電解鋁廠生產全過程監控網絡架構及安全性的研究與系統實現

傅開偉 王 勇張 軍 董 雪

（1．重慶天泰鋁業有限公司，重慶 400328；2．南京控制系統有限公司，江蘇 南京 211000）

電解鋁廠生產全過程監控網絡架構及安全性的研究與系統實現

傅開偉 王 勇1張 軍 董 雪2

（1．重慶天泰鋁業有限公司，重慶 400328；2．南京控制系統有限公司，江蘇 南京 211000）

以適應現代電解鋁行業發展趨勢，電解鋁廠生產全過程監控系統正在新建項目中得到開發和應用。論文詳細論述了系統需求、網絡架構及安全性研究、分析到實現的過程和系統實現的效果。

電解鋁廠；全過程監控；網絡架構及安全性；系統實現

概述

隨著信息技術和網絡技術的迅速發展，電解鋁廠生產全過程綜合控制技術作為電解鋁冶煉必須的檢測監控手段正發生著深刻的變化。傳統意義上的電解鋁廠各生產環節自動化水平相對落后，各系統孤立運行，生產運行和維護分離管理，自動化處理能力不足，不能充分發揮設備能力，資源浪費嚴重，事故頻頻發生。自動化程度不高，大部分操作需通過人工手動進行，操作人員勞動強度大，效率較低，管理困難。因此急需建立面向對象、面向全局、開放式、分層分布的電解鋁綜合自動化系統，將電解整流、電解槽控等在正常及事故情況下的監測、保護、控制、計量、工作管理有機地融合在一起，改進變電整流供電質量和電解工藝參數，與電解建立了更密切更負責的關系。

1 生產全過程綜合監控系統的建立

圖1 綜合監控系統網絡結構圖

電解鋁廠生產全過程綜合監控系統 融合電解鋁廠電解整流、電解槽控、原料供給、煙氣凈化、空壓氣體等系統的

運行與監測，并同時作為電解鋁廠生產調度控制中心。綜合監控系統以控制對象為基礎、設備管理為保障、優化流程為目標，秉承“分級控制、集中監控”理念，進行整體設計，在滿足安全性、可靠性、實用性的基礎上，建立面向對象、面向全局、開放式、分層分布的電解鋁廠生產自動化系統。系統采用單元結構，分為設備層、監控層二層構架。

1.1 設備層：包括變電整流、電解槽控、煙氣凈化、空壓站、循環水、設備狀態監測、智能直流電源、視頻監控等，通過對現場設備狀態、作業環境、生產過程的實時監測和控制，為電解系列監控系統提供全面的生產實時過程信息和控制。

1.2 監控層：建設一體化監控平臺，全面接入上述設備層子系統，實現數據的收集匯總和信息共享，實現電解、整流的集中監控，實現各類事故預警和故障快速處理指導，實現WEB遠程管理維護等功能。

2 網絡架構及安全性研究

A按對象分層分布式組網模式

電解鋁廠生產全過程控制系統涵蓋電解鋁生產過程的全部環節，系統龐大，網絡節點眾多，必須設計合理、穩定的網絡結構。為使生產各環節子系統獨立組網，生產與檢修互不影響，生產網與信息網數據相互共享的同時網絡相對獨立。為此，需建立分層分布式的網絡構架，優化網絡的運行效率，對生產過程信息進行全面的展示與分析。

B優化雙機切換，平衡分配負荷

針對雙機主備服務系統，當服務器發生切換時，可能發生的采集數據丟失及操作的成功率進行優化。傳統的主備機大都是被動主備關系，所有服務在主機運行，備機處在熱備用，這導致主機處于長期高負荷運行，而備機卻低負荷甚至無負荷運行，主機長期高負荷運行增加故障概率。并且當真正需要切機時，所有服務切換需要更長時間，從而引起數據丟失。

C網絡數據流量統計和數據分類

圖2

電解鋁廠生產全過程控制系統網絡監控的數據點多，信息流量大，需要進行流量統計分析，同時需要對傳輸數據進行分類，不同優先級的數據用不同的傳輸頻率。數據分為秒級、分鐘級、小時級，重要設備的狀態信息通過秒級數據傳輸，一般設備的狀態信息通過分鐘級數據傳輸，運行記錄等歷史信息通過小時級數據傳輸。

D監控網絡和企業信息網的數據交互

生產自動化網絡和企業信息網常規是獨立建設，但隨著信息化技術的發展，要求自動化網和企業網進行信息交互，例如過程控制網需要讀取信息中心的化驗室數據，過程控制網的一些統計數據也應上傳給企業網，以供決策分析用。系統采用基于Web的遠程監控與數據采集模式，根據遠程端頁面動態收發實時數據，有效實現信息數據的共享。

3 系統的實現

通過以上網絡架構及安全性研究，本監控平臺采用分層、分布、模塊化設計思想，如圖2所示：

系統以IBM X3850機架式服務器為硬件平臺，通過RuggedCom交換機聯接各系統節點。服務器采用SUSE11操作系統，在保證系統安全性的同時，又不失其靈活及高效性。實時庫和歷史庫的分工配置保證了數據處理的實時、安全、高效。數據庫實時數據庫負責管理存放在內存緩沖區中的實時運行數據，以提高系統的響應速度和處理能力。原始的數據模型存于商用庫，各應用服務器上實時庫中的數據從商用庫中下裝，下裝后即可為其他客戶端提供數據訪問服務。

實時數據庫具有如下特點：

3.1 分布式結構，便于實時數據庫節點的增減。與普通商用數據庫采用集中式存儲不同，系統實時數據庫支持分布式結構，不同節點的實時數據通過同步機制實現同步刷新。這種結構使得系統具有良好的開放性，可以方便地進行節點的增減。

3.2 采用關系模型，支持SQL語言。系統的實時數據庫采用關系模型建設，因此具備支持SQL語言的能力。根據實時數據庫的特點，系統設計了一個SQL語言子集，支持常用的Select，Insert，Update等命令，并且保證了語法的統一。第三方軟件或用戶可以通過SQL語言命令，方便地對實時數據進行處理，具有良好的開放性。

歷史數據庫主要用于存儲系統模型、采樣數據、告警等需要長期保存，但讀寫頻率較低的數據。采用商用數據庫（Oracle）或開源數據庫（MySQL）存儲歷史數據，并通過一套歷史數據庫管理模塊，實現了多數據庫同步、“1+N”等高級功能，保證了歷史數據的完整與可靠。

4 效果及意義

以設備管理為保障，安全運行生產為目的，進行整體設計，在滿足安全性、可靠性、實用性的基礎上，計算機硬軟件系統或自動裝置在集控室集中監控，代替人工對電解整流的分散控制，進行集中監控、測量和運行操作，使變電整流和鋁電解運行和監控發生了巨大的變化，取得顯著的效果。

4.1 提高供電質量。電解鋁企業要求不間斷供電電源和穩定的負荷，給供電提出了更高的要求，停電或限電會導致停產或減產，停產或減產對電解鋁生產的危害都是巨大的。實現電解整流一體化集中監控，可以最大限度地提高供電質量，滿足鋁電解生產的需要，實現綜合自動化可提高供電的可靠性，并為為恢復供電、快速分析、診斷、報告事故原因提供有效的依據，減少故障次數，縮小事故范圍，縮短事故時間。

4.2 綜合自動化系統的效益還在很大程度上體現在設備管理上，通過綜自系統設備在線監測的使用可以使設備檢修的針對性更強，變故障檢修為狀態檢修，變人工巡檢為自動故障保修，每年可減少檢修費用50%，減輕維護人員的勞動強度50%，增強電力設備的免維護性，有利于提高設備的安全和健康水平，延長使用壽命。

4.3 分級控制、集中監控。集中控制系統，是提高企業整體素質的有效途徑和提高行業監控自動化的主要手段。集電解整流過程控制、操作優化、生產管理于一身，形成一個高效益、高柔性、高質量的生產指揮系統，可以有效地提高裝備水平、技術水平和管理水平，投運后可以產生巨大的經濟效益。

從長遠來看，隨著綜合自動化數字化、智能化在工廠中的應用，將設備控制信息、狀態信息及設備故障診斷等現代先進技術集成在設備維護管理中，有利于提高員工的技術水平和素質，有利于推動企業的結構調整和技術進步，促進經濟增長方式的轉變，增強市場競爭力。

[1]師黎．智能控制理論及應用[M]．北京：清華大學出版社．

[2]吳醒非，李文珍，王燕，郭大勇．電解鋁生產企業設備管理的現狀及發展趨勢[J]．冶金自動化，2004（增刊）：280-283．

[3]梁學民．現代鋁電解生產技術與管理[M]．長沙：中南大學出版社．

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