以帥(1983-)，男，工程師，碩士，主要從事機(jī)電系統(tǒng)控制等方面的研究。

2016-02-22