PLC在电解铝400KA整流系统中的应用

PLC在电解铝 400KA整流系统中的应用

王立波

邹平县汇盛新材料科技有限公司山东省邹平县 256200

摘要：近年来，我国电解铝生产发展迅速，给企业与国家带来了丰厚的经济效益。电解铝生产企业采用PLC自动化系统对生产过程进行控制，采用经济实用的自动化产品对企业的生产过程进行掌控，能提高企业经济效益及竞争力。

关键词：PLC；电解铝；整流系统

在国内大型铝电解生产中，PLC得到了广泛应用。随着国内电解槽类型的逐渐增大，电解电流电压的逐步升高，发现最初针对300kA以下电解系列设计使用的PLC在400kA以上的大型电解槽使用中，出现电解电流调节滞后，电解槽出现效应时电流反馈不及时，在小效应电压影响下，导致电解电流波动大，从而影响整流机组对电解的稳定供电，整流机组和电解槽受到电流剧烈波动的冲击，会影响其工艺条件，使整个电解系列无法在最佳状态下工作，电流指标受到严重影响。因此，应重新分析比较影响稳流系统正常运行的各种因素，制定出适合超大电解系列的稳流系统。

一、PLC概述

PLC是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统，它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。其可靠性高、抗干扰能力强；编程简单、使用方便；设计、安装容易，维护工作量少；功能完善、通用性强；体积小、能耗低；性能价格比高。

二、系统基本介绍

当前，电解铝公司采用先进的400kA大型预焙阳极中间下料电解槽，提供直流电流的整流系统采用直降式有载调压整流变压器及二极管整流电路，并设置多套整流机组；通常，多台机组同时运行，当有一套机组停运时，应调整其他三套机组电流，以满足铝电解正常生产。整流系统整流器采用二极管三相桥式同相逆并联整流电路，变压器采用分段中性点调压变压器及整流变压器组合，调压等级为±35级，稳流控制采用有载调压开关粗调、饱和电抗器细调控制方式。由于电解铝厂整流供电系统通常需要终端变电站，监控与继电保护的设置相对单一、简单，但专业性强，可靠性要求高。因此，项目采用微机监控保护装置及综合自动化系统，稳流部分采用PLC控制方案。

三、系统配置

为独立于保护与监控系统而自成一体，避免相互干扰及影响，稳流系统采用SLC-5/04系列PLC组网，PLC具有专用的DH+通信网络，可通过专用板卡直接连接到服务器。PLC之间的信息交换是通过DH+网络通信实现，稳流控制PLC按N+1原则配置，四台整流机组各配置PLC，实现小闭环控制；配置一套总调PLC，实现大闭环控制。整流机组小闭环控制PLC用于单台机组的稳流控制，其目的是利用PLC的PID控制器实现单台机组直流输出与给定值一致，从而实现单台机组的稳流，并通过调节饱和电抗器偏移绕组的电流，实现同一台机组两个整流柜之间的输出电流平衡。采用一套总调PLC完成大闭环控制和所有整流机组的调节，大闭环总调的PID输出用作整流机组小闭环PID的给定值，以使所有机组的直流输出相同。在阳极效应情况下，可同时调节各机组饱和电抗器的控制绕组电流，若无法满足稳流要求，则可自动判断降档升压。此外，大闭环还可实现恒安时控制、最大需量控制、整流机组启停等功能。

四、电解槽阳极效应产生的影响

电解铝生产由整流机组对电解槽供以直流电能，在1000℃左右将包括氧化铝的电解质进行加热和电解，生成的熔融铝沉于电解槽下部，连续不断的输入直流电流方能保持电解槽正常生产所需的槽温。当降低直流电流时，将引起槽温下降，因而破坏电解槽的热平衡，此时浮于上部的氧化铝开始下沉槽底形成沉淀，槽电阻值增大，槽电压升高，阳极效应增多，槽子处于病态，严重时电解系列不能正常进行生产，因而工艺生产要求恒定的直流电流。直流电流大幅度的波动或降低，不但会破坏电解槽的正常生产，造成槽子局部过热，而且降低电解的电流效率，增加吨铝产品的直流单耗。

五、自动稳流控制

1、信号取样。当前，由于国产直流变压器温漂差，信号失真大，磁放大时间常数过长，不利于及时准确控制，稳流系统小闭环反馈信号取自整流器一次侧交流信号；稳流系统的大闭环反馈控制信号取自总直流互感器，小信号通过变送器传输至总调PLC；整流系统的总输出电流由上位机系统通过通信方式设定。

2、控制功能。在自动稳流系统中，PLC主要完成整个系统的逻辑顺序控制和全部PID回路控制。主要包括以下部分。

①恒流控制是将机组的直流输出电流经变送器变换后反馈到PLC的输出端，与给定信号进行比较，送给PI调节器进行控制。控制结果转换为控制输出脉冲，经功率放大，触发晶闸管整流电路的占空比，改变饱和电抗器的控制电流，达到机组电流稳定的目的。

②平衡控制。由于饱和电抗器特性不一致，机组之间及同一机组的两个整流柜之间输出电流往往相差较大，使整流机组无法达到额定出力。因此，将一台整流柜(A柜)的输出电流作为PLC给定，另一台整流柜(B柜)的输出电流作为PLC在电解铝整流系统中的应用反馈，通过PI调节器调整比较结果后，改变A柜饱和电抗器的控制电流(B柜控制电流不变)，使两个整流柜的直流电流始终平衡。此时PLC输出两个4～20mA信号，分别控制整流机组A、B柜稳流。

③总调控制。电解槽所需的总直流电流等于几台单独机组输出电流之和。由于单机组稳流能稳定单机组输出电流，为使电解槽获得的总电流更准确稳定，总电流通过互感器反馈至PLC输入端，与上位机给定值进行比较计算，输出结果作为单机组稳流的分调给定，以提高整个稳流精度。总调PLC输出四个4～20mA信号，用于控制四台整流机组总调给定。饱和电抗器的控制深度一般在60V左右，当饱和或截止时，PLC能自动调节变压器有载开关升降，无论电压波动多大，总电流能达到稳流目的，扩大其调压范围。

④恒安时控制。每3分钟测量一次电解电流值，在1小时内累计实测电解电流值，将累计结果与设定值比较，并根据所求差值和小时剩余时间自动调整设定电流，从而实现恒安时偏差自动控制。

3、控制方式稳流系统采用四种控制方式。①自动/总调模式。在此模式下，有载开关的升降档指令由计算机控制，有载开关升降操作通过饱和电抗器控制电流，以确认有载开关的升降。②手动/总调模式。此方法允许操作员总调，同时向上或向下动作，有载开关的升降挡通过外部按钮实现。机组总调整方式与自动/总调方式相同。③自动/分调模式。当单个机组与其他机组具有不同基准时，使用此方法。此时，本机组有载开关升降不起作用。

六、建议

以往稳流系统采用模拟控制电路方法控制饱和电抗器调节电流，造成调试工作量大，控制精度低，在实际运行中，进线刀闸常发生乱动，动力变莫名跳闸，数据报表与实际情况不符等。原稳流部分由PLC控制后，系统具有以下特点。①可靠性与稳定性大幅提高，故障率显著降低。②由于PID调节器采用PLC软件实现，整个系统接线简单，安装方便，减少了维护量。③无需同步信号和相序要求，系统易于调试。

参考文献：

[1]赵云飞.PLC稳流控制系统在400kA大型铝电解槽生产中的应用[J].轻金属，2015(05).

[2]唐海锋.PLC在电解铝整流系统中的应用[J].河南科技，2015(16).