电解铝厂自动化现状和优化措施

周 鑫

（沈阳铝镁设计研究院，辽宁 沈阳 110001）

近年来，随着国内经济下行压力增大，我国的铝行业产能过剩日益严重，已到了“爬坡过坎，转型升级”的关键时期。大力促进铝行业结构调整和升级转型，已经成为企业运营的重中之重。将人工智能，大数据、物联网和电气控制的智能化引入铝厂将达到优化岗位设置，精减岗位人员，车间生产协调效率更高，管理更一致的效果[1]。

1 电解铝厂自动化现状和不足

（1）电解铝厂自动化现状。20世纪50年代，我国就开始引进有色冶金工业自动化技术，目前我国铝厂自动化设备的覆盖率较高。一般而言，全厂自动化系统包括电解槽控系统、车间PLC控制系统和视频监视系统，均通过以太网络接入到全厂控制中心。电解槽控系统：在实时控制的基础上，对电解过程的生产数据进行统计分析，通过数据采集功能收集来自化验室、日常测量及电解槽实时数据，快速解析每台槽数据，对于异常槽，可以找到引起电解槽异常的根本原因，并以直观可追溯方式展现给操作者和管理者。车间PLC控制系统：在每个主要生产车间内设置一套PLC系统，实现所有设备自带控制系统的联网。设备信息及工艺参数通过以太网连接至主控楼控制中心，并实现控制中心远程监控功能。视频监控系统：包括生产视频监控及安保视频监控系统。系统采用全数字网络视频监控系统实现对生产现场、运行设备、保安的状况进行图像记录和实时监视。及时发现隐患，进行历史图像追忆和查询，为安全事故分析提供可靠信息资料。

（2）电解铝厂自动化不足。配电所未配备智能化电气设备，没有搭建智能化配电系统，电气巡检人员多，用电故障排查不及时，电网高低峰电价、负荷及电解槽的信息协同优化没有开展。重要工艺设备仪表测点缺乏冗余，当仪表损坏或受干扰时无法提供准确数据[2]。某些铝厂的槽控箱为90年代产品，在高磁场、高电流的作用下，扛干扰能力差。此外，铝电解情况复杂，受出铝、效应等因素影响，现场需要技术经验丰富的工人进行手动调控，才能确保电解槽稳定运行。铝厂集团总部与下属分厂以及分厂各生产车间之间未实现统一信息平台，不能有效发挥各厂及部门的生产优势。

2 铝厂优化措施

2.1 升级铝厂配电系统

首先设备升级，高压开关柜接地刀采用电动设计，以便实现远程操作。在开关柜内安装摄像头，当电动操作时，对柜内电动底盘车及接地刀进行实时视频监测。厂用变压器、低压柜的进线和各重要负荷出线配置具有通讯功能的多功能仪表，通过通讯管理机将各特性参数上传至后台服务器，实现设备监测。其次建立智能供配电管理系统，该系统是基于物联网的数字化配电解决方案，结合云计算和大数据分析与服务，将配电系统中的智能设备互联互通，实现高效维护，保障配电运行更加可靠，全方位改善配电系统。通过高速采集和处理所有智能配电设备（断路器、变压器、绝缘监测、电容补偿装置）的数据，能够实现电能质量管理、电气资产管理和运行维护管理。对过载、过温、设备老化及电能质量起到预警作用，缩短停电时间，减少停电次数并延长设备寿命。通过互联网接口与供电公司信息对接，优化排产，以实现最低电价。

2.2 提升铝厂工艺设备的传感器配置

①对于核心工艺设备配置冗余智能型传感器，传感器能够自动筛选有效的数据并初步加工，降低控制中心自动化系统的负荷压力。②采用冗余配置，故障状态下能够选择自动切换至备用部件，避免设备故障引起工艺流程的中断，从而保障生产安全可靠性。

2.3 选用智能模糊控制槽控机

电解槽控机之间通过CAN总线连接，槽控机硬件以16位工业级CPU为控制核心，箱内集成知名厂家元器件，硬件系统具有灵活的模块插拔功能。软件系统具有专家模糊控制和槽况专家诊断等功能。专家模糊控制由推理机和模糊控制共同完成，推理机主要实现槽况分析、系统工作点和控制器性能的自调整等功能，而模糊控制则是完成下料速率调节和级距调节。

槽况专家诊断采用神经网络技术构成知识库系统，监视和控制槽况的变化趋势，自动从数据库调入所需数据进行预处理，之后进行诊断并形成控制决策。

智能模糊控制槽控机将现有的以单槽为单位的实时在线优化方法升级为以整系列为单位的全局优化措施，并以标准化为手段，通过降低外围因素的扰动，实现单台指标在不同时间、不同电解槽上的可复制性，实现对电解全方位管理，达到更好的经济技术指标。

2.4 建立完善的铝厂智能化平台

智能化铝厂需搭建一套完善的工业化和信息化综合网络平台，一级平台为集团的ERP系统，通过云服务实现对各分厂的数据交换和共享。二级平台包括信息展示、智能槽控系统、能源管理、专家决策、数据模型、生产管控、巡检管理、智能工厂数据库等；三级平台包括电力系统管理、安防管理、智能网关、工控管理、办公网络、传感器、工艺智能化设备等，此平台的建设能够实现生产智能化和管理智能化。

（1）生产智能化。主要体现在以下方面：①智能检测：基于物联网技术实现多厂站联结，在运营单元建设的二级平台实现对所有厂站集中式监控，统一调度控制和移动化管理。通过汇聚相应监测点视频监控录像、生产数据、管理数据等，启动专家系统进行故障诊断与风险预测，形成监控、报警、诊断的一体化联动机制。②智能槽控：通过远程智能终端可以实现专家远程控制电解槽，同时通过历史数据进行大数据分析，实现电解槽的数字化。③智能巡检：优化管理模式，通过手机或PDA等智能移动终端，辅以设备故障报警快速定位等方式进行智能巡检。如远程操控机器人完成电解槽自动换极与出铝、在整流所高危区域采用搭载监控摄像机等设备的巡检机器人获取母线温度、设备检修等作业。④智能调度：通过建立铝厂与电网、物流系统模型，利用数学算法实现智能调度和仓储，在考虑生产安全可靠的前提下，综合利用高低峰电价和各车间气热供应信息，降低生产成本。⑤智能安防：厂区视频监控摄像头实现了全厂无死角全覆盖，辅以门禁控制和巡更，在厂区外墙布设主动红外预警系统，通过人防和技防的结合，实现厂区安全。

（2）管理智能化。包括设备管理和人员管理。其中设备管理可借助三维模型，结合自动化系统实时数据，辅助以AI视觉感知等技术，实现设备设施的在线管理功能，对设备寿命、设备成本等进行统计分析，制定各设备设施的保养、维修、改造、更换计划。人员管理则借助智能视觉分析等先进手段，提高工厂人、物、事件管理的无人化或少人化、智能化水平；提升生产运行管理、巡检管理、设备管理、安全管理、危化场所管理效率，减少人力成本。

3 结语

实现电解铝厂的管、控、决策、物流等全面智能化任重道远，铝厂智能化建设离不开大数据、物联网、人工智能等技术。虽然这些技术在某些领域取得了卓越的成果，但在制造业的成功案例却不多见，而且由于投入成本过高，培训周期长等因素，阻碍了大规模推广。