基于數(shù)字化電解鋁整流系統(tǒng)的工程應(yīng)用

黃勇普，賴富強(qiáng)，張興旺

（1.廣西百色銀海鋁業(yè)有限公司，廣西 百色533000；2.廣州擎天實業(yè)有限公司，廣東 廣州510300）

1 引言

近幾年來，隨著自動控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及通信技術(shù)的快速發(fā)展，電解鋁電氣控制保護(hù)技術(shù)也日趨成熟，并不斷地被推廣應(yīng)用，特別是隨著國內(nèi)鋁電解生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，在供電系統(tǒng)中應(yīng)用綜合自動化技術(shù)已是必然趨勢。

廣西某公司鋁電解生產(chǎn)線上配套使用的電解裝置為廣州某公司自主研制的基于工業(yè)計算機(jī)的全數(shù)字化系統(tǒng)－ELE9000 型二極管整流器。該系統(tǒng)自動化程度高，自2007年投運(yùn)以來運(yùn)行穩(wěn)定，并具有節(jié)約電能的特點。

整流機(jī)組是電解鋁系統(tǒng)供電的核心設(shè)備，一旦發(fā)生嚴(yán)重故障不僅直接影響電解鋁系統(tǒng)的正常生產(chǎn)，產(chǎn)生的直接和間接損失更是無法估計的。電解鋁的生產(chǎn)需耗用大量電能，節(jié)能降耗對于企業(yè)而言具有非常重要的意義。直流電流的平穩(wěn)度是影響鋁電解產(chǎn)量的重要因素之一，因此控制系統(tǒng)的反應(yīng)迅速、控制精度高、對陽極效應(yīng)的抑制深，也是極為關(guān)鍵的。智能化、網(wǎng)絡(luò)化的整流設(shè)備可以方便工廠的日常維護(hù)，保證長期可靠運(yùn)行。

2 整流系統(tǒng)的設(shè)計方案

該系統(tǒng)包括4 套整流機(jī)組和1 套集中控制臺。每套整流機(jī)組含整流器（ZES－43kA／860V）2臺、就地控制柜（ELE9000 型）1 套（2 柜）。4 套整流機(jī)組共用1 臺總控柜，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

每臺整流器采用6 脈波全橋非完全同相逆并聯(lián)連接方式，交流側(cè)橋臂采用專利技術(shù)－一體化澆鑄型導(dǎo)電排。每橋臂6 只元件并聯(lián)，柜內(nèi)共有72只5000A／4600V防爆型整流二極管，72 只5000A／800V 單體快速熔斷器。交流為后中下部進(jìn)線，直流為頂部出線。

就地控制柜采用ELE9000 型控制系統(tǒng)，它以工業(yè)控制計算機(jī)為核心，可靠性好、功能豐富、自動化程度高。就地控制柜對本機(jī)組進(jìn)行穩(wěn)流調(diào)節(jié)，控制有載開關(guān)作電流粗調(diào)，控制飽和電抗器作電流細(xì)調(diào)，可抑制70V 以上的效應(yīng)電壓。

總控柜采用PLC 和智能觸摸屏，主要完成在多機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行情況下的系統(tǒng)總調(diào)穩(wěn)流和每個機(jī)組負(fù)荷的均勻分配，保持單機(jī)組投切時的總電流恒定，同時也可以實時觀察、記錄整流系統(tǒng)的各種狀態(tài)參數(shù)。

該系統(tǒng)有以下幾個顯著特點：

（1）它是一套完整的系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線，將整流系統(tǒng)各個部分有機(jī)的集成在一起；

（2）穩(wěn)流控制柜內(nèi)不采用PLC，而采用工控機(jī)作為穩(wěn)流控制的核心，在保證可靠性的同時，大大提高了系統(tǒng)的智能化程度；

（3）交流側(cè)橋臂采用一體化澆鑄型同相逆變并聯(lián)橋臂，使橋臂的電磁振動和電氣絕緣問題得到了兼顧解決；

（4）直流側(cè)母線在整流器前后布置，有效地解決了母線間短路隱患；

（5）系統(tǒng)數(shù)字化、智能化

該系統(tǒng)的數(shù)字化不僅體現(xiàn)在調(diào)節(jié)器上，還體現(xiàn)在整流柜、整流變壓器和其它輔助設(shè)備上。整流系統(tǒng)的各個部分均能實現(xiàn)智能檢測、智能顯示、智能控制、信息智能傳輸和智能測試；

（6）CAN 總線的應(yīng)用

圖1 電解鋁整流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

CAN 總線屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，其最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而是對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，通信實時性好、速度快，硬件簡單，特別適合于工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián)。該系統(tǒng)采用CAN 總線對整流系統(tǒng)的各個部分進(jìn)行控制和信息交換，使整套整流裝置成為一個完整體，既減少了大量的隔離器件、端子、柜間接線等，同時也節(jié)省了安裝、維護(hù)等費(fèi)用，提高了工藝水平，實現(xiàn)了徹底的分散控制。

3 全數(shù)字化整流系統(tǒng)的技術(shù)特點及功能

3.1 雙通道冗余設(shè)計

ELE9000 控制柜由兩個工控機(jī)控制通道組成，兩控制通道之間互為熱備用、自跟蹤，出現(xiàn)故障時實現(xiàn)無擾動切換，可確保任何工況下控制系統(tǒng)的可靠性，防止“掉電”。

3.2 產(chǎn)品調(diào)試軟件化

隨機(jī)附送調(diào)試軟件，操作人員通過電腦操作對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試并存儲調(diào)試結(jié)果?？刂乒裥枰鼡Q板卡時，可直接將存儲的數(shù)據(jù)拷貝，而不需要重新調(diào)試，使用簡便。

3.3 故障錄波功能

設(shè)備發(fā)生故障時，工控機(jī)自動保存故障前、后10s 的整流設(shè)備數(shù)據(jù)，便于進(jìn)行故障分析。

3.4 遠(yuǎn)程診斷

設(shè)備發(fā)生故障時，經(jīng)用戶許可，整流系統(tǒng)生成方（廣州某公司）可通過互聯(lián)網(wǎng)直接連接整流設(shè)備，讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障分析，并指導(dǎo)現(xiàn)場操作人員對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，方便快捷。

3.5 節(jié)約電能

ELE9000 系統(tǒng)控制器采用了先進(jìn)的DSP 器件，可以實時采樣機(jī)組高壓側(cè)的電壓波形和電流波形，直接計算出本機(jī)的有功功率、無功功率和功率因數(shù)，聯(lián)鎖有載開關(guān)，便于實現(xiàn)節(jié)電經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3.6 產(chǎn)品技術(shù)升級

目前，電解整流器的控制方式仍采用恒流控制方式，電流值的整定仍依賴于人為設(shè)定，能耗浪費(fèi)較為嚴(yán)重。隨著自動化水平的提高，各種新工藝和控制技術(shù)不斷出現(xiàn)，屆時只需更新工控機(jī)控制器軟件即可實現(xiàn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代，滿足自動化生產(chǎn)的需要。

3.7 狀態(tài)檢修

ELE9000 整流系統(tǒng)在觸摸屏上實時顯示與整流系統(tǒng)相關(guān)的各種參數(shù)，包括各元件的狀態(tài)參數(shù)。通過參數(shù)比較，可及時預(yù)判可能發(fā)生的故障，提前對系統(tǒng)進(jìn)行檢修，避免故障造成的損失。

3.8 現(xiàn)場總線（CAN 總線）技術(shù)

整流系統(tǒng)的各個部分通過現(xiàn)場總線進(jìn)行控制和信息交換，使整流系統(tǒng)成為一個有機(jī)的、完整的整體，系統(tǒng)簡潔，可靠性高。相關(guān)人員通過局域網(wǎng)可隨時了解整流系統(tǒng)的工作狀況。通訊線采用光纜材料，安全、抗干擾。

3.9 調(diào)節(jié)器故障自診斷

通常的雙通道系統(tǒng)需要專門的控制通道切換器件，若該器件損壞則主通道故障時無法切換至備用通道，導(dǎo)致意外停機(jī)；而ELE9000 調(diào)節(jié)器雙通道間具有互相巡檢功能，故障時可自動退出故障通道并無擾動切換至備用通道。

3.10 控制系統(tǒng)無風(fēng)扇設(shè)計

一般的穩(wěn)流控制柜都必須加裝散熱風(fēng)扇，以降低柜內(nèi)的溫升。因此，外界的塵埃、水汽和腐蝕性氣體都會隨著空氣的流動進(jìn)入柜內(nèi)，并且沉積下來，造成故障隱患。ELE9000 控制柜采用了先進(jìn)的器件和工藝，控制柜內(nèi)發(fā)熱量極小，不需要散熱風(fēng)扇，可以徹底杜絕這一問題。

3.11 先進(jìn)的人機(jī)界面

就地控制柜和遠(yuǎn)控臺均裝有彩色觸摸屏，具有顯示、操作、報警、故障追憶等功能。整流系統(tǒng)各部分參數(shù)在觸摸屏上完成。信息集中，操作簡便。

3.12 在線檢修

線路板安裝采用標(biāo)準(zhǔn)歐洲板卡結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)故障時可直接拔插更換，不需停電。更換板卡后，可通過調(diào)試軟件直接將存儲數(shù)據(jù)下載至板卡中，而后直接開機(jī)，無需重新調(diào)試。

3.13 故障保護(hù)動作和信號傳輸?shù)慕M態(tài)技術(shù)

用戶可以通過軟件自行修改各種故障保護(hù)的后續(xù)動作和接點定義。這種修改在圖形化界面上完成，直觀且不易出錯，便于日常維護(hù)。

3.14 光纖通訊技術(shù)

整流系統(tǒng)內(nèi)部的通訊采用光纖為介質(zhì)。光纖具有天然的絕緣特性，它可以徹底實現(xiàn)整流柜和控制系統(tǒng)之間的電氣隔離。光纖傳輸?shù)氖枪庑盘?，在?fù)雜電磁環(huán)境下不易受到干擾。另外，光纖還具有速度快、損耗小、距離長等優(yōu)點，非常適合總線系統(tǒng)大量的實時數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

雖然電解鋁廠的整流器電流、電壓大幅提高，各電解鋁廠供電的整流設(shè)備也基本滿足要求，有些甚至還達(dá)到了國際水平，但是整流設(shè)備負(fù)荷率高，要求無故障、少維護(hù)、技術(shù)自動化，安全可靠性永遠(yuǎn)是首要問題。ELE9000 型二極管整流器控制器的核心PID 調(diào)節(jié)部分采用工業(yè)計算機(jī)控制，速度快、精度高、可靠性好，功能豐富。系統(tǒng)實現(xiàn)了冗余設(shè)計的先進(jìn)理念，在調(diào)節(jié)器、控制電流整流橋、調(diào)節(jié)器供電電源、反饋信號和通訊系統(tǒng)都實現(xiàn)了冗余設(shè)計，從根本上保證了可靠性。

［1］黃 強(qiáng)，周東泳，李拓等.基于以太網(wǎng)的控制器網(wǎng)絡(luò)的嵌入式網(wǎng)關(guān)開發(fā)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2007，1：33－35.

［2］王兆安.電力電子設(shè)備設(shè)計和應(yīng)用手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［3］何則濟(jì).240kA 電解鋁系統(tǒng)的電氣控制與保護(hù)［J］.電氣時代，2006，10：64－67.