大型鋁電解廠自動化與智能化研究與發展綜述

劉 靖 董 菲 李劍虹

（1.東北大學設計研究院（有限公司），沈陽 110166；2.遼寧石油化工大學，撫順 113001）

經濟全球化進程的加快為我國工業發展提供了機遇，同時也提出了新的戰略要求，工業智能化和自動化成為第三次工業革命的信號。在新型工業化道路戰略的帶動下，“堅持以信息化帶動工業化，以工業化促進信息化”的指導思想，大型鋁電解廠生產管理由人力、手動為主的模式向自動化和智能化模式的轉變已勢在必行。陽極機械化加工與組裝、多功能機組自動化控制、電解槽工藝操作智能監測以及煙氣凈化實時監測系統等得到了廣泛應用。近年來，眾多研究者在多功能天車優化控制、多物理場在線監測與槽況診斷等機械自動化和診斷智能化領域做了大量研究與工作，為電解鋁生產控制的進一步發展奠定了基礎。

1 多功能機組換極定位的自動化研究與發展

電解多功能天車（PTM）是電解生產的核心機械化專用操作設備，主要用于電解生產的打殼、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著電解生產規模化作業任務，對其進行自動化研究和改進，可以提高生產效率，降低物料消耗，提高工業產值。

陳智園[1]將PLC運用于多功能天車加料系統實現了天車自動加料、設備故障的自動檢測；王峰[2]采用PLC結合變頻器控制技術實現了大車、小車的精確對位，并根據料倉的實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，實現了加料裝置各機構協調互鎖和自動控制功能。利用PLC和變頻器對電器系統進行改造，解決了抓斗天車電器故障頻繁的問題[4]；利用羅克韋爾PLC網絡控制實現天車故障報警及參數監控的功能，大車、小車行走采用1336系列變頻器調速，滿足了天車快速運送陽極和超低速在操作面作業（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組，提高了換極效率并較低了勞動強度，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保護器形成MPI網絡或DP網絡，低位控制高位，基于網絡實現天車的所有功能，提高了換極效率。朱有輝[8]通過由一臺觸摸式工控機、兩臺PLC、九臺DP從站和一套遙控系統構成的整車網絡總線控制方式，實現了信號可靠傳輸、電機回路簡化控制、抗磁場干擾等功能；龔惠玲[9]設計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格板破損隱患；潘玉倉[10]選用LCSP-ZG25型智能絕緣監控電子控制裝置，對多功能機組各處絕緣結構實現實時監測、自動保護功能；王濤[11]通過安裝大小車軌道吹灰裝置實現了對原系統中清理鏟的限位及絕緣護套的改造和優化。

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

2 多物理場在線監測與槽況診斷

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鍵技術經濟指標。因此，鋁電解槽多物理場在線連續監測成為判定槽況和改進指標的重要手段。

針對多物理場間斷手動測試存在時間不同步、結果誤差大、勞動強度大及無法連續監測等問題，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桿電流在線監測和分析系統，設計了架構中的模塊化系統硬件和運行可靠的軟件系統，實現了電流數據的釆集分析，為電流分布及電解槽槽況判斷提供了基礎數據；孟玲[16]利用銻一餌一鍺、銻一鍺稀土共摻增光敏技術開發了新型光纖光柵高溫傳感器，對布設于槽殼上的光纖光柵傳感器構建了多點溫度監測網絡，實現了強磁場、高溫、多塵環境下的槽殼溫度的實時在線監測；張家奇[17]利用delphi7.0為前臺開發系統軟件，實現了極距、鋁液波型、陽極電流分布的在線監測，并提出了依托鋁電解槽極距與鋁液波動在線監測系統為基礎的極距均一化操作管理思路；王紫千[18]以C8051單片機為核心，采集陽極導桿等距壓降，由上位機存儲數據并顯示鋁液液面波動曲線，進而實現鋁電解槽內鋁液液面波動的實時監測；林燕[19]采用Fortran與Visual Basic語言相結合的混合編程方式開發軟件系統，發揮數值計算與界面顯示優勢，實現了對鋁電解槽槽膛內形狀的在線監測。

與間斷手動測試相比，自動連續在線監測系統以其測試過程實時連續、數據采集自動存儲、界面數據曲線直觀的特點為槽況診斷、槽結構設計及耦合仿真提供了基礎數據。

在陽極故障及槽況診斷領域，梁漢[20]利用LH-70型陽極電流測量儀實現了對槽噪聲性質、強度及發聲源的判定，進而指導槽噪聲抑制方法的選用。李春艷[21]、楊軍[22]和劉飛岐[23]運用頻域分析、時頻分析、經驗模式分解及神經網絡等方法，開發了Windows界面下陽極效應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，實現了對陽極效應的檢測和預報；殷小寶[24]根據陽極電流信號的能量特征通過建立神經網絡診斷模型實現對鋁電解槽槽況的診斷。

3 結語

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

（1）從生產、監測、控制到診斷、優化、調度、管理和決策，都貫穿著信息技術融入工業的理念，為提高生產效率，節能減排和職業安全提供了保障。

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

（3）在陽極加工與組裝、物料控制、故障排除、煙氣凈化等實現自動化之后，應將研究與發展的重心轉向智能化。

（4）自動化和智能化的發展進一步縮小了我國鋁電解行業與世界先進水平的差距。