基于WinCC 電解鋁控制系統(tǒng)的設(shè)計

張愛菊

（濰坊職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊261000）

我國電解鋁行業(yè)的趨勢發(fā)展是大型化，每年產(chǎn)鋁量在不斷上升。然而，很多工廠仍在使用模擬控制系統(tǒng)，其存在著當(dāng)溫度進行變化時，系統(tǒng)參數(shù)也會跟隨著變化，工況不夠穩(wěn)定，系統(tǒng)當(dāng)中所需器件多，備件不易洽購，隨著時間的流逝，器件會破損和損耗，造成設(shè)備的故障率不斷增加的問題。

根據(jù)電解鋁系統(tǒng)的監(jiān)控要求，使用S7-300PLC 與上位機的通信，完成對電解鋁過程中電解質(zhì)溫度的動態(tài)監(jiān)控，提升電解鋁的控制管理水平和生產(chǎn)效率。

1 鋁電解工藝原理

鋁電解的工藝流程是從現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，采取的是冰晶石- 氧化鋁融鹽電解法[1]。溶劑是熔融的冰晶石，溶質(zhì)是氧化鋁，陽極是碳素體，陰極是鋁液，接上大的直流電后，從950℃～970℃的條件下，電化學(xué)反應(yīng)便在電解槽內(nèi)的陰陽兩極上進行。

在陰極反應(yīng)中，Na3AlF6-Al2O3熔體電流的主要傳遞者是Na離子，傳輸?shù)碾娏髂苓_(dá)到總數(shù)的99%，電流傳輸主要是放電離子的原因。鋁，是陰極上析出的一次陰極產(chǎn)物。

在陽極進行的反應(yīng)方程式中可以看出，Na3AlF6-Al2O3熔體的電解過程是很紛繁復(fù)雜的。氧離子在陰離子中，在陽極過程中，O2從炭陽極上放電析出，氧氣與炭陽極發(fā)生進一步的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生CO2。

陽極反應(yīng)：

化學(xué)反應(yīng)進行的主要的反應(yīng)方程式：

鋁液在陽極產(chǎn)出，并通過真空抬包的方式，把電解槽里真空抽出到外界，輸送到鑄造車間，經(jīng)過凈化和澄清之后，澆鑄成為鋁錠或者直接進行鑄造成線坯等鋁材[1]。

2 電解質(zhì)溫度的控制

2.1 電解溫度的影響

電解質(zhì)的溫度實質(zhì)上就是指電解槽的電解溫度，電解質(zhì)的溫度等于電解質(zhì)的初晶溫度加上過熱度，它表示的是溫度的范圍，通常選取950～970℃，差不多超出電解質(zhì)的初晶溫度15～20℃。經(jīng)過大量的實驗發(fā)現(xiàn)，鋁的第二次損失往往是因為電解溫度的升高而增加，溫度每增加10℃，電流效率大概降低1%。所以，在更低的電解質(zhì)溫度的條件下生產(chǎn)是最明智的選擇。

2.2 電解溫度的測量

熱電偶高溫計是電位差計與熱電偶構(gòu)成。工作原理：熱電偶插入電解質(zhì)當(dāng)中的熱電偶，是兩種不一樣的金屬或著合金構(gòu)成的偶絲因受熱而產(chǎn)生不同的熱電勢，從偶絲兩端生成電位差，這種電位差的大小和熱端金屬溫度有關(guān)，其值可以在電位差計上讀取出來，再轉(zhuǎn)換為電解溫度。

熱電偶經(jīng)過傳感器輸入到PLC 后，經(jīng)過PID 閉環(huán)運算環(huán)節(jié)，輸出控制脈沖到直流電機，通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比來實現(xiàn)直流電機的調(diào)速問題，實現(xiàn)對電解槽下料量的控制，進而對電解槽中電解質(zhì)溫度進行控制。

3 電解鋁溫度控制系統(tǒng)下位機的軟硬件設(shè)計

3.1 電解鋁下位機系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要由下位機PLC S7-300，上位機PC 計算機，數(shù)字量的輸入輸出模塊和模擬量的輸入輸出模塊組成。其工作原理是通過對電解槽中的電解質(zhì)溫度，電解槽電壓，電流模擬量進行采集經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器，變送器，光電隔離器輸入PLC，經(jīng)過積分分離PID 運算后，輸出控制電壓，再經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換器，輸出模擬量對直流電機進行控制來調(diào)節(jié)下料時間間隔來實現(xiàn)對電解質(zhì)溫度的控制，實現(xiàn)最大的出鋁量。

3.2 電解鋁硬件系統(tǒng)設(shè)計

（1）電解鋁設(shè)計的要求。a.系統(tǒng)有手動控制和自動控制兩種工作模式。b.在自動模式下，通過熱電偶對電解槽中的電解質(zhì)溫度，槽電壓，電流的測量，輸入到PLC 中進行PID 運算，改變電壓來實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速和暫停操作，控制閥門的開關(guān)時間，來調(diào)節(jié)下料量，與調(diào)節(jié)極距距離改變電壓相配合。c.在手動模式下，通過對采集的溫度，來手動控制閥門的開關(guān)時間，改變下料量。d.在PC 機的監(jiān)控界面，能監(jiān)控電解質(zhì)的溫度，槽電壓，電流，可以限制電解槽的溫度范圍。

（2）直流電機正反轉(zhuǎn)的電器原理圖設(shè)計。系統(tǒng)要求能夠根據(jù)實時溫度，經(jīng)PID 調(diào)節(jié)輸出電壓調(diào)節(jié)直流電機的轉(zhuǎn)速，控制閥門開關(guān)時間，改變下料量的大小。直流電機的正反轉(zhuǎn)，是通過改變電機兩端電壓方向來實現(xiàn)，因此，使用中間繼電器的兩個輔助常開開關(guān)來控制一個方向的電壓使其正轉(zhuǎn)，另一個中間繼電器的兩個輔助常開開關(guān)來控制另一個方向的電壓使其反轉(zhuǎn)。

由以上公式可知，占空比與電機轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，可以很方便的通過改變占空比來調(diào)節(jié)電機的平均轉(zhuǎn)速。本設(shè)計是根據(jù)溫度來決定，下料槽閥的開斷時間間隔。當(dāng)是100%的占空比，即t=T，直流電機的轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機停止時，t=0，占空比為0%，電機停止。

3.3 電解鋁溫度控制策略

在工業(yè)控制過程當(dāng)中，PID 控制具備結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強、調(diào)節(jié)方便、可靠等優(yōu)點，在工業(yè)控制當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用。工程PID 調(diào)節(jié)中，因為系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)范圍被限制，所以當(dāng)偏差ε比較大的時候，比如系統(tǒng)在開工，停工或者大幅度的提降的時候，往往會產(chǎn)生一個幅度很大的超調(diào)量，產(chǎn)生系統(tǒng)振蕩。

這種現(xiàn)象針對于變換緩慢的對象，類似于溫度，液面調(diào)節(jié)系統(tǒng)，影響會更加嚴(yán)重。為此，在計算機系統(tǒng)中，我們采用積分分離的方式，解決這一不利于系統(tǒng)穩(wěn)定的現(xiàn)象。在控制量開始跟蹤時，取消積分作用，直至被調(diào)量接近給定值時，開始令積分作用產(chǎn)生作用。

令給定值為R（k），經(jīng)過數(shù)字濾波后的測量值為M（k），最大允許的偏差值是ε，其積分分離的PID 控制計算式為：

當(dāng)E（k）＞ε 時，為PD 控制，當(dāng)E（k）＜ε 時，為PID 控制。

4 電解鋁溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

WinCC 監(jiān)控組態(tài)軟件具有監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集組態(tài)，腳本語言與OPC 的功能。其主要作用是將現(xiàn)場設(shè)備的采集的數(shù)據(jù)（電解質(zhì)的溫度，槽電壓，電流）通過計算機實時的顯示出來，并通過計算機設(shè)置相關(guān)的參數(shù)來具體控制現(xiàn)場的設(shè)備。

電解質(zhì)溫度的曲線中，設(shè)置最佳溫度，觀察PID 調(diào)解后的實時溫度變化情況，調(diào)整PID 參數(shù)，使溫度達(dá)到所要求的實時溫度，實現(xiàn)最佳的出鋁量和最高的電流效率，其溫度PID 調(diào)節(jié)趨勢曲線如圖1。經(jīng)過，反復(fù)的實驗后，得出一組較為合理參數(shù)，P=36，I=5.4，D=0，能夠使溫度更穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確地跟隨設(shè)定值的變化。

溫度PID 調(diào)節(jié)趨勢曲線

通過應(yīng)用WinCC 對電解鋁監(jiān)控系統(tǒng)的重新設(shè)計，改善了模擬控制系統(tǒng)中工作狀態(tài)不夠穩(wěn)定的問題，簡化了監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低了現(xiàn)場維護的難度，提高電解鋁監(jiān)控系統(tǒng)的自動化水平。