第4篇第1章—計(jì)算機(jī)控制—概述

1、第四篇、鋁電解計(jì)算機(jī)控制及鋁廠信息化第一章 鋁電解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與功能自60年代起，傳統(tǒng)的鋁電解產(chǎn)業(yè)便開始采用新興的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制理論和技術(shù)以及鋁電解工藝的發(fā)展，20世紀(jì)70年代后大多數(shù)技術(shù)水平的先進(jìn)的國(guó)家已普遍實(shí)現(xiàn)電解鋁生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)控制與管理。計(jì)算機(jī)控制管理功能的不斷加強(qiáng)，不僅逐步把操作者從高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)和高煙塵環(huán)境下的繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，而且準(zhǔn)確、及時(shí)、穩(wěn)定和精細(xì)的控制，也使采用大容量(180500kA)預(yù)焙槽，并在低溫、低分子比、低Al203濃度這些有利于大幅度提高電流效率和降低能耗的技術(shù)條件下進(jìn)行電解成為可能。當(dāng)前國(guó)際上先進(jìn)的電流效率指標(biāo)(94%

2、96%)和直流電耗指標(biāo)（1300013300kWh/t-Al）都是在先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控下取得的。鋁電解槽自動(dòng)化操作水平的提高，也使高度封閉式電解糟的設(shè)計(jì)成為了可能，從而有力地推動(dòng)著鋁電解生產(chǎn)朝著低污染、或無(wú)污染的方向邁進(jìn)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用，還使鋁電解這一傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的管理方式迅速地走向數(shù)據(jù)化、標(biāo)準(zhǔn)化和科學(xué)化。總之，計(jì)算機(jī)控制與管理系統(tǒng)已成為現(xiàn)代鋁電解生產(chǎn)過(guò)程必不可少的自動(dòng)化裝備，它的發(fā)展水平已成為當(dāng)代鋁冶煉技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的發(fā)展概況按控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式與控制方式來(lái)分類，鋁電解控制系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了單機(jī)群控、集中式控制、集散式（或分布式）控制、先進(jìn)集散式（或網(wǎng)

3、絡(luò)型）控制幾個(gè)階段1-5。而伴隨著結(jié)構(gòu)與控制方式的發(fā)展，是控制方法與功能的不斷發(fā)展。1.1.1 單機(jī)群控系統(tǒng)（20世紀(jì)60年代 70年代）早在20世紀(jì)60年代，當(dāng)小型機(jī)應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上變得可行時(shí)，鋁工業(yè)便從1964年開始采用它對(duì)鋁電解生產(chǎn)系列進(jìn)行監(jiān)控。受當(dāng)時(shí)技術(shù)上的限制，加之計(jì)算機(jī)昂貴，一個(gè)電解系列只能采用一臺(tái)小型機(jī)（經(jīng)濟(jì)許可時(shí)再備用一臺(tái)），安裝于計(jì)算站對(duì)全系列的電解槽進(jìn)行監(jiān)控。專門的信號(hào)采樣裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)全系列各槽槽電壓的循環(huán)掃描采集和對(duì)來(lái)自整流所的系列電流信號(hào)的采集。來(lái)自電解槽旁的槽控箱只是一個(gè)簡(jiǎn)單的電動(dòng)執(zhí)行單元，它接受計(jì)算機(jī)的輸出信號(hào)，完成陽(yáng)極移動(dòng)等功能。單機(jī)群控系統(tǒng)的主要功能

4、是：依據(jù)其在線采集的系列電流、各槽的槽電壓，進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析運(yùn)算和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的整理報(bào)告，并通過(guò)控制各槽的陽(yáng)極升降裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)槽電壓（即極距）的自動(dòng)調(diào)節(jié)，以及依據(jù)槽電壓的躍升，進(jìn)行陽(yáng)極效應(yīng)報(bào)警等。1.1.2 集中式控制系統(tǒng)（20世紀(jì)70年代 80年代）進(jìn)入20世紀(jì)70年代，人們對(duì)控制系統(tǒng)自動(dòng)下料控制功能的追求導(dǎo)致了各類自動(dòng)下料裝置的出現(xiàn)。與此同時(shí)，微型計(jì)算機(jī)（微機(jī)）的發(fā)展使得構(gòu)造能實(shí)現(xiàn)更多控制功能的先進(jìn)控制系統(tǒng)成為可能。例如，Z80等單板機(jī)曾被應(yīng)用于槽控箱（從此，槽控箱也被稱為槽控機(jī)），使槽控機(jī)除了簡(jiǎn)單的“執(zhí)行”功能外，還具有定時(shí)下料和簡(jiǎn)單的故障診斷等功能。功能強(qiáng)一點(diǎn)的槽控機(jī)還具有獨(dú)立完成槽電壓采樣

5、的功能。但此階段的槽控機(jī)一般無(wú)獨(dú)立控制功能，整個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一種集中式控制系統(tǒng)，即采用一臺(tái)小型機(jī)作為上位機(jī)（主機(jī)），與每臺(tái)電解槽（或數(shù)臺(tái)電解槽）配備一臺(tái)的槽控機(jī)構(gòu)成兩級(jí)集中式控制系統(tǒng)，由上位機(jī)集中控制、集中監(jiān)視。以我國(guó)貴州鋁廠20世紀(jì)80年代初期從日本引進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為例，應(yīng)用程序在主機(jī)（PDP11小型機(jī)）內(nèi)運(yùn)行，槽控箱（以Z80單板機(jī)為核心）的存貯器只存有若干條按固定邏輯驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的固定程序。二級(jí)的分工是：主機(jī)進(jìn)行系列全部槽的信號(hào)采集和解析（槽電阻計(jì)算、槽電阻穩(wěn)定性分析、槽電阻調(diào)節(jié)、AE預(yù)報(bào)、定時(shí)下料安排等）；根據(jù)解析結(jié)果向槽控箱發(fā)布控制命令和監(jiān)視其對(duì)命令的執(zhí)行情況；以及累計(jì)數(shù)據(jù)、

6、編制報(bào)表。槽控箱則接受經(jīng)由輸出接口設(shè)備傳來(lái)的主機(jī)命令，按其內(nèi)部固定邏輯驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（馬達(dá)、風(fēng)機(jī)、各電磁閥）進(jìn)行有序動(dòng)作，從而完成陽(yáng)極升/降，定時(shí)加料和陽(yáng)極效應(yīng)處理；通過(guò)接口設(shè)備向主機(jī)反饋以及在自己的操作面板上以信號(hào)燈顯示各種狀態(tài)信號(hào)（如手動(dòng)或自動(dòng)；料箱高、低料位；陽(yáng)極升降時(shí)由脈沖計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的代表陽(yáng)極移動(dòng)量的脈沖數(shù)等)；此外，在槽控箱上可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/手動(dòng)切換和手動(dòng)操作，并在脫離主機(jī)時(shí)自動(dòng)完成定時(shí)下料作業(yè)。集中式控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)之一是，作為下級(jí)機(jī)的槽控箱無(wú)獨(dú)立控制能力，主機(jī)負(fù)荷重，因此當(dāng)電解槽數(shù)目多、或引入較多的控制信號(hào)，采用（準(zhǔn)）連續(xù)按需下料等較復(fù)雜且實(shí)時(shí)性要求較高的控制模型時(shí)，主機(jī)的采樣和解析速

7、度就難以滿足要求；缺點(diǎn)之二是，主機(jī)一旦發(fā)生故障便會(huì)造成全系列槽的失控。雖然可采取一些措施來(lái)彌補(bǔ)這些不足，例如選用速度更高的采樣設(shè)備，選用內(nèi)存更大、運(yùn)算速度更高的小型或微型機(jī)作主機(jī)和改進(jìn)應(yīng)用軟件的編制等來(lái)提高主機(jī)的解析與控制速度，采用雙臺(tái)主機(jī)互為備用的方式來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性，以及在電解槽數(shù)較多時(shí)于兩級(jí)間增加一級(jí)區(qū)域通迅微機(jī)或區(qū)域控制機(jī)來(lái)分擔(dān)主機(jī)的部分任務(wù)（具有區(qū)域分散式控制系統(tǒng)的特征），但是進(jìn)入80年代后，隨著造價(jià)低、性能好的微機(jī)的出現(xiàn)，以及集散系統(tǒng)這種新一代工業(yè)過(guò)程控制機(jī)的應(yīng)用普及，集中式系統(tǒng)正逐步被集散式系統(tǒng)所取代。1.1.3 集散式（分布式）控制系統(tǒng)（20世紀(jì)80年代 90年代）集散式（或

8、分布式）控制系統(tǒng)采用“集中操作，分散控制”方式。各槽配備一臺(tái)的槽控箱（或稱槽控機(jī)）作為直接控制級(jí)，內(nèi)含一個(gè)獨(dú)立的以微控制器為核心的控制系統(tǒng)，能獨(dú)立地完成對(duì)所轄電解槽進(jìn)行信號(hào)（電流、電壓）采樣、分析運(yùn)算和實(shí)施控制的功能；所有槽控機(jī)通過(guò)通信線連接到計(jì)算機(jī)站的上位機(jī)（過(guò)程監(jiān)控級(jí)），由上位機(jī)對(duì)槽控機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控。90年代以前，上位機(jī)仍采用小型機(jī)，90年代以后則普遍采用工控微機(jī)作為上位機(jī)。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟之前，國(guó)外一些電解槽數(shù)目較多的廠家采用了三級(jí)以上的集散式控制系統(tǒng)，如美國(guó)Kaiser鋁業(yè)公司曾采用“廠部主機(jī)-廠房通信機(jī)-槽系列中心服務(wù)機(jī)-槽控機(jī)”四級(jí)集散式控制系統(tǒng)1。傳統(tǒng)的集散式控制系統(tǒng)采用“

9、主-從式”通訊方式，槽控機(jī)僅在主機(jī)要求時(shí)才會(huì)與主機(jī)聯(lián)系，接受主機(jī)的命令，并定期將記錄的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至主機(jī)。受通信方式與通信技術(shù)的制約，傳統(tǒng)集散式控制系統(tǒng)中的上位機(jī)與槽控機(jī)的數(shù)據(jù)交換速度不能滿足鋁電解工業(yè)對(duì)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控愈來(lái)愈高的要求。集散式控制系統(tǒng)保留了集中式控制系統(tǒng)的集中操作特點(diǎn)，但擁有集中式控制系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在顯著增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全可靠性和硬件配置靈活性，同時(shí)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算及快速處理與存儲(chǔ)能力更好地滿足了應(yīng)用軟件日益擴(kuò)充的需要。在集散式控制系統(tǒng)硬件功能與操作系統(tǒng)（軟件平臺(tái)）的強(qiáng)大支持下，鋁電解控制模型與應(yīng)用軟件也快速發(fā)展，主要體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：（1）氧化鋁濃度控制。這是最引人注目

10、的進(jìn)步。由于氧化鋁濃度的在線檢測(cè)問(wèn)題始終無(wú)法解決，人們便通過(guò)應(yīng)用一些先進(jìn)的控制理論與技術(shù)來(lái)建立氧化鋁濃度的“辨識(shí)”（估計(jì)）與控制算法，從而使鋁電解槽的下料控制方式從過(guò)去的定時(shí)下料過(guò)渡到按需下料。最有代表性的是法國(guó)鋁業(yè)公司率先成功應(yīng)用的基于槽電阻跟蹤的氧化鋁濃度控制方法6。這種基于槽電阻跟蹤的方法歷經(jīng)多年的發(fā)展，形成了各式各樣的氧化鋁濃度控制方法，利于基于現(xiàn)代控制理論的自適應(yīng)控制技術(shù)7-11，基于智能控制方法的智能模糊控制技術(shù)與模糊專家控制技術(shù)12-17、以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)18-20等。關(guān)于此方面的一些重要內(nèi)容將在本篇第四章中詳細(xì)討論。（2）槽電阻（極距）、熱平衡以及電解質(zhì)成分控制。由于槽溫、

11、極距和電解質(zhì)成分的連續(xù)在線檢測(cè)問(wèn)題始終無(wú)法解決，人們便應(yīng)用一些先進(jìn)的控制理論與技術(shù)來(lái)改進(jìn)極距、熱平衡以及電解槽成分控制算法。在氧化鋁濃度控制中使用的一些自適應(yīng)與智能控制技術(shù)同樣也用到極距與熱平衡控制方面，例如電解質(zhì)動(dòng)態(tài)平衡溫度的自適應(yīng)預(yù)報(bào)估計(jì)模型與控制模型 10,21，基于模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的極距與熱平衡方法等22-25。并且，研究者們愈來(lái)愈重視電解質(zhì)成分（分子比）自動(dòng)控制對(duì)熱平衡穩(wěn)定控制的重要性，這導(dǎo)致氟化鋁自動(dòng)添加裝置（即用于氟化鋁添加的下料器）在鋁電解槽上的廣泛使用以及各類與熱平衡（槽溫）控制密切相關(guān)的分子比判斷與決策（控制）方法的開發(fā)應(yīng)用，例如基于槽溫、分子比實(shí)測(cè)值的查表控制法26-3

12、0、基于分子比、槽溫等參數(shù)間的回歸方程的控制法31-36、基于初晶溫度（過(guò)熱度）實(shí)測(cè)值的控制法（九區(qū)控制法）37、基于模糊邏輯模型的分子比控制方法38、以及基于槽況綜合分析的控制法25,39。關(guān)于此方面的內(nèi)容將在本篇第三章和第五章中詳細(xì)討論。（3）槽況綜合分析（槽況診斷）對(duì)不斷改進(jìn)控制功能與效果的不懈追求，使鋁工業(yè)不再滿足于簡(jiǎn)單的槽況分析功能，如電阻波動(dòng)解析、AE預(yù)報(bào)等（詳見本篇第二章）。開發(fā)槽況分析（尤其是槽況綜合分析）功能成為20世紀(jì)90年代以來(lái)鋁電解控制技術(shù)開發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)。并且，“直接過(guò)程級(jí)過(guò)程監(jiān)控級(jí)”的兩級(jí)集散式控制方式使槽況分析功能也采用兩級(jí)配置方式。一級(jí)設(shè)置在直接控制級(jí)（槽控機(jī)）中

13、，利用該級(jí)獲得的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)槽況的快速實(shí)時(shí)分析，例如，槽電壓（或槽電阻）波動(dòng)特性的快速實(shí)時(shí)解析、電阻控制與下料控制過(guò)程的各類異?，F(xiàn)象的快速實(shí)時(shí)分析等，從而直接服務(wù)于實(shí)時(shí)控制級(jí)的下料控制與電阻控制；另一級(jí)設(shè)置在過(guò)程監(jiān)控級(jí)，利用該級(jí)存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)（信息）實(shí)現(xiàn)對(duì)槽況中、長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的綜合分析（包括對(duì)病槽的診斷），從而可定期（或不定期地）對(duì)槽控機(jī)中的相關(guān)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化（調(diào)整），或者為人工維護(hù)槽況提供決策支持。事實(shí)上，上面提到的各類熱平衡與分子比控制方法同時(shí)也屬于槽況分析的方法，并且大多設(shè)置在過(guò)程控制級(jí)，用于為槽控機(jī)（或操作者）確定相關(guān)控制（或設(shè)定）參數(shù)，例如設(shè)定電壓、氟化鋁基準(zhǔn)添加速率以及出鋁

14、量等。此外，對(duì)槽況綜合分析的要求已經(jīng)從過(guò)去的單槽分析發(fā)展到多槽分析，即把一個(gè)區(qū)域（大組、段、車間乃至全系列）的電解槽作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行綜合分析。為了實(shí)現(xiàn)槽況的綜合分析，首先必須獲得用于槽況分析的足夠信息。為此人們從兩個(gè)方面進(jìn)行努力：一方面是增加參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)項(xiàng)，即開發(fā)新的傳感器，增加在線信號(hào)以及人工檢測(cè)的數(shù)據(jù)（詳見第二篇第四章）；另一方面是對(duì)可測(cè)數(shù)據(jù)（參數(shù)）進(jìn)行“深加工”。“深加工”技術(shù)又被稱為“軟測(cè)量”技術(shù)。 由于鋁電解在經(jīng)濟(jì)實(shí)用的傳感器方面尚無(wú)突破，因此軟測(cè)量技術(shù)是增加槽況綜合分析信息量的重要方法。事實(shí)上，下料控制中的氧化鋁濃度估計(jì)算法、熱平衡控制中的熱平衡狀態(tài)分析算法以及分子比控制中的分

15、子比狀態(tài)分析算法也都可以視為“軟測(cè)量”。至今人們研究過(guò)的用于鋁電解槽槽況分析中的軟測(cè)量技術(shù)可以歸為如下幾類：系統(tǒng)辨識(shí)與參數(shù)估計(jì)技術(shù)10, 11, 21、數(shù)理統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)40-43、鋁電解槽物理場(chǎng)的計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)44、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊專家系統(tǒng)等智能技術(shù)23, 39, 45。關(guān)于此方面的內(nèi)容將在本篇七章中詳細(xì)討論。1.1.4 先進(jìn)的集散式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)（20世紀(jì)90年代 至今）進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，隨著可構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)的各類現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的集散式（分布式）控制系統(tǒng)開始采用“現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)（槽控機(jī)）過(guò)程監(jiān)控級(jí)”兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。例如在我們于90年代中期推出的網(wǎng)絡(luò)型智能

16、控制系統(tǒng)中（詳見下節(jié)“系統(tǒng)配置實(shí)例”），現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)采用一種先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線CAN總線來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制設(shè)備（槽控機(jī)）及其他現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備的互連；過(guò)程監(jiān)控級(jí)則使用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)本級(jí)中各設(shè)備（工控微機(jī)及服務(wù)器等）的互連，并實(shí)現(xiàn)與全企業(yè)局域網(wǎng)的無(wú)縫聯(lián)接?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化以及與企業(yè)計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的“無(wú)縫”聯(lián)接，使“人、機(jī)交互”和“管、控一體”變得更為方便，因此，這不僅推動(dòng)了各類需要人機(jī)交互的槽況分析系統(tǒng)的發(fā)展與實(shí)用化，而且使大型鋁電解企業(yè)實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化與信息化的目標(biāo)變得更加容易。關(guān)于此方面的內(nèi)容將在本篇八章中詳細(xì)討論。1.2 系統(tǒng)配置實(shí)例1.2.1 一種簡(jiǎn)單的兩級(jí)集散式（分布式）控制系統(tǒng)的基本配置圖1-1

17、所示的兩級(jí)分布式鋁電解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般配置形式是一種最簡(jiǎn)單的兩級(jí)集散式（分布式）系統(tǒng)配置形式。它可以分為直接控制級(jí)（槽控機(jī)）和過(guò)程監(jiān)控級(jí)。直接控制級(jí)設(shè)在電解車間，主體控制裝備是每槽配備一臺(tái)槽控機(jī)（又被稱為下位機(jī)）。過(guò)程控制級(jí)設(shè)在計(jì)算站，它的主要監(jiān)控設(shè)備是一臺(tái)計(jì)算機(jī)（一般采用工控微機(jī)），又被稱為上位機(jī)。一條通信線（包括必要的通信器件）可以將直接控制級(jí)中的所有槽控機(jī)與過(guò)程監(jiān)控級(jí)中的監(jiān)控微機(jī)連接在一起，構(gòu)成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。1號(hào)槽控機(jī) 監(jiān)控機(jī) 通信線1號(hào)電解槽2號(hào)槽控機(jī)2號(hào)電解槽n號(hào)槽控機(jī)n號(hào)電解槽計(jì)算站電解車間整流車間電流信號(hào)傳輸線圖1-1 兩級(jí)分布式鋁電解控制系統(tǒng)的一般配置形式上述這種只有

18、一臺(tái)監(jiān)控微機(jī)作上位機(jī)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)適應(yīng)于電解槽數(shù)量較少的情形。如果電解槽數(shù)量較多，一般將電解槽按所在地域分區(qū)（例如，若一個(gè)電解系列中有200臺(tái)電解槽分布在兩棟廠房中，則可以按四個(gè)分區(qū)），給每個(gè)區(qū)配備一套如上所述的控制系統(tǒng)。各區(qū)的監(jiān)控微機(jī)（即區(qū)域監(jiān)控微機(jī)）都安裝在計(jì)算站，通過(guò)局域網(wǎng)將區(qū)域監(jiān)控微機(jī)聯(lián)接在一起，便使整個(gè)生產(chǎn)系列的控制系統(tǒng)成為一個(gè)整體。1.2.2一種兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)的基本配置大型鋁電解企業(yè)的鋁電解控制系統(tǒng)可采用由直接控制級(jí)與過(guò)程監(jiān)控級(jí)兩級(jí)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖1-2是我們于90年代后期推出的一種網(wǎng)絡(luò)型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本配置圖。該系統(tǒng)的過(guò)程監(jiān)控級(jí)“融入”到了企業(yè)的全廠綜合自動(dòng)化與信息化網(wǎng)絡(luò)中

19、，該級(jí)中的的工控機(jī)及服務(wù)器通過(guò)交換機(jī)組成以太網(wǎng)（Ethernet），在網(wǎng)絡(luò)下并行工作，通過(guò)以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？紤]到過(guò)程監(jiān)控級(jí)使用的以太網(wǎng)通信方式難以滿足電解車間惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定可靠通信要求，在直接控制級(jí)中采用現(xiàn)場(chǎng)總線（CAN總線）構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)現(xiàn)直接控制級(jí)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)與過(guò)程監(jiān)控級(jí)的以太網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫聯(lián)接，在直接控制級(jí)與過(guò)程監(jiān)控級(jí)之間安裝有若干臺(tái)CAN-Ethernet智能轉(zhuǎn)換器，它們可并行運(yùn)行，互為備用。也可以使用工控微機(jī)充當(dāng)CAN-Ethernet智能轉(zhuǎn)換器（接口機(jī)），接口機(jī)的擴(kuò)展插槽中插上CAN總線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)網(wǎng)卡，分別聯(lián)接上、下兩級(jí)。1# 槽控機(jī)CAN總線1#

20、槽n# 槽整流車間2# 槽系列電流信號(hào)2# 槽控機(jī)n# 槽控機(jī)1# 工作站服務(wù)器Ethernet（TCPIP）Ethernet/CAN轉(zhuǎn)換器m# 工作站交換機(jī)電解車間計(jì)算站圖1-2 網(wǎng)絡(luò)型鋁電解控制系統(tǒng)的一般配置形式1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)實(shí)例1.3.1 現(xiàn)代鋁電解工藝對(duì)控制功能的基本要求由于鋁電解過(guò)程復(fù)雜且重要參數(shù)難以在線檢測(cè)，所以鋁電解槽是一個(gè)非線性、多變量、大滯后且具有模型不確定性的復(fù)雜被控對(duì)象。生產(chǎn)實(shí)踐與理論研究表明，要獲得理想的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，關(guān)鍵是控制好鋁電解槽的幾個(gè)主要技術(shù)參數(shù)，使鋁電解槽能處于理想的物料平衡與熱平衡狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，從而使物理場(chǎng)穩(wěn)定，引起電流效率損失的二次反應(yīng)最大程度地

21、被抑制。為達(dá)到這一目標(biāo)，現(xiàn)代鋁電解工藝對(duì)控制系統(tǒng)提出了如下基本要求：（1）控制好鋁電解槽的物料平衡。由于氧化鋁的添加是引起物料平衡變化的主要因素，因此最重要的是控制好氧化鋁的添加速率（即下料速率），使氧化鋁濃度的變化能維持在預(yù)定的一個(gè)很窄的范圍內(nèi)，既要盡量避免沉淀的產(chǎn)生，又要盡量避免陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生。（2）控制好鋁電解槽的極距與熱平衡（包括分子比）。主要的目的是，以移動(dòng)陽(yáng)極作為調(diào)整極距和改變輸入電功率為手段，既要維持合適的極距，又要保持理想的熱平衡。同時(shí)通過(guò)氟化鋁添加控制，不僅保持電解質(zhì)成分的穩(wěn)定，而且為熱平衡的穩(wěn)定創(chuàng)造條件。（3）具備一定的異常槽況分析（病槽診斷）與輔助決策功能。由于至今鋁電解

22、槽上尚存在不能由計(jì)算機(jī)直接控制的操作工序和工藝參數(shù)，且存在一些檢測(cè)不到的干擾因素和變化因素，并由于控制誤差的積累，鋁電解槽的物料平衡，熱平衡，以及互有關(guān)聯(lián)的物理場(chǎng)會(huì)發(fā)生緩慢的變化。這些變化積累到一定的程度后會(huì)導(dǎo)致電解槽正常的動(dòng)態(tài)平衡的崩潰，即電解槽成為病槽。因此計(jì)算機(jī)應(yīng)該具有利用各種可獲取的信息綜合解析電解槽的變化趨勢(shì)，并及時(shí)診斷病槽或盡早發(fā)現(xiàn)病槽形成趨勢(shì)的能力，以便能及時(shí)地調(diào)整有關(guān)控制參數(shù)或提出人工進(jìn)行維護(hù)性操作的建議。現(xiàn)代鋁電解過(guò)程控制系統(tǒng)的功能就是以滿足上述要求為目標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)開發(fā)的，到目前，先進(jìn)控制系統(tǒng)的控制與管理功能逐步發(fā)展到包括下列幾個(gè)方面： 槽電阻解析與控制（包括：槽電阻異常分析、A

23、E預(yù)報(bào)、極距調(diào)節(jié)等）； 氧化鋁濃度控制（即下料控制）； 電解質(zhì)成分控制（即氟化鋁添加控制）； 人工操作工序的輔助管理與監(jiān)控； 槽況診斷（包括單槽及系列槽工況綜合分析）； 生產(chǎn)管理與輔助決策等。1.3.2 直接控制級(jí)（槽控機(jī)）的主要功能以上一節(jié)中介紹的“直接控制級(jí)-過(guò)程監(jiān)控級(jí)”兩級(jí)集散式（或網(wǎng)絡(luò)型）系統(tǒng)為例，直接控制級(jí)的主要功能包括： 數(shù)據(jù)采集：以14Hz的采樣速率，同步采集槽電壓及系列電流信號(hào)，并進(jìn)行槽電阻的計(jì)算、濾波等。 槽電阻解析及不穩(wěn)定（異常）槽況處理：實(shí)時(shí)地分析槽電阻的變化與波動(dòng)，并據(jù)此對(duì)不穩(wěn)定及異常槽況（如電阻針振、電阻擺動(dòng)、陽(yáng)極效應(yīng)趨勢(shì)、陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生、下料過(guò)程的電阻變化異常、極距調(diào)

24、節(jié)過(guò)程的電阻變化異常等）進(jìn)行預(yù)報(bào)、報(bào)警和自處理。 下料控制（即氧化鋁濃度控制）：基于對(duì)槽電阻和其他與物料平衡變化相關(guān)的因素的解析，判斷槽內(nèi)物料平衡（氧化鋁濃度）狀態(tài)，并據(jù)此調(diào)節(jié)下料器的下料間隔時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)下料速率的控制（即對(duì)氧化鋁濃度的控制）。 正常槽電阻控制（即極距與熱平衡控制）：基于對(duì)槽電阻、槽電阻波動(dòng)和其他與極距或熱平衡相關(guān)的因素的解析，判斷電解槽的極距與熱平衡狀態(tài)，并據(jù)此進(jìn)行極距調(diào)節(jié)（即槽電阻調(diào)節(jié)），間接地實(shí)現(xiàn)對(duì)極距與熱平衡的控制。 AlF3添加控制：以上位機(jī)的AlF3添加控制程序給定（或直接由人工設(shè)定）的AlF3基準(zhǔn)添加速率作為控制基準(zhǔn)，結(jié)合自身對(duì)槽況及相關(guān)事件的判斷，調(diào)節(jié)氟化鋁下料

25、器的下料間隔時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)電解質(zhì)分子比的控制。 人工操作工序監(jiān)控：對(duì)換陽(yáng)極、出鋁、抬母線等人工操作工序進(jìn)行監(jiān)控。 數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)：為上位機(jī)監(jiān)控程序進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和記錄，并制作和儲(chǔ)存報(bào)表數(shù)據(jù)。 與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換：在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下通過(guò)通信接口與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。 故障報(bào)警與事故保護(hù)：診斷、記錄和顯示自身的運(yùn)行狀態(tài)和故障部位，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。1.3.3 過(guò)程監(jiān)控級(jí)（上位機(jī)體系）的主要功能對(duì)于一個(gè)由“直接控制級(jí)-過(guò)程監(jiān)控級(jí)”構(gòu)成的兩級(jí)分布式（或網(wǎng)絡(luò)型）系統(tǒng)為例，過(guò)程監(jiān)控級(jí)的主要功能包括： 槽工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示：以動(dòng)態(tài)曲線與圖表形式，實(shí)時(shí)地顯示槽電壓、槽電阻、系列電流及其他各種動(dòng)態(tài)參數(shù)與信息。 參數(shù)設(shè)定、

26、查看與修改：為用戶提供豐富的菜單，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)（包括槽控機(jī)和上位機(jī)體系）中設(shè)定參數(shù)的設(shè)定、查看與修改。設(shè)定參數(shù)一般分為兩大類，即系列參數(shù)（全系列通用）和槽參數(shù)。 歷史數(shù)據(jù)（信息）查看與輸出：為用戶提供豐富的菜單及數(shù)據(jù)庫(kù)操作手段，以曲線和圖表等形式實(shí)現(xiàn)對(duì)電解槽各種歷史數(shù)據(jù)（信息）的查看與輸出（打印）。 報(bào)表制作與輸出：按照規(guī)定格式制作和輸出（打?。└鞣N類型的報(bào)表，如解析記錄報(bào)、時(shí)報(bào)、班報(bào)、日?qǐng)?bào)、月報(bào)、效應(yīng)報(bào)、槽狀態(tài)報(bào)、故障信息報(bào)等。 自動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警：配備有自動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)，向電解車間廣播重要提示信息，包括電解槽的異常信息（如AE發(fā)生、AE超時(shí)、電壓越限等）。 槽況分析：先進(jìn)的控制系統(tǒng)提供對(duì)各電解

27、槽及全系列變化趨勢(shì)進(jìn)行分析的功能。例如，基于對(duì)歷史數(shù)據(jù)的挖掘與分析，判斷單槽、或某個(gè)區(qū)、或全系列槽在某一時(shí)段的狀態(tài)（參數(shù)）變化趨勢(shì)，為生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化與控制優(yōu)化提供指導(dǎo)。 生產(chǎn)管理：與企業(yè)的局域網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各類信息的瀏覽、修改、上傳、下載、打印，滿足企業(yè)實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化與信息化的要求。1.4 核心控制裝置槽控機(jī)簡(jiǎn)介槽控機(jī)是鋁電解控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵控制裝備。目前我國(guó)的槽控機(jī)主要有單CPU型和多CPU網(wǎng)絡(luò)型兩種類型。過(guò)去在自焙鋁電解槽上還曾經(jīng)使用過(guò)可編程序控制器（PLC）型。1.4.1 可編程序控制器（PLC）型PLC是一種可廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)過(guò)程控制的通用設(shè)備。與專用型的單板機(jī)相比，它的顯著優(yōu)點(diǎn)是：硬件

28、可靠；輸入/輸出能力強(qiáng)；具有模塊化積木式結(jié)構(gòu)，因此組態(tài)靈活，通用性與可擴(kuò)性強(qiáng)；不需另設(shè)接口電路，且編程容易掌握，故開發(fā)周期短。但其缺點(diǎn)是，價(jià)格可接受的中、低檔PLC運(yùn)算能力差，不能對(duì)復(fù)雜被控對(duì)象進(jìn)行分析，因此一般只適合于作開關(guān)量的控制。1.4.2 單CPU型早期的槽控機(jī)多采用一片Z80CPU和復(fù)雜外圍電路構(gòu)成。由于電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是CPU的升級(jí)換代速度加快，所以現(xiàn)在一些槽控機(jī)廠家將386CPU配置在槽控機(jī)上替代原有Z80CPU，滿足應(yīng)用軟件升級(jí)的要求，但其硬件結(jié)構(gòu)并沒有實(shí)質(zhì)性的改變。硬件結(jié)構(gòu)采用插板式，將信號(hào)輸入輸出部分、槽電壓與系列電流轉(zhuǎn)換部分等做成插板，內(nèi)部信號(hào)傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)總線（S

29、TD總線），外部信號(hào)采用計(jì)算機(jī)常用的扁帶進(jìn)行轉(zhuǎn)接，與上位機(jī)的通信過(guò)去多采用RS-485/BitBus（位總線）方式，后來(lái)也逐步改用CAN總線等現(xiàn)場(chǎng)總線。這種槽控機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算速度快，有DOS系統(tǒng)支持，編程方式相對(duì)簡(jiǎn)單；但其缺點(diǎn)不容忽視： 核心器件較落后：由于采用的是已被淘汰的386CPU產(chǎn)品，勢(shì)必失去器件廠家的未來(lái)技術(shù)支持，且會(huì)影響后期的產(chǎn)品供貨。 生產(chǎn)成本及后期維護(hù)成本均較高：386CPU采用表貼安裝方式，管腳密集不易焊接，要采用波峰焊等設(shè)備；同時(shí)，由于386CPU與外圍電路的連接復(fù)雜，各信號(hào)間的邏輯關(guān)系也很復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試比較困難，對(duì)維護(hù)水平要求高且維護(hù)難度大；因?yàn)楣苣_密集不易焊接，所以出現(xiàn)

30、故障以后只能整板更換，備件購(gòu)置費(fèi)用和系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用高。 對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求較高：386CPU是為計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的，其對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求比較高，粉塵和高磁場(chǎng)對(duì)其運(yùn)行可靠性有重大影響。 故障率較高：槽控機(jī)的接頭插件在電解現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)腐蝕高灰塵的環(huán)境中易氧化腐蝕，導(dǎo)致接觸不良、信號(hào)中斷和引發(fā)隨機(jī)性故障，整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)而降低。 運(yùn)算能力沒有充分發(fā)揮：由于與之相配的外圍設(shè)備的運(yùn)行能力沒有提升，其運(yùn)算能力并沒有完全發(fā)揮。 不易于擴(kuò)展：鋁電解過(guò)程控制必然會(huì)隨著工藝技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生許多新的控制點(diǎn)，采用單CPU結(jié)構(gòu)后，對(duì)于每一個(gè)新的控制點(diǎn)都要重新設(shè)計(jì)槽控機(jī)硬件。為了解決上述單CPU型的插板式槽控機(jī)所存在的接插

31、件多，故障率高的問(wèn)題，一些廠家推出了大板式槽控機(jī)。但“大板”故障風(fēng)險(xiǎn)集中，一旦“大板”中某一局部故障，則整塊板均需更換或修理，這可能還會(huì)導(dǎo)致工廠的備件購(gòu)置費(fèi)用和系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用增高。1.4.3 多CPU網(wǎng)絡(luò)型90年代末期，我們開發(fā)了一種多CPU網(wǎng)絡(luò)型槽控機(jī)（全分布式槽控機(jī)），并迅速在我國(guó)鋁電解行業(yè)推廣應(yīng)用。從外觀來(lái)看，該種槽控機(jī)與單CPU型大板式槽控機(jī)類似，為壁掛式結(jié)構(gòu)，左、右機(jī)箱分別為動(dòng)力箱、邏輯箱，這兩個(gè)箱體的外形尺寸相同（典型尺寸均為：寬400× 高550×厚200，見圖1-3）。但內(nèi)在的本質(zhì)區(qū)別是，摒棄了流行于80年代的STD總線技術(shù)，而采用采用先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線（CAN

32、總線）技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將槽控機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為多CPU的智能分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。圖1-3 一種多CPU網(wǎng)絡(luò)型槽控機(jī)外形 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是一種多主總線技術(shù)，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），通訊傳輸速率可達(dá)1Mbps，具有高可靠性和通訊的實(shí)時(shí)性，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)不受限制，易于功能的擴(kuò)展。我們按智能化、模塊化與網(wǎng)絡(luò)化的硬件設(shè)計(jì)原則來(lái)設(shè)計(jì)槽控機(jī)的邏輯單元。以YFC99型槽控機(jī)為例，將邏輯單元設(shè)計(jì)為3-CPU網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)含三個(gè)智能模塊：l 采樣模塊：完成槽電壓和系列電流的采樣，并進(jìn)行槽電阻計(jì)算，信號(hào)濾波等預(yù)處理。l 主模塊：對(duì)過(guò)程進(jìn)行解析；接收開關(guān)板的輸入信號(hào)；通過(guò)顯示面板的數(shù)碼管和指示燈輸

33、出運(yùn)行信息；實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備（上位機(jī)）的數(shù)據(jù)交換等。l 操作模塊：完成所有對(duì)動(dòng)力單元的輸入輸出操作，如陽(yáng)極升降、打殼、下料等動(dòng)作信號(hào)的輸出以及執(zhí)行情況的檢測(cè)輸入。上述3個(gè)智能模塊均帶有自己的CPU，均能相對(duì)獨(dú)立地運(yùn)行和發(fā)揮自己的功能，彼此之間通過(guò)以雙絞線或雙芯電纜為通信介質(zhì)的CAN總線互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和協(xié)同工作，從而使整個(gè)槽控機(jī)的邏輯單元成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系。并且，該體系與外設(shè)的接口也采用CAN總線協(xié)議，以滿足構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)的要求。按上述設(shè)計(jì)方案所設(shè)計(jì)的槽控機(jī)的邏輯單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-4所示?？梢姡谡麄€(gè)槽控機(jī)中，電路板數(shù)量?jī)H為5塊（3個(gè)智能模塊另加1個(gè)觸摸開關(guān)板和1個(gè)動(dòng)力箱中的信號(hào)采集板）

34、。 主模塊 采樣模塊 操作模塊 槽電壓 系列電流 內(nèi)部CAN總線 動(dòng)力單元 動(dòng)作信號(hào) 手動(dòng)信號(hào) 外部CAN總線（至上位機(jī)） 采集板 觸摸開關(guān) 圖1-4 YFC-99網(wǎng)絡(luò)型槽控機(jī)邏輯單元的基本構(gòu)成多CPU網(wǎng)絡(luò)型槽控機(jī)的主要特點(diǎn)是： 智能化程度高。多CPU網(wǎng)絡(luò)體系中的智能模塊能并行運(yùn)行、協(xié)同工作，因此綜合數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大（多個(gè)CPU的協(xié)同處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個(gè)CPU），能很好地滿足高度智能化控制的要求，避免了單CPU型槽控機(jī)單純依賴CPU的升級(jí)來(lái)提高數(shù)據(jù)處理能力的局限性。例如，使用16位或32位CPU芯片（如Intel80386等）來(lái)替代單片機(jī)芯片雖然可以解決數(shù)據(jù)處理能力的問(wèn)題，但帶來(lái)了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高

35、溫下運(yùn)行穩(wěn)定性較差且維護(hù)困難等新問(wèn)題。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、集成度高、安全可靠、維護(hù)性好。智能模塊（電路板）采用類似的硬件結(jié)構(gòu)，其CPU均采用適于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的單片機(jī)系列（如90C32系列CPU），并設(shè)計(jì)有可編程的電源監(jiān)視和WatchDog（防程序走飛）的器件；外圍接口電路采用高集成化器件（PSD），以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)提高可靠性；高集成度器件與網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的采用使槽控機(jī)內(nèi)部連接線極少，降低了接插性故障，同時(shí)該方式使得故障分散，易于維護(hù)，維護(hù)費(fèi)用低，而且當(dāng)某一模塊的CPU工作故障時(shí)能被其它無(wú)故障的模塊檢出，從而自動(dòng)采取保護(hù)措施。參考文獻(xiàn)1 R.A.Mohr. Light Metals 1982C. War

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