大型鋁電解廠自動(dòng)化與智能化的研究與發(fā)展

劉 靖，董 菲

（1 東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166；2 東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

工業(yè)智能化和自動(dòng)化成為第三次工業(yè)革命的信號(hào)。在新型工業(yè)化道路的戰(zhàn)略的帶動(dòng)下，大型鋁電解廠生產(chǎn)管理由人力、手動(dòng)為主的模式向自動(dòng)化和智能化模式的轉(zhuǎn)變已勢(shì)在必行。多功能機(jī)組自動(dòng)化控制、電解槽工藝操作智能監(jiān)測(cè)得到了廣泛的應(yīng)用，為電解鋁的生產(chǎn)控制的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1 多功能機(jī)組的自動(dòng)化研究與發(fā)展

電解多功能機(jī)組（PTM）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。作為電解生產(chǎn)的核心配套專用設(shè)備，其自動(dòng)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(dòng)加料、設(shè)備故障的自動(dòng)檢測(cè)；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(duì)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(duì)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(dòng)控制功能。利用PLC和變頻器對(duì)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)的需要[5]。王明海[6]將陽極自動(dòng)測(cè)高裝置集成于多功能機(jī)組，提高了換極效率并減少了勞動(dòng)強(qiáng)度和煙氣排放；祁生軍[7]將S7-300PLC連接到Profibus-DP總線中，與安裝有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(tái)工控機(jī)、兩臺(tái)PLC、九臺(tái)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(hào)可靠傳輸、電機(jī)回路簡(jiǎn)化控制、抗磁場(chǎng)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)落入槽膛的料塊和料渣全部抓出，避免了人工撈渣的安全隱患；潘玉倉[10]選用LCSP-ZG25型智能絕緣監(jiān)控電子控制裝置，對(duì)多功能機(jī)組各級(jí)絕緣結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)保護(hù)；王濤[11]通過安裝大小車軌道吹灰裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)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)組具備了自動(dòng)精準(zhǔn)對(duì)位、故障智能診斷、抗干擾性能強(qiáng)、設(shè)備免維護(hù)以及安全隱患低等特點(diǎn)，設(shè)備自動(dòng)化和智能化優(yōu)勢(shì)均得到充分體現(xiàn)。

2 多物理場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)與槽況診斷

鋁電解槽物理場(chǎng)主要包括電場(chǎng)、熱場(chǎng)、溫度場(chǎng)、磁場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)，各物理場(chǎng)的綜合狀況直接影響電解槽能耗等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因此，對(duì)鋁電解槽進(jìn)行多物理場(chǎng)的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)成為判定槽況和改進(jìn)指標(biāo)的重要手段。

針對(duì)多物理場(chǎng)的間斷手動(dòng)測(cè)試存在時(shí)間不同步、結(jié)果誤差大、勞動(dòng)強(qiáng)度大及無法連續(xù)監(jiān)測(cè)等難題，研究者們?cè)谠诰€監(jiān)測(cè)及智能檢測(cè)方面做了很多工作。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(cè)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)的分析釆集，為電流分布及槽況判斷提供了基礎(chǔ)參數(shù)；孟玲利用銻一餌一鍺、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(duì)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(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了高溫強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的槽殼溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；張家奇利用delphi7.0為前臺(tái)開發(fā)系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了極距、界面變形、電流分布的在線監(jiān)測(cè)并提出了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的極距均一化操作管理思路；王紫千依托C8051單片機(jī)采集陽極導(dǎo)桿等距壓降，由上位機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并顯示鋁液液面波動(dòng)曲線，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鋁液液面波動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；林燕采用Fortran與VisualBasic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(shì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)槽膛內(nèi)形狀的在線監(jiān)測(cè)。在故障診斷領(lǐng)域，梁漢利用LH-70型陽極電流測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)了對(duì)槽噪聲性質(zhì)、強(qiáng)度的判定，指導(dǎo)槽噪聲抑制方法的選擇；李春艷運(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(cè)和集陽極振動(dòng)信號(hào)的采集、分析、管理為一體的輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)陽極效應(yīng)的檢測(cè)和預(yù)報(bào)。

自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有連續(xù)性強(qiáng)、測(cè)試誤差小、實(shí)施難度小的特點(diǎn)，可自動(dòng)存儲(chǔ)，以直觀的界面為槽況診斷、槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及耦合仿真提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

綜上所述，電解多功能機(jī)組、電解槽多物理場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)與槽況診斷等的自動(dòng)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(cè)、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(dòng)化和智能化已進(jìn)入高成長(zhǎng)期，尤其針對(duì)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(dòng)成本，給鋁工業(yè)開發(fā)帶來新的希望。③進(jìn)一步縮小了我國的鋁電解行業(yè)與世界先進(jìn)水平的差距。