电解槽槽控机的自动控制与安全保护措施

摘 要：本文介绍和讨论了铝电解槽控机的自动控制和几种安全保护措施，其中包括中电投宁夏青铜峡铝业分公司120、150 kA电解系列槽控机的自动控制安全保护措施。

关键词：铝电解 槽控机 自动控制 安全保护 阳极升降

中图分类号：TF801.3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（b）-0005-01

铝电解槽智能模糊控制机（简称槽控机）通过智能模糊控制软件完成对生产工艺的各种控制功能，是铝电解生产的关键设备。槽控机自动控制中的安全保护措施主要是通过对电解槽阳极的升降和打壳下料实现的，一旦控制系统失控，就会出现电解槽“压槽”或“拔槽”事故，特别是“拔槽”会造成系列几百千安培（目前最大400 kA）电流的阴极与阳极脱开，形成断路。致使单台或多台电解槽剧烈爆炸，严重的将会造成整个电解系列停产，经济损失将会十分惨重，还可能引起人身伤亡。因此，槽控机自动控制采用了安全可靠的阳极升降定时保护、槽电压越限保护、接触器升降互锁等一系列保护措施，主要实现方式有硬件方式、软件方式以及硬件+软件方式。

1 槽控机的自动控制

槽控机控制电解槽的基本依据是输入通道采集电解槽的槽电压和槽电流，并根据设定的系列、常用、单槽等一系列参数进行解析运算并接收各种工艺操作的手动和检测信号；最后，输出通道通过判断解析电解槽能量平衡的阳极升降信号，来发出电解槽物料平衡信号。在自动状态下完成阳极升或降、打壳、下料、效应处理、辅助加工、出铝、换极的过程控制及故障自诊断等功能，也可由人工在手动状态下操作完成相应控制功能。槽控机通过CANBUS总线完成与工作站上位机的通讯，实现现场实时数据的传送、接收及存储，现场监控机与上位机通过有线网络实现实时数据、历史数据传送及读取。

2 槽控机的安全保护措施

槽控机作为电解槽的直接控制级，实时对电解槽的槽电压和系列电流采样解析，并对其物料平衡和热平衡的变化过程实时地进行智能模糊控制。目前，我公司使用的控制软件有三种：热平衡控制（阳极极距）；双平衡控制（能量平衡、物料平衡）；三度寻优控制（过热度、电解质温度、初晶温度）。其中，电解槽的热平衡控制原理是通过槽控机控制电解槽上部的阳极母线升降机构来实现改变电解槽阳极与阴极间的极距并解析电解过程所需能量收入，当极距增大时，电解槽压降升高，相应的电解槽能量收入增加；极距减少时，压降降低，相应的热能量收入减少。目前，我公司槽控机采用的安全保护措施主要有以下几种。

2.1 软件控制保护

软件保护主要采用软件定时保护，由程序设定自动升降阳极时的最大时间，一般为3～6 s，如果升降操作超时，程序自动中断操作信号，使阳极升降立即终止；其次是槽电压过、欠压保护，如果电解槽电压超出程序设定的最高电压值（宽死区）或最低电压值（窄死区）时，程序自动停止升降阳极操作或不执行升降阳极操作。同时在电解槽程序中还设定有每次自动升降阳极的动作时间，阳极升、降分为0.5 s、0.8 s和1 s三个调整档次，该参数可根据生产过程中根据工艺要求及阳极升降机构的运转速度来调整。此外，在软件中还有自诊断程序用来检测槽控机故障信息和电解槽实时状态，自动解析、发出阳极动作命令，同时发出语音报警、槽控机屏幕显示区显示故障代码（根据故障类型定义的故障符号）提示维修人员排除故障，防止意外事故的发生。

2.2 硬件保护

2.2.1 硬件定时器安全保护

硬件定时器由14位二进制数字计数器和其他外围元件组成，由人工设定时间。阳极升降时，检测电路检测接触器动作信号，由信号控制计数器的复位端，使计数器处于计数状态，如果该信号在计数器溢出之前消失，说明阳极升降过程停止，计数器处于复位状态停止计数，等待下一次操作；如果该信号一直保持到计数器溢出，说明升降过程已超出了设定时间，说明阳极升降定时器超时，信号传入CPU，CPU发出停止阳极升降的指令，终止正在执行的阳极升降操作，同时给出定时器超时的故障代码，并锁定超时状态，保护故障现场。

2.2.2 阳极母线上下限安全保护

上下限安全保护主要是保证电解槽阳极母线在有效行程0～400 mm的范围内移动，防止母线动作时超过设定的安全位置，使电解槽上部机构发生机械损坏，造成事故。行程是由安装在电解槽上部的两个行程探测仪向CPU发出上限位和下限位的信号，在母线到达上限位时，只执行降阳极操作，而不执行升阳极操作；反之，当母线到达下限位时，只执行升阳极操作，而不执行降阳极操作，确保了母线升降机构的安全。

2.2.3 主接触器防粘连及互锁设计

主接触器防粘连电路中共设计了四个接触器。其中3KM、4KM两个接触器控制阳极升降电机的正反转，它们的常闭触点串连后，与主接触器1KM的常开触点并连，接入1KM、2KM的线圈回路，它们的常闭触点，与其线圈交叉串连。其作用是，如果正反转接触器中只要有一个发生粘连，则1KM、2KM都不能闭合，即主电源断开，电机不得电后立即停止运转，可以降低事故概率。此外，电路中3KM、4KM的线圈与对方的常闭触点串联，只要升接触器和降接触器吸合；另一个接触器的线圈由于对方的常闭触点断开而不得电，因而实现了接触器互锁功能。

2.2.4 手动阳极升降安全保护

手动操作是槽控机完全脱离自动控制状态的操作模式。通常是在供电系统出现系列限电、停电等异常情况下转到手动状态的操作模式。在手动状态下，槽控机会失去上位机监控及系统软硬件的保护，使阳极升降失控的风险性大大增加。

2.2.5 槽控机抗干扰措施

用AC380V/AC220V隔离变压器为槽控机主回路的控制电源进行一级隔离，隔离后的交流AC380V进行二级隔离，变压为AC220V后分为两路，一路供槽控机系统低压电器控制回路部分使用；另一路通过变压器变压为DC12V、5V为槽控机逻辑电路部分集成电路板提供电工作电源；另外，在执行机构设计中采用RC吸收回路，过程通道中采用光电耦合隔离，通讯双绞线、信号的长线电流传输则采用屏蔽、阻抗匹配等措施；为消除对集成电路电路板的杂波干扰，电路板中采用了去藕电容配置。

2.3 打壳下料安全保护

正常情况下电解槽槽电压总是围绕着电解槽设定电压上下波动，定时的打壳下料维持着电压稳定运行，当打壳下料出现异常过多或过少时都将影响槽电阻的变化，槽电阻的变化超出正常值时，计算机监控软件通过条件判断是否是打壳下料设备出现问题，产生报警信号，通知维修人员处理。

3 结语

本文讨论、介绍了槽控机的自动控制和槽控机的几种安全保护措施。对于工业现场的工程技术人员来说，目前，如何在自动化控制迅速发展、生产任务繁重的情况下，深入掌握、不断改进槽控机的自动控制和安全保护，对正确地操作和维护槽控机具有现实意义。

参考文献

[1]内部资料150 kA铝电解操控机智能控制系统用户手册.

[2]内部资料120 kA铝电解生产工艺手册.