電解鋁廠自動化現狀和優化措施

周 鑫

（沈陽鋁鎂設計研究院，遼寧 沈陽 110001）

近年來，隨著國內經濟下行壓力增大，我國的鋁行業產能過剩日益嚴重，已到了“爬坡過坎，轉型升級”的關鍵時期。大力促進鋁行業結構調整和升級轉型，已經成為企業運營的重中之重。將人工智能，大數據、物聯網和電氣控制的智能化引入鋁廠將達到優化崗位設置，精減崗位人員，車間生產協調效率更高，管理更一致的效果[1]。

1 電解鋁廠自動化現狀和不足

（1）電解鋁廠自動化現狀。20世紀50年代，我國就開始引進有色冶金工業自動化技術，目前我國鋁廠自動化設備的覆蓋率較高。一般而言，全廠自動化系統包括電解槽控系統、車間PLC控制系統和視頻監視系統，均通過以太網絡接入到全廠控制中心。電解槽控系統：在實時控制的基礎上，對電解過程的生產數據進行統計分析，通過數據采集功能收集來自化驗室、日常測量及電解槽實時數據，快速解析每臺槽數據，對于異常槽，可以找到引起電解槽異常的根本原因，并以直觀可追溯方式展現給操作者和管理者。車間PLC控制系統：在每個主要生產車間內設置一套PLC系統，實現所有設備自帶控制系統的聯網。設備信息及工藝參數通過以太網連接至主控樓控制中心，并實現控制中心遠程監控功能。視頻監控系統：包括生產視頻監控及安保視頻監控系統。系統采用全數字網絡視頻監控系統實現對生產現場、運行設備、保安的狀況進行圖像記錄和實時監視。及時發現隱患，進行歷史圖像追憶和查詢，為安全事故分析提供可靠信息資料。

（2）電解鋁廠自動化不足。配電所未配備智能化電氣設備，沒有搭建智能化配電系統，電氣巡檢人員多，用電故障排查不及時，電網高低峰電價、負荷及電解槽的信息協同優化沒有開展。重要工藝設備儀表測點缺乏冗余，當儀表損壞或受干擾時無法提供準確數據[2]。某些鋁廠的槽控箱為90年代產品，在高磁場、高電流的作用下，扛干擾能力差。此外，鋁電解情況復雜，受出鋁、效應等因素影響，現場需要技術經驗豐富的工人進行手動調控，才能確保電解槽穩定運行。鋁廠集團總部與下屬分廠以及分廠各生產車間之間未實現統一信息平臺，不能有效發揮各廠及部門的生產優勢。

2 鋁廠優化措施

2.1 升級鋁廠配電系統

首先設備升級，高壓開關柜接地刀采用電動設計，以便實現遠程操作。在開關柜內安裝攝像頭，當電動操作時，對柜內電動底盤車及接地刀進行實時視頻監測。廠用變壓器、低壓柜的進線和各重要負荷出線配置具有通訊功能的多功能儀表，通過通訊管理機將各特性參數上傳至后臺服務器，實現設備監測。其次建立智能供配電管理系統，該系統是基于物聯網的數字化配電解決方案，結合云計算和大數據分析與服務，將配電系統中的智能設備互聯互通，實現高效維護，保障配電運行更加可靠，全方位改善配電系統。通過高速采集和處理所有智能配電設備（斷路器、變壓器、絕緣監測、電容補償裝置）的數據，能夠實現電能質量管理、電氣資產管理和運行維護管理。對過載、過溫、設備老化及電能質量起到預警作用，縮短停電時間，減少停電次數并延長設備壽命。通過互聯網接口與供電公司信息對接，優化排產，以實現最低電價。

2.2 提升鋁廠工藝設備的傳感器配置

①對于核心工藝設備配置冗余智能型傳感器，傳感器能夠自動篩選有效的數據并初步加工，降低控制中心自動化系統的負荷壓力。②采用冗余配置，故障狀態下能夠選擇自動切換至備用部件，避免設備故障引起工藝流程的中斷，從而保障生產安全可靠性。

2.3 選用智能模糊控制槽控機

電解槽控機之間通過CAN總線連接，槽控機硬件以16位工業級CPU為控制核心，箱內集成知名廠家元器件，硬件系統具有靈活的模塊插拔功能。軟件系統具有專家模糊控制和槽況專家診斷等功能。專家模糊控制由推理機和模糊控制共同完成，推理機主要實現槽況分析、系統工作點和控制器性能的自調整等功能，而模糊控制則是完成下料速率調節和級距調節。

槽況專家診斷采用神經網絡技術構成知識庫系統，監視和控制槽況的變化趨勢，自動從數據庫調入所需數據進行預處理，之后進行診斷并形成控制決策。

智能模糊控制槽控機將現有的以單槽為單位的實時在線優化方法升級為以整系列為單位的全局優化措施，并以標準化為手段，通過降低外圍因素的擾動，實現單臺指標在不同時間、不同電解槽上的可復制性，實現對電解全方位管理，達到更好的經濟技術指標。

2.4 建立完善的鋁廠智能化平臺

智能化鋁廠需搭建一套完善的工業化和信息化綜合網絡平臺，一級平臺為集團的ERP系統，通過云服務實現對各分廠的數據交換和共享。二級平臺包括信息展示、智能槽控系統、能源管理、專家決策、數據模型、生產管控、巡檢管理、智能工廠數據庫等；三級平臺包括電力系統管理、安防管理、智能網關、工控管理、辦公網絡、傳感器、工藝智能化設備等，此平臺的建設能夠實現生產智能化和管理智能化。

（1）生產智能化。主要體現在以下方面：①智能檢測：基于物聯網技術實現多廠站聯結，在運營單元建設的二級平臺實現對所有廠站集中式監控，統一調度控制和移動化管理。通過匯聚相應監測點視頻監控錄像、生產數據、管理數據等，啟動專家系統進行故障診斷與風險預測，形成監控、報警、診斷的一體化聯動機制。②智能槽控：通過遠程智能終端可以實現專家遠程控制電解槽，同時通過歷史數據進行大數據分析，實現電解槽的數字化。③智能巡檢：優化管理模式，通過手機或PDA等智能移動終端，輔以設備故障報警快速定位等方式進行智能巡檢。如遠程操控機器人完成電解槽自動換極與出鋁、在整流所高危區域采用搭載監控攝像機等設備的巡檢機器人獲取母線溫度、設備檢修等作業。④智能調度：通過建立鋁廠與電網、物流系統模型，利用數學算法實現智能調度和倉儲，在考慮生產安全可靠的前提下，綜合利用高低峰電價和各車間氣熱供應信息，降低生產成本。⑤智能安防：廠區視頻監控攝像頭實現了全廠無死角全覆蓋，輔以門禁控制和巡更，在廠區外墻布設主動紅外預警系統，通過人防和技防的結合，實現廠區安全。

（2）管理智能化。包括設備管理和人員管理。其中設備管理可借助三維模型，結合自動化系統實時數據，輔助以AI視覺感知等技術，實現設備設施的在線管理功能，對設備壽命、設備成本等進行統計分析，制定各設備設施的保養、維修、改造、更換計劃。人員管理則借助智能視覺分析等先進手段，提高工廠人、物、事件管理的無人化或少人化、智能化水平；提升生產運行管理、巡檢管理、設備管理、安全管理、危化場所管理效率，減少人力成本。

3 結語

實現電解鋁廠的管、控、決策、物流等全面智能化任重道遠，鋁廠智能化建設離不開大數據、物聯網、人工智能等技術。雖然這些技術在某些領域取得了卓越的成果，但在制造業的成功案例卻不多見，而且由于投入成本過高，培訓周期長等因素，阻礙了大規模推廣。