大型铝电解厂自动化与智能化研究与发展综述

刘 靖 董 菲 李剑虹

（1.东北大学设计研究院（有限公司），沈阳 110166；2.辽宁石油化工大学，抚顺 113001）

经济全球化进程的加快为我国工业发展提供了机遇，同时也提出了新的战略要求，工业智能化和自动化成为第三次工业革命的信号。在新型工业化道路战略的带动下，“坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”的指导思想，大型铝电解厂生产管理由人力、手动为主的模式向自动化和智能化模式的转变已势在必行。阳极机械化加工与组装、多功能机组自动化控制、电解槽工艺操作智能监测以及烟气净化实时监测系统等得到了广泛应用。近年来，众多研究者在多功能天车优化控制、多物理场在线监测与槽况诊断等机械自动化和诊断智能化领域做了大量研究与工作，为电解铝生产控制的进一步发展奠定了基础。

1 多功能机组换极定位的自动化研究与发展

电解多功能天车（PTM）是电解生产的核心机械化专用操作设备，主要用于电解生产的打壳、换极、下料、出铝、抬母线及槽大修等工作。由于电解多功能天车承担着电解生产规模化作业任务，对其进行自动化研究和改进，可以提高生产效率，降低物料消耗，提高工业产值。

陈智园[1]将PLC运用于多功能天车加料系统实现了天车自动加料、设备故障的自动检测；王峰[2]采用PLC结合变频器控制技术实现了大车、小车的精确对位，并根据料仓的实际情况放料阀门的开合；韩敏[3]通过利用LOGO控制器改造天车的对位加料系统，实现了加料装置各机构协调互锁和自动控制功能。利用PLC和变频器对电器系统进行改造，解决了抓斗天车电器故障频繁的问题[4]；利用罗克韦尔PLC网络控制实现天车故障报警及参数监控的功能，大车、小车行走采用1336系列变频器调速，满足了天车快速运送阳极和超低速在操作面作业（装炉、清料和加料）的需要[5]。王明海[6]将阳极自动测高装置集成于多功能机组，提高了换极效率并较低了劳动强度，减少了烟气排放；祁生军[7]将S7-300PLC连接到Profibus-DP总线中，与带有CP5611或CP5511网卡的工程师站以及安装有PI-SI通讯卡的变频器和智能电机保护器形成MPI网络或DP网络，低位控制高位，基于网络实现天车的所有功能，提高了换极效率。朱有辉[8]通过由一台触摸式工控机、两台PLC、九台DP从站和一套遥控系统构成的整车网络总线控制方式，实现了信号可靠传输、电机回路简化控制、抗磁场干扰等功能；龚惠玲[9]设计的新型多功能铝电解槽阳极坑捞块装置可一次性将提残极时落入槽中的料块和料渣全部抓出，避免了人工捞渣造成的人身伤害和风格板破损隐患；潘玉仓[10]选用LCSP-ZG25型智能绝缘监控电子控制装置，对多功能机组各处绝缘结构实现实时监测、自动保护功能；王涛[11]通过安装大小车轨道吹灰装置实现了对原系统中清理铲的限位及绝缘护套的改造和优化。

通过研究和改进，多功能机组的综合性能不断提升，具备自动精准对位、故障智能诊断、抗干扰性能强、适用性高、设备损坏率低以及劳动强度低和安全隐患低等特点，设备自动化和智能化在各方面均得到充分体现。

2 多物理场在线监测与槽况诊断

铝电解槽物理场主要包括电场、热场、温度场、磁场、流场、应力场，各物理场的分布直接影响铝电解槽电流效率、能量消耗和寿命等关键技术经济指标。因此，铝电解槽多物理场在线连续监测成为判定槽况和改进指标的重要手段。

针对多物理场间断手动测试存在时间不同步、结果误差大、劳动强度大及无法连续监测等问题，文斌[12]、王震[13]、铁军[14]、樊肇军[15]等人分别研究了铝电解槽阳极导杆电流在线监测和分析系统，设计了架构中的模块化系统硬件和运行可靠的软件系统，实现了电流数据的釆集分析，为电流分布及电解槽槽况判断提供了基础数据；孟玲[16]利用锑一饵一锗、锑一锗稀土共掺增光敏技术开发了新型光纤光栅高温传感器，对布设于槽壳上的光纤光栅传感器构建了多点温度监测网络，实现了强磁场、高温、多尘环境下的槽壳温度的实时在线监测；张家奇[17]利用delphi7.0为前台开发系统软件，实现了极距、铝液波型、阳极电流分布的在线监测，并提出了依托铝电解槽极距与铝液波动在线监测系统为基础的极距均一化操作管理思路；王紫千[18]以C8051单片机为核心，采集阳极导杆等距压降，由上位机存储数据并显示铝液液面波动曲线，进而实现铝电解槽内铝液液面波动的实时监测；林燕[19]采用Fortran与Visual Basic语言相结合的混合编程方式开发软件系统，发挥数值计算与界面显示优势，实现了对铝电解槽槽膛内形状的在线监测。

与间断手动测试相比，自动连续在线监测系统以其测试过程实时连续、数据采集自动存储、界面数据曲线直观的特点为槽况诊断、槽结构设计及耦合仿真提供了基础数据。

在阳极故障及槽况诊断领域，梁汉[20]利用LH-70型阳极电流测量仪实现了对槽噪声性质、强度及发声源的判定，进而指导槽噪声抑制方法的选用。李春艳[21]、杨军[22]和刘飞岐[23]运用频域分析、时频分析、经验模式分解及神经网络等方法，开发了Windows界面下阳极效应定位检测和集阳极振动信号的采集、分析、管理于语一体的辅助系统，实现了对阳极效应的检测和预报；殷小宝[24]根据阳极电流信号的能量特征通过建立神经网络诊断模型实现对铝电解槽槽况的诊断。

3 结语

综上所述，电解多功能机组、电解槽多物理场在线监测与槽况诊断等的自动化和智能化研究与发展给铝电解行业带来了新的革命。

（1）从生产、监测、控制到诊断、优化、调度、管理和决策，都贯穿着信息技术融入工业的理念，为提高生产效率，节能减排和职业安全提供了保障。

（2）随着我国人口红利的消失，工业自动化和智能化已进入高速发展期，尤其针对我国人口分布不均的问题，这种生产技术模式显著降低劳动成本，给铝工业西部开发带来了新希望。

（3）在阳极加工与组装、物料控制、故障排除、烟气净化等实现自动化之后，应将研究与发展的重心转向智能化。

（4）自动化和智能化的发展进一步缩小了我国铝电解行业与世界先进水平的差距。