电解铝整流桥监控系统研究

【摘要】为了能够提高电解铝整流桥工作可靠性，对整流桥的各种运行状态进行全面、准确的监控，针对电解铝行业预焙槽整流桥设计了一套以西门子S7-300系列PLC为核心的监控系统。介绍了电解铝整流桥监控系统的总体组成，地址分配，单台整流桥监控及系统通信方式。

【关键词】电解铝；整流桥；PLC；监控系统；通信

现代铝工业生产，主要采用冰晶石―氧化铝融盐法，氧化铝是炼铝的主要原料，冰晶石是电解质的主要成分。直流电通入电解槽，在阴极和阳极上发生电化学反应。在直流电流的作用下，氧化铝中的氧在碳阳极上放电，生成气体CO2和CO。电解的不断进行，在阴极上沉积一层铝液，盛置在由碳素材料砌成的溶池内。国内有3种形式的铝电解槽：预焙阳极槽，自焙阳极侧插槽，自焙阳极上插槽，目前，预焙阳极槽得到越来越广泛的应用，槽电流也在逐步地增加，在国民经济中占着十分重要的地位[1]。

铝行业预焙槽生产工艺采用直流供电方式，实行连续不间断生产，生产中要求停电时间不得超过30分钟，若长时间停电，将对预焙槽产生不良后果，并直接影响工厂经济效益。电解铝整流系统构造复杂、体积庞大，维修和维护极为不便。因此，实时掌握和了解直流电源系统的工作状况显得极为重要，保证直流供电系统的可靠性和安全性。所以，一套安全可靠的电解铝整流桥监控系统对于现代铝工业生产至关重要。

1.监控系统总体设计

本设计针对配置了6台整流机组的铝电解槽，为保证供电可靠性及检修便利性，整流桥主接线采用双母线连接方式。结合主接线，保证监控系统的可靠性，当其中一个整流桥的监控系统故障后不会影响其他整流桥的监控状态，因此该监控系统采用1个整流桥配置1套PLC控制柜的方案。然后每个整流桥的控制柜通过现场总线跟一个总调PLC相连接。总调PLC通过工业以太网与上位机相连接，实时监测整流所的运行状态，并能进行远程控制，保证了电源的供电可靠性。现场采用PROFIBUS-DP总线，其具有传输介质简单、安装维护方便、容易进行扩展、可靠性高等优点。工业以太网连接其强大的通信能力保证数据的准确，可靠的，传递到远程监控中心[2]。系统控制总图如图1所示。

2.单台整流桥监控系统的设计

2.1 监控系统的控制对象

电铝整流系统共设6套整流装置，每套整流装置由一台调压整流变压器及两台硅整流柜及相应辅助设备构成一套独立的整流系统，并分别配置于独立的间隔内，每套整流装置的保护单元配置于各自的整流装置间隔内。每套整流保护单元含一套PLC控制系统，PLC采集的所有报警信号及状态信号（含变压器油风冷却器、整流柜的水 风冷却器、直流大电流刀开关、直流传感器、有载调压开关等设备的工作状态及控制信号）都能进入站级微机，站级微机通过PLC直接设定和调整直流系列的输出和远控[3]。

监测系统包括各电力设备电量测量AI和各状态量DI、测量各回电流、电压及有功功率，无功功率、电度、功率因素等计算电量，监视各设备各种状态。各电量、各状态通过监测装置通讯口向工控机报告。

2.2 系统控制原理设计

本系统单台监控装置由西门子S7-300和上位机WINCC构成，上位机（内插SIEMENS CP5611卡）与整流控制系统通过SIEMENS的现场总线PROFIBUS-DP通信.PLC扩展为2个开关量输入模块，一块开关量输出模块，一个模拟量输入模块。

该系统可实现在上位机对整流器、直流刀闸、纯水冷却器、有载开关、变压器、油风冷却器及高压断路器等整流供电设备的远程操作控制及其故障报警和状态显示，完成各单机组和总系列的电流设定和自动稳流调节控制，完成各机组有载开关升降压综合控制功能。整流系统被监测的模拟量有输入电压、电流，直流电压、电流，单只可控硅导通电流，可控硅触发角等。开关量有熔断器、变压器瓦斯、油温等。

控制采用的是比较控制原理[4]：当整流变压器具备条件会给槽控机一个允许升降负荷的提示，为开关量点，只有当整流器输出的正刀闸和负刀闸都处于闭合状态（状态量进入槽控机），整流柜打到远程控制状态才可以开始远程控制，如果以上条件都满足了，就可以开始由槽控机来控制电流的升降。当电流升（降）到一个固定值的时候切除（投入）极化装置，升降过程中要求设定电流最终值、两次指令输出间隔时间；在确定以后就可以手动的输入一个目标值，经过不断的发出指令到整流器的继电器实现整流器电流的升降，然后目标值不断的与实际测量值进行比较，如果有偏差就会继续发出闭合指令，直到偏差在允许的范围内才会停止。凭借以上原理来实现自动的升降电流。

3.通信的实现

整套整流控制系统由7个PLC柜组成，六套整流机组各对应一台PLC柜，1个PLC柜做为统调。7台PLC相互形成网络并最终与上位机通讯。整流桥与总调PLC之间的通信采用PROFIBUS-DP。PROFIBUS-DP是一种经过优化的高速而便宜的通信模块，专用于对时间有苛刻要求的自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O之间的通信，属于多主通信方式，使用PROFIBUS-DP可以取代价格昂贵的24V或4―20MA的模拟量信号传输。

4.上位机的软件设计

4.1 上位机与PLC的通信

本系统采用S7-300的经济型串行通信处理器模块CP340。CP340与就地PC之间通过RS-232C（V.24）接口进行数据交换，数据交换根据双方约定的规则即通信协议进行。通信协议的要点包括波特率、字符格式、字符间隔、开始传输的条件以及如何保证传输信息完整等内容。CP340内部固化有ASCII和3964（R）两种标准协议，可以与多种设备进行数据交换。ASCII协议是与外部系统相连接的简单协议，带有文本字符的起停或块检查字符，接口的握手信号由用户程序查询和控制。3964（R）协议用于连接西门子设备及第三设备，是由西门子公司进行标准化的并且对外开放的协议。

4.2 监控主界面设计

监控主界面实现采用SIMATIC WinCC Ex-plorer 6.0设计，主界面有各机组直流电流，直流电压的设定和监控，各机组的工作状态，纯水压力，温度，各机组的触发角和个机组的故障记录组成。通过主界面可以查询具体的故障报表，整流机组的直流电流曲线，和对故障后的报警处理。主界面的数字根据现场的需要实现实时的数据交换，到达实现监控各整流机组的状态。对于机组的控制装置通信，机组工作状态，工艺连锁，刀开关状态，断路器状态采用指示灯显示，绿色代表投入运行，红色代表退出运行或者运行故障。该界面对每一台机组都设置了一个故障报表，对运行过程中产生的故障记录，方便检修人员和运行人员及时故障分析，排除故障。机组直流电流电压可以根据当前生产需要人为的输入直流电流电压的大小来改变各机组的整流情况。同时霍尔元件采集的当前直流电压，直流电流的大小也在主界面上显示出来，实现跟踪显示。

5.总结

针对电解铝大功率直流电源的监控保护系统，研究设计了PLC控制与PC监视相结合的监控系统。该系统主要完成工业控制中数据采集、显示和远方控制；对运行数据进行分析，监测系统目前的状态；对历史数据进行分析，预测电源的运行状态。对于电化学整流电源来说，可靠、安全运行是必要的。该系统在现场运行一年，整体情况良好，系统稳定。

参考文献

[1]冯乃祥.电解铝[M].北京：化学工艺出版社，2006：5.

[2]张莹.大功率电解电源及其监控系统研究与设计[D].中南大学，2008.

[3]李瑞光，康天宇.综合自动化系统在电解铝行业中的应用[J].轻金属，2004，5.

[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统―运动控制系统[M].机械工业出版社，2003，7.

[5]周娟，刘祥，左东升，朱小佩.基于WinCC的铝电解监控系统[J].冶金自动化，2004.