基于嵌入式PLC结构的智能槽控机

很好适应铝电解技术电解槽大型化、控制精细化和管控一体化的发展方向。 关键词：自动控制
嵌入式ＰＬＣ智能槽控机
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ
ｏｒｄｅｒ
ｔｏ
ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ”ｂｉｇ ｐｌａｔｅ”ｐｏｔｌｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌｅｒ ｄｕｅ
ａ
ｔｏ
ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｕｓｉｎｇ ｅｍ—
铝电解生产过程中的重要设备。近年来，铝电解技术 快速发展，对铝电解槽控制系统的要求也越来越高。 铝电解槽大型化是一种发展趋势，国内相继出现 ５００ｋＡ（已投产）、６００ｋＡ（在建）系列电解槽。大型槽 要求实施精细化控制，分区控制（母线分段移动，分区 下料）是发展的必然趋势。另外，将一些新型传感器 （如阳极电流分布测量传感器和槽壳温度测量传感 器）接人槽控系统用于辅助和优化电解槽控制，并将 槽控系统接入全厂管控一体化系统以提高铝电解全 厂自动化水平也是当前铝电解技术发展的趋势。为 更好适应铝电解技术的发展，槽控机应具有更高的可 靠性、很好的可扩展性和兼容性。 当前国内的槽控机大都是从单板机发展过来的 “大板式”结构，这种槽控机在３０多年的发展和使用 过程中也暴露出了一些缺陷和不足。“大板式”结构 元器件直接裸露焊接在电路板上，在电解车间强腐蚀 性高粉尘环境下极易因氧化腐蚀而损坏，所以故障率 极高，检修、维护工作量大，运行费用高。人机界面采
第六篇设备与机械
基于嵌入式ＰＬＣ结构的智能槽控机
魏清汉 王振伟 王德全
郑州
４５０００８）
（河南东大泰隆冶金科技有限公司，河南
摘要：为解决传统“大板式”槽控机结构上的不足，综合运用嵌入式技术、现场总线技术和智能控制技术，开发 出新一代嵌入式ＰＬＣ结构智能槽控机。此智能槽控机运算能力强、故障率低，可大幅减少维修费用和运行成 本。采用标准ＰＬＣ软件和硬件体系，用工业触摸屏作人机界面，能实现真正的分布式控制和智能化控制，并能
发了基于嵌入式ＰＬＣ结构的智能槽控机——ＮＥＵ～
ＴＬ智能槽控机。
作者简介：魏清汉（１９８０一），男，河南泌阳人，大学本科，从事氧化铝、电解铝行业自动化控制技术研发工作，ｅ—ｍａｉｌ：ｗｑｈｔｌ ｋｊ＠１６３．ｃｏｍ
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第六篇设备与机械
１基于嵌入式ＰＬＣ结构的智能槽控机研发 思路
为适应我国铝电解技术的快速发展，解决“大板 式”结构槽控机存在的问题，我们需要开发有更高的 可靠性、很好的可扩展性和兼容性的智能槽控机。本 文所论述槽控机整体设计思路为将原“大板式”结构 改为标准ＰＬＣ结构，原数码管加指示灯的显示方式 改为高分辨率触摸屏。由于铝电解槽控制的特殊性 和价格等原因，市面上现有ＰＬＣ均不适用，需另行开 发。我们利用嵌入式技术，将标准的ＰＩ￡软件操作 系统嵌入槽控机系统，并使用可编辑逻辑器件简化硬 件结构，和将标准软件功能硬件固化，采用先进的 ＣＡＮＢＵＳ网络等核心芯片嵌入系统，形成标准的 ＰＬＣ编程和标准通用接口，开发出了槽控机专用嵌入 式ＰＬＣ。嵌入式ＰＩ￡采用模块化设计，具有标准 ＰＬＣ的软件、硬件体系，支持标准的ＲＳ２３２、Ｒｓ４８５和 ＣＡＮＢＵＳ通讯，支持标准ＰＬＣ的梯形图、指令表和功 能块编程方式，能在线修改、下载程序。人机界面采 用标准工业触摸屏，采用组态化编程方式，有标准以 太网接口和ＲＳ４８５／２３２接口。 软件方面引入将部分标准软件作为软件模块固 化在系统中，如阳极升降保护、工艺操作等软件。并 将特定神经网络和遗传算法的先进控制模块引入软 件系统，使智能槽控机具有自学习和修正控制参数的 功能，根据控制要求自动优化目标控制曲线。是根据 各槽的实际情况找寻电解槽特征控制曲线和参数的 控制系统，能满足每个电解槽自有特征控制策略和方 法的控制，实现个性化寻优控制。即按电解槽固有的 个体规律找寻控制变量和工艺参数而实现的控制。 嵌入式ＰＬＣ增加可编程逻辑器件（ＰＬＤ）以实现 逻辑部分的保护。ＰＬＤ显著特点就是硬件电路“软件 化”，即它的逻辑功能按照用户对器件编程来确定。 这样就使整个硬件体系更加灵活，功能更强大，保护 功能更完善。不仅能实现硬件逻辑层面上的限时、限 幅、限位保护，而且能实现接触器粘连、接触器不吸、 升降接触器互锁、电源缺相、反序等故障的防护和脱 扣器故障监视。硬件逻辑保护和软件保护、硬件动力 回路保护组成三级保护体系，确保阳极升降安全、可 靠。 （１）标准ＰＬＣ体系：采用标准ＰＬＣ软件和硬件体 系，支持标准的ＲＳ２３２、ＲＳ４８５和ＣＡＮＢＵＳ通讯，支 下：
Ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｍ ｐｏｔｌｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏＩＩｅｒ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｒｅＩｉａｂｉＩｉｔｙ，Ｉｏｗ ｆａｉｌｕｒｅ
ｇｒｅａｔｌｙ
ｔｏｕ—
ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｒｅｐａｉｒ ｃｈ
ｓｃｒｅｅｎ
ａｓ
ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｓｔ．Ｕｓｉｎｇ ｓｔａｎｄａｒｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＰＬＣ，ｕｓｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ
２基于嵌入式ＰＬＣ结构的智能檀控机主要
结构及特点
以嵌入式ＰＬＣ结构智能槽控机为主要设备构成 的ＮＥＵＴＬ铝电解智能控制系统采用采用“局域网一 生产监控一槽控机”三级网络分布式控制结构，控制 系统由安装在电解生产现场的智能槽控机（直接控制 级）和安装在计算机站的管理机（生产监控管理级）以 及安装在电解车间的工区工作站组成。每个区内的 智能槽控机采用ＣＡＮＢＵＳ连接；每个区的ＣＡＮＢＵＳ 在车间内转为以太网并进行光电转换，通过光纤与位 于控制室的监控管理机相连接，光纤使用以太网的通 讯协议进行传输。整流所送来的系列电流信号和系 列电压信号（４—２０ｍＡ）在通讯接口箱进行转换，系列 电流信号转换为频率信号通过电流总线送到各槽控 机，系列电压由嵌入式ＰＬＣ采集后通过ＣＡＮＢＵＳ通 讯接入上位机。系统框图如图１所示。 智能槽控机在外观上采用壁挂式，分左右两个独 立箱体，左边为动力箱体，右边为逻辑箱体。动力箱 体主要由主电源开关、控制开关、交流接触器、槽压 表、动力检测ＰＬＣ模块、控制按钮等部分组成。 控制箱体是槽控机的控制核心，主要由２个嵌入 式ＰＬＣ模块、人机界面（触摸屏）组成。２个嵌入式 ＰＬＣ模块之间通过ＲＳ４８５通讯，ＰＬＣ模块与触摸屏 之间通过ＲＳ２３２通讯，ＰＬＣ模块与上位机通过ＣＡＮ— ＢＵＳ通讯。智能槽控机结构如图２所示。 嵌入式ＰＬＣ结构智能槽控机主要技术特点如
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
１＃试验槽
１．８２ １．８８ ２．２２
２＃试验槽
２．８４ １．５６ ２．７
３＃试验槽
２．６８ ２．２４ ２．２４
４＃试验槽
１．５８ ３．０２ ２．７２
５＃试验槽
２．１４
２０１１．８．７
２０１１．１２。７
２．６７ ２．８２
试验定型后正式投入新疆某铝厂４００ｋＡ系列运 行。该项目一个系列共１６８台电解槽，分４个工区， 自２０１２年初投入正式运行。运行后，嵌入式ＰＬＣ结 构智能槽控机软件、硬件稳定、可靠，保证了电解槽的 安全稳定运行，减少了维修费用和运行成本。电解工 经过简单介绍和培训即可适应并熟悉这种具有友好 的人机界面，采用可视化图形操作界面的新型智能槽 控机的操作。新型智能槽控机的优点也改变了生产 管理的方式，电解工通过触摸屏及时查看完整的电解 槽信息，并能现场查询实时和历史曲线，现场查询和 修改参数（修改需权限），有异常情况及时处理，真正 做到的了独立分布式控制，充分发挥了电解工的主动 性。改变了以前“大板式”槽控机过分依赖上位机，电 解工对电解槽槽况了解太少，一旦槽控机与上位机通 讯异常，槽控机只能维持当前控制参数不变，且不能 及时了解详细的槽况信息，延误时机造成槽子恶化。 当发生异常时，智能槽控机直接显示异常情况的详细 信息，并通过分析直接显示异常原因和处理方法，指 示相关人员快速处理，实现真正的智能化。 经过两年多的运行情况看，嵌入式ＰＬＣ结构智 能槽控机运行效果良好，取得良好的经济技术指标， 在氧化铝浓度控制、直流电耗、电流效率和效应系数 等关键指标均达到了当前先进水平。故障率大大降 低，平均故障停机检修率低于ｏ．０２次／台・年，仅为 “大板式”槽控机平均故障率的５％左右。ＮＥＵＴＬ铝 电解智能控制系统已通过标准连接方式与母线接地 检测系统，以及ＬＥＤ显示系统互联，实现了资源共
ｒｎａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｃａＩｌ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ
ｄｉｓｔ曲ｕｔｅｄ
ｃｏｎｔｒＯｌ ａｎｄ ｉｎｔｅｌｌ遮ｅｎｔ ｃｏｎｔｒ０１．Ｃａｎ ｗｅｌｌ ａｄａｐｔ
ｔｏ
ｔｈｅ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ，ｆｉｎｅ ｃｏｎｔｍｌ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｌｌａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒ０１．
持。一１０Ⅵ）Ｃ和４—２０ｍｍ）Ｃ标准信号接人，支持标
准的梯形图和组态化编程方式。 （２）可靠性高；嵌入式ＰＬＣ软件平台成熟、稳定、 可靠。硬件为标准ＰＬＣ结构，满足ＣＥ标准，防干扰 能力强、可靠性高、故障率低，为免维护设计。 （３）在线编程：嵌入式ＰＬＣ采用梯形图、功能块
和语言编程，能在线编程和下载程序，可方便响应用
Ｋｅｙ
ｗｏｒ凼：Ａｕｔｏｍａｉｔ ｃｏｎｔｍｌ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＳｙｓｔｅｍＰＩ￡Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｏｔｌｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
０
引言
槽控机是铝电解槽自动控制系统的主体部分，是
用数码管加指示灯显示方式和由１０多个按键（各厂 家有差异）组成的操作板的输入方式，显示和输入内 容简单，运行时过分依赖上位机，不能做到真正独立 的分布式控制。软件、硬件体系均为各自开发，不易 与第三方设备或系统相连接，不具备可扩展性，不易 与管控一体化系统相兼容。 虽然槽控机从２０世纪８０年代初的Ｚ８０单板机 时代发展至今，国内槽控机厂家进行了不断的创新， 也取得了很大的进步。软件方面从原来的简单的定 时下料控制到目前的基于模糊控制和智能控制的自 适应控制，取得了很大成就，达到了世界先进水平。 但硬件方面从单 板机到多个板通过并行连接到今天的多ＣＰＵ结 构，始终摆脱不了“大板式”结构，所以上述问题一直 存在。结构性的先天不足造成了槽控机的发展瓶颈， 难以适应铝电解技术电解槽大型化、控制精细化和管 控一体化的发展方向。为更好解决当前问题，我们研