大型鋁電解廠自動化與智能化研究與發(fā)展綜述

劉 靖 董 菲 李劍虹

（1.東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），沈陽 110166；2.遼寧石油化工大學(xué)，撫順 113001）

經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的加快為我國工業(yè)發(fā)展提供了機(jī)遇，同時(shí)也提出了新的戰(zhàn)略要求，工業(yè)智能化和自動化成為第三次工業(yè)革命的信號。在新型工業(yè)化道路戰(zhàn)略的帶動下，“堅(jiān)持以信息化帶動工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化”的指導(dǎo)思想，大型鋁電解廠生產(chǎn)管理由人力、手動為主的模式向自動化和智能化模式的轉(zhuǎn)變已勢在必行。陽極機(jī)械化加工與組裝、多功能機(jī)組自動化控制、電解槽工藝操作智能監(jiān)測以及煙氣凈化實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)等得到了廣泛應(yīng)用。近年來，眾多研究者在多功能天車優(yōu)化控制、多物理場在線監(jiān)測與槽況診斷等機(jī)械自動化和診斷智能化領(lǐng)域做了大量研究與工作，為電解鋁生產(chǎn)控制的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1 多功能機(jī)組換極定位的自動化研究與發(fā)展

電解多功能天車（PTM）是電解生產(chǎn)的核心機(jī)械化專用操作設(shè)備，主要用于電解生產(chǎn)的打殼、換極、下料、出鋁、抬母線及槽大修等工作。由于電解多功能天車承擔(dān)著電解生產(chǎn)規(guī)模化作業(yè)任務(wù)，對其進(jìn)行自動化研究和改進(jìn)，可以提高生產(chǎn)效率，降低物料消耗，提高工業(yè)產(chǎn)值。

陳智園[1]將PLC運(yùn)用于多功能天車加料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了天車自動加料、設(shè)備故障的自動檢測；王峰[2]采用PLC結(jié)合變頻器控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大車、小車的精確對位，并根據(jù)料倉的實(shí)際情況放料閥門的開合；韓敏[3]通過利用LOGO控制器改造天車的對位加料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了加料裝置各機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)互鎖和自動控制功能。利用PLC和變頻器對電器系統(tǒng)進(jìn)行改造，解決了抓斗天車電器故障頻繁的問題[4]；利用羅克韋爾PLC網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)現(xiàn)天車故障報(bào)警及參數(shù)監(jiān)控的功能，大車、小車行走采用1336系列變頻器調(diào)速，滿足了天車快速運(yùn)送陽極和超低速在操作面作業(yè)（裝爐、清料和加料）的需要[5]。王明海[6]將陽極自動測高裝置集成于多功能機(jī)組，提高了換極效率并較低了勞動強(qiáng)度，減少了煙氣排放；祁生軍[7]將S7-300PLC連接到Profibus-DP總線中，與帶有CP5611或CP5511網(wǎng)卡的工程師站以及安裝有PI-SI通訊卡的變頻器和智能電機(jī)保護(hù)器形成MPI網(wǎng)絡(luò)或DP網(wǎng)絡(luò)，低位控制高位，基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)天車的所有功能，提高了換極效率。朱有輝[8]通過由一臺觸摸式工控機(jī)、兩臺PLC、九臺DP從站和一套遙控系統(tǒng)構(gòu)成的整車網(wǎng)絡(luò)總線控制方式，實(shí)現(xiàn)了信號可靠傳輸、電機(jī)回路簡化控制、抗磁場干擾等功能；龔惠玲[9]設(shè)計(jì)的新型多功能鋁電解槽陽極坑撈塊裝置可一次性將提殘極時(shí)落入槽中的料塊和料渣全部抓出，避免了人工撈渣造成的人身傷害和風(fēng)格板破損隱患；潘玉倉[10]選用LCSP-ZG25型智能絕緣監(jiān)控電子控制裝置，對多功能機(jī)組各處絕緣結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動保護(hù)功能；王濤[11]通過安裝大小車軌道吹灰裝置實(shí)現(xiàn)了對原系統(tǒng)中清理鏟的限位及絕緣護(hù)套的改造和優(yōu)化。

通過研究和改進(jìn)，多功能機(jī)組的綜合性能不斷提升，具備自動精準(zhǔn)對位、故障智能診斷、抗干擾性能強(qiáng)、適用性高、設(shè)備損壞率低以及勞動強(qiáng)度低和安全隱患低等特點(diǎn)，設(shè)備自動化和智能化在各方面均得到充分體現(xiàn)。

2 多物理場在線監(jiān)測與槽況診斷

鋁電解槽物理場主要包括電場、熱場、溫度場、磁場、流場、應(yīng)力場，各物理場的分布直接影響鋁電解槽電流效率、能量消耗和壽命等關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因此，鋁電解槽多物理場在線連續(xù)監(jiān)測成為判定槽況和改進(jìn)指標(biāo)的重要手段。

針對多物理場間斷手動測試存在時(shí)間不同步、結(jié)果誤差大、勞動強(qiáng)度大及無法連續(xù)監(jiān)測等問題，文斌[12]、王震[13]、鐵軍[14]、樊肇軍[15]等人分別研究了鋁電解槽陽極導(dǎo)桿電流在線監(jiān)測和分析系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了架構(gòu)中的模塊化系統(tǒng)硬件和運(yùn)行可靠的軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電流數(shù)據(jù)的釆集分析，為電流分布及電解槽槽況判斷提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；孟玲[16]利用銻一餌一鍺、銻一鍺稀土共摻增光敏技術(shù)開發(fā)了新型光纖光柵高溫傳感器，對布設(shè)于槽殼上的光纖光柵傳感器構(gòu)建了多點(diǎn)溫度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)磁場、高溫、多塵環(huán)境下的槽殼溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測；張家奇[17]利用delphi7.0為前臺開發(fā)系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了極距、鋁液波型、陽極電流分布的在線監(jiān)測，并提出了依托鋁電解槽極距與鋁液波動在線監(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)的極距均一化操作管理思路；王紫千[18]以C8051單片機(jī)為核心，采集陽極導(dǎo)桿等距壓降，由上位機(jī)存儲數(shù)據(jù)并顯示鋁液液面波動曲線，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鋁電解槽內(nèi)鋁液液面波動的實(shí)時(shí)監(jiān)測；林燕[19]采用Fortran與Visual Basic語言相結(jié)合的混合編程方式開發(fā)軟件系統(tǒng)，發(fā)揮數(shù)值計(jì)算與界面顯示優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了對鋁電解槽槽膛內(nèi)形狀的在線監(jiān)測。

與間斷手動測試相比，自動連續(xù)在線監(jiān)測系統(tǒng)以其測試過程實(shí)時(shí)連續(xù)、數(shù)據(jù)采集自動存儲、界面數(shù)據(jù)曲線直觀的特點(diǎn)為槽況診斷、槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及耦合仿真提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

在陽極故障及槽況診斷領(lǐng)域，梁漢[20]利用LH-70型陽極電流測量儀實(shí)現(xiàn)了對槽噪聲性質(zhì)、強(qiáng)度及發(fā)聲源的判定，進(jìn)而指導(dǎo)槽噪聲抑制方法的選用。李春艷[21]、楊軍[22]和劉飛岐[23]運(yùn)用頻域分析、時(shí)頻分析、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸饧吧窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，開發(fā)了Windows界面下陽極效應(yīng)定位檢測和集陽極振動信號的采集、分析、管理于語一體的輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對陽極效應(yīng)的檢測和預(yù)報(bào)；殷小寶[24]根據(jù)陽極電流信號的能量特征通過建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷模型實(shí)現(xiàn)對鋁電解槽槽況的診斷。

3 結(jié)語

綜上所述，電解多功能機(jī)組、電解槽多物理場在線監(jiān)測與槽況診斷等的自動化和智能化研究與發(fā)展給鋁電解行業(yè)帶來了新的革命。

（1）從生產(chǎn)、監(jiān)測、控制到診斷、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，都貫穿著信息技術(shù)融入工業(yè)的理念，為提高生產(chǎn)效率，節(jié)能減排和職業(yè)安全提供了保障。

（2）隨著我國人口紅利的消失，工業(yè)自動化和智能化已進(jìn)入高速發(fā)展期，尤其針對我國人口分布不均的問題，這種生產(chǎn)技術(shù)模式顯著降低勞動成本，給鋁工業(yè)西部開發(fā)帶來了新希望。

（3）在陽極加工與組裝、物料控制、故障排除、煙氣凈化等實(shí)現(xiàn)自動化之后，應(yīng)將研究與發(fā)展的重心轉(zhuǎn)向智能化。

（4）自動化和智能化的發(fā)展進(jìn)一步縮小了我國鋁電解行業(yè)與世界先進(jìn)水平的差距。