淺析過壓保護(hù)技術(shù)在智能模糊控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

雷曉東

（中鋁蘭州分公司 電解二廠，甘肅 蘭州730060）

槽控機(jī)是鋁電解槽自控系統(tǒng)的主體部分，我們應(yīng)用最新的現(xiàn)場(chǎng)總線及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)開發(fā)的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)式（全分布式）智能槽控機(jī)可以滿足現(xiàn)代化電解鋁生產(chǎn)自控的需求。槽控機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為多CPU智能分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。在低電壓下，電解質(zhì)層很薄，電解槽變得十分敏感，原來所使用的第一代YFC-99型槽控機(jī)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的控制要求，我們現(xiàn)在大多都引進(jìn)了AIC-Ⅱ槽控機(jī)，它采用了當(dāng)前主流的ARM系列控制芯片，相對(duì)于C51系列來說，它集成了更多的外設(shè)功能模塊，運(yùn)算速度高，非常適合低電壓下精確控制的要求。但由于現(xiàn)階段原來的槽控機(jī)的安全保護(hù)只能依靠上下限位來進(jìn)行。而現(xiàn)在的電解槽非常敏感，發(fā)生效應(yīng)時(shí)電壓波動(dòng)比較大，一個(gè)小的陽(yáng)極操作都會(huì)產(chǎn)生較大的電壓波動(dòng)，陽(yáng)極操作不易控制，特別是誤操作時(shí)非常容易發(fā)生不安全事故。因此我們通過對(duì)槽控機(jī)硬件電路的改進(jìn)能加強(qiáng)槽控機(jī)對(duì)電壓過高或者過低時(shí)的保護(hù)，使它達(dá)到一定的要求。

1 槽控機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

目前我們所使用或?qū)⒁脑焓褂玫南到y(tǒng)是YFC-99型鋁電解槽智能模糊控制系統(tǒng)，是“槽控機(jī)-上位機(jī)”的兩級(jí)分布式控制方案，并采用CAN通信協(xié)議構(gòu)成。每臺(tái)電解槽配備一臺(tái)槽控機(jī)作為直接控制級(jí)，它具備獨(dú)立進(jìn)行槽電壓和系列電流采樣的能力，并對(duì)電解槽的物料和熱平衡的快速變化過程實(shí)時(shí)監(jiān)控。這種全分布式智能槽控機(jī)為壁掛式結(jié)構(gòu)，左右機(jī)箱分別為動(dòng)力箱、邏輯箱。

1.1 YFC-99型槽控機(jī)，可獨(dú)立對(duì)電解槽進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，所以該控制系統(tǒng)叫分布式的控制系統(tǒng)。下位機(jī)分為動(dòng)力機(jī)箱和邏輯機(jī)箱兩部分，動(dòng)力機(jī)箱是槽控機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)槽控機(jī)的各種現(xiàn)場(chǎng)正常操作。邏輯機(jī)箱是槽控機(jī)的核心部分，主要功能如下：

（1）在線同步采集槽電壓、系列電流；接受并處理與人工作業(yè)工序相關(guān)的各種手動(dòng)信號(hào)。

（2）實(shí)時(shí)地解析槽況的變化趨勢(shì)；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、下料過程的電阻變化異常、極距調(diào)節(jié)過程的電阻變化異常等）的預(yù)報(bào)、報(bào)警和自處理。

（3）由模糊控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)下料速率的調(diào)節(jié)，和對(duì)正常槽電阻的控制。

（4）對(duì)換陽(yáng)極、出鋁、抬母線及邊加工等進(jìn)行監(jiān)控。

（5）提供多種可供選擇的下料控制模式與電壓控制模式。

（6）在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下能通過通訊接口與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。

（7）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。

1.2 動(dòng)力箱內(nèi)動(dòng)力單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)其主要器件及用途

信號(hào)采集板的主要作用是：（A）檢測(cè)接觸器的通斷狀態(tài)，以及吸收接觸器線包斷電時(shí)的感應(yīng)電壓。（B）提供一個(gè)純手動(dòng)／自動(dòng)切換開關(guān)：在特殊情況下將其置于純手動(dòng)，可使動(dòng)力箱操作面板上的5個(gè)操作按鈕生效（參見“操作面板簡(jiǎn)介”）。（C）定時(shí)器，手動(dòng)升降超過設(shè)定時(shí)間，切斷提升電機(jī)。（D）當(dāng)有特殊情況時(shí)，按箱外緊急跳閘按鈕達(dá)到斷開設(shè)備電的目的。（E）雙路保險(xiǎn)管盒：其作用是接通和斷開電解槽槽電壓和槽控機(jī)的連接，在進(jìn)行槽控機(jī)維護(hù)時(shí)可斷開槽電壓。

2 信號(hào)檢測(cè)板在槽控機(jī)系統(tǒng)中的工作原理分析

信號(hào)檢測(cè)板：在陽(yáng)極升降中接觸器是否閉合，升降結(jié)束后接觸器是否斷開，升降開始啟動(dòng)定時(shí)器，發(fā)現(xiàn)三相電缺相后能否立即切斷提升機(jī)電源，這些都是非常重要的問題。信號(hào)檢測(cè)板就是為解決這些問題而設(shè)置的。如圖1所示。

當(dāng)升降開始，1KM或2KM閉合時(shí)，從B相經(jīng)過1KM輔助觸點(diǎn)、光耦N1原邊及D1，再到C相構(gòu)成回路。其中光耦的發(fā)光管流過半周，D1流過半周，故光耦次邊輸出的是50Hz的脈沖。此脈沖就是送往硬件定時(shí)器作為計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)用的。同時(shí)也是判斷1KM是否閉合的信號(hào)。同樣，當(dāng)3KM或4KM閉合時(shí)，光耦N2、N3也會(huì)輸出脈沖，分別表示它們各自的通斷。不過，這路脈沖不是送往硬定時(shí)器，而是分別送往操作板CPU的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1和T0。程序不斷讀取T1、T0的數(shù)值是否變化，用確定3KM、4KM的通斷。注意，這里三個(gè)光耦接于三相動(dòng)力電的不同相之間，升降中任何一相不通，就會(huì)感知缺少接觸器閉合信號(hào)，出現(xiàn)升降異常，立即令切斷提升電機(jī)電源，也就是說，它間接地檢測(cè)到缺相發(fā)生。

圖1 信號(hào)檢測(cè)板原理圖

3 現(xiàn)階段存在的問題及解決方法

3.1 現(xiàn)階段存在的問題

原來的槽控機(jī)的安全保護(hù)只能依靠上下限位來進(jìn)行。而現(xiàn)在的電解槽非常敏感，發(fā)生效應(yīng)時(shí)電壓波動(dòng)比較大，一個(gè)小的陽(yáng)極操作都會(huì)產(chǎn)生較大的電壓波動(dòng)，陽(yáng)極操作不易控制，特別是誤操作時(shí)非常容易發(fā)生不安全事故。

3.2 解決方法

通過對(duì)電路原圖的分析，我們準(zhǔn)備在現(xiàn)有電路板的基礎(chǔ)上對(duì)槽控機(jī)的硬件電路進(jìn)行一些改動(dòng)，使其能夠在槽電壓在過高時(shí)禁止槽控機(jī)進(jìn)行手動(dòng)或者自動(dòng)的陽(yáng)極升動(dòng)作，電壓過低時(shí)禁止槽控機(jī)進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)的陽(yáng)極降動(dòng)作。

首先，我們?nèi)∠娐分行?yīng)報(bào)警器部分的小型繼電器，將效應(yīng)報(bào)警改為總線模式，總線模式的報(bào)警器相比前更為可靠。在電路板增加芯片和器件,設(shè)計(jì)電壓保護(hù)電路，增加的主要器件有ULN2004, PC817，LM393，JHC-5F/A。最后我們將電路板上兩個(gè)二極管DN1和DN2去掉，再次進(jìn)行調(diào)試，電壓保護(hù)有效而且可靠準(zhǔn)確。經(jīng)過改動(dòng)后的電路板只要電壓保護(hù)的電壓上下限值設(shè)定好以后，當(dāng)超過電壓上限時(shí)，無論是手動(dòng)還是自動(dòng)都無法進(jìn)行陽(yáng)極升動(dòng)作；當(dāng)超過電壓下限時(shí)，無論是手動(dòng)還是自動(dòng)都無法進(jìn)行陽(yáng)極降動(dòng)作。但是在特殊情況下，根據(jù)電解生產(chǎn)的需要，又需要在電壓值高于我們?cè)O(shè)定的常規(guī)電壓上限值時(shí)有升陽(yáng)極動(dòng)作（如剛啟動(dòng)的電解槽有時(shí)需要高電壓運(yùn)行），電壓值低于我們?cè)O(shè)定的常規(guī)電壓下限值時(shí)有陽(yáng)極降動(dòng)作（如大修后的電解槽需要測(cè)試陽(yáng)極升降是否正常）。于是我們?cè)陔娐钒迳蟽蓚€(gè)二極管DN1和DN2的位置焊接跳線插頭，當(dāng)確實(shí)需要在高電壓升陽(yáng)極時(shí)，可以在DN2的位置增加跳線，使JH部分的超小型極化繼電器被短路，無控制陽(yáng)升信號(hào)發(fā)出，使高電壓保護(hù)電路失效。當(dāng)確實(shí)需要在低電壓降陽(yáng)極時(shí)，可以在DN1的位置增加跳線，使JL部分的超小型極化繼電器被短路，無控制陽(yáng)降信號(hào)發(fā)出，使低電壓保護(hù)電路失效。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)現(xiàn)有電路進(jìn)行改動(dòng)，使電壓保護(hù)電路發(fā)揮了應(yīng)有的作用，并創(chuàng)造性的增加了操作的可行性。在很大程度上保證了電解生產(chǎn)安全，防止了不當(dāng)操作引起的電解槽運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象，更主要的是防止了電解槽不安全事故的發(fā)生，避免了因電解槽不安全事故造成的極大損失經(jīng)濟(jì)損失，產(chǎn)生了無形的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］中南大學(xué),長(zhǎng)沙業(yè)翔科技發(fā)展有限公司.鋁電解智能模糊控制系統(tǒng):產(chǎn)品用戶手冊(cè)[S].

［2］電力半導(dǎo)體元件與變流器手冊(cè)[S].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.