電解鋁生產全過程監控系統開發與應用

傅開偉，王 勇，唐榮海，田應甫

（中電投重慶天泰鋁業公司有限公司，重慶 九龍坡 400328）

電解鋁生產全過程監控系統開發與應用

傅開偉，王 勇，唐榮海，田應甫

（中電投重慶天泰鋁業公司有限公司，重慶 九龍坡 400328）

介紹了鋁電解生產全過程系統的構成與功能。通過應用該系統，大大提升電解鋁廠生產管理水平，形成了較為規范的全新的電解鋁生產全過程控制管理模式。

電解鋁廠；全過程控制；管理模式

0 前言

中國的電解鋁生產從20世紀50年代起，經過60余年的發展，技術得到了長足的進步，大型預焙陽極電解槽設計和生產技術達到了世界先進水平。但是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，管理困難，操作人員勞動強度大，效率較低。

基于電解鋁行業自動化系統的現狀，天泰鋁業公司在二期建設過程中，借鑒電力行業和國際先進電解鋁生產自動化監控系統成功運行經驗，應用中國電力投資集團公司與國電南瑞科技股份有限公司等單位合作完成的“電解鋁廠生產全過程控制技術研究及系統開發”的研究成果，實現信息化與工業化融合，提高電解鋁廠自動控制水平和生產管理水平，從根本上解決了電解鋁生產過程缺乏集中監控的弊端，形成了較為規范的全新的電解鋁生產全過程控制管理模式。

1 電解鋁廠生產全過程控制技術的任務

電解鋁廠生產全過程綜合監控系統是電解鋁廠電解整流、電解槽控、煙氣凈化、空壓站的運行與監測中心和調度控制中心，負責電解槽電能、氧化鋁、壓縮空氣的供應與傳輸監控，電解槽下料間隔、設定電壓、效應等待的調整，能源計量與能耗分析。建立起電解鋁廠“生產運行、設備監測、安全保障、能耗管理”體系，對保障變電整流和電解槽安全性和可靠性具有重要意義和客觀要求。

2 系統的構成

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、分層分布的電解鋁生產綜合自動化。系統采用單元結構，分為設備層、監控層二層構架（見圖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。

（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。

為了防止系統數據傳輸的干擾，設備層子系統獨立組網，與其他子系統物理隔離。監控層采用開放式、雙機雙網絡分層分布式結構，保障系統安全穩定的運行。

圖1 系統構架

3 系統的總體功能

天泰鋁業公司綜合自動化系統按照“生產過程自動化、設備在線監測和壽命管理、生產安全保障、以及能耗測量和節能管理”功能體系進行規劃和實施，實現設備的“可監視、可控制、可展示、可維護、可互動、可管理”等功能。其中生產運行自動化包括以下幾個方面。

3.1 生產過程自動化與控制

設計合理的網絡構架，優化生產網與信息網的運行效率與穩定，在網絡安全可靠的前提下，綜合自動化系統將整流所自動化、電解槽控、廠用電、智能直流電源、視頻監控、設備狀態檢測、鋁電解槽三維數據可視化及多維分析內容、以及系統自動防護、事故預測與告警、培訓仿真體系等融為一體，建立信息共享與關聯，實行生產過程控制，信息監測、展示與分析。

生產過程自動化與控制系統的建設圍繞電解和整流兩個核心展開，建設范圍覆蓋電解系列變電整理及操控系統、以及各生產子系統。

3.2 設備在線監測和壽命管理

在電解鋁廠中，需要對重要設備如整流變、GIS開關站、蓄電池、電解槽、煙氣凈化、空壓機等加強管理，并將其納入在線設備監測和壽命管理的范疇。設備的非正常停運或突發性事故，往往造成很大的經濟損失和人員傷亡，對鋁廠重要設備進行狀態監測可以避免原有預防性維修體系的局限性，系統通過建設完善的設備在線監測、智能蓄電池維護等，對設備相關信息量進行采集、統計、分析，實現設備在線監測和壽命管理功能，實現設備安全、穩定運行。

3.3 生產安全保障體系

提高生產運行的安全性與可靠性是綜合自動化系統的基本要求，系統不僅需要對生產設備提供監視、控制及管理功能，還需要以生產運行設備為對象，提供全面可靠的安全保障措施。生產安全保障體系統包括運行系統自動防護體系、事故前預測與告警體系、事故的追述和反演體系、運行操作的培訓仿真四大體系，通過正常操作冗錯、采集數據冗錯、綜自系統自身冗錯的三層冗錯手段和核心控制技術，實現系統的安全防護導向機制和能力。

3.3.1 運行系統自動防護體系

電解鋁的生產過程涉及諸多專業方向，綜合自動化系統將各專業融合在統一平臺上運用。自動防護體系使生產設備具有自動防護功能，通過設立自動化系統的安全防護等級，有效地避免運行檢修人員在日常各類操作中可能出現或者存在的不當行為，通過運用自動化系統自身的安全防護措施，有效防范由于運行檢修人員的技術能力不足進行運行維護工作的失誤。

3.3.2 事故預測與告警體系

（1）對事故前的預測和告警。根據故障類別層層推理，結合故障類型結構樹最終查找出將要有異常的設備或隱患。

（2）電解鋁智能告警系統。綜合處理告警信息，對異常信息預警，避免事故的發生和擴大；事故發生時保證準確、快速處理異常事故，提高監控人員工作效率。

（3）事故的追溯和反演體系。根據事故中出現的狀況事后模擬反演，幫助用戶更快更準確地分析出事故原因，為事故進行迅速、正確的處理積累經驗。

3.3.3 電解槽三維展示與多維數據分析

在傳統監控中，電解槽采用二維框圖或者符號來模擬，其功能和直觀性都有很大的局限性。電解槽虛擬樣機利用計算機仿真技術來實現虛擬裝置的功能。系統采用虛擬樣機、虛擬儀器技術，將電解槽按照物理特性分別生成虛擬設備，再利用組件技術層層包裝，最后形成整個虛擬裝置。

電解鋁廠生產全過程控制系統在三維監控和設備巡視人機界面上，在實時顯示電解槽工藝參數的同時，綜合采用虛擬現實、分布式通信等先進技術，實現設備三維交互式虛擬場景系統，形象地反映電解槽的正常、異常、事故狀態及其動作過程（如打殼、下料、極距等），且可以進行虛擬操作，提高系統的真實感、現場感。

3.4 能耗測量和節能管理系統

量化的、可度量的能量測量是能耗管理的基礎。通過系統布局和監測點設置，全面掌握生產過程能量損耗的每個具體環節。從而掌握電解鋁各系列、各時間段、各工區間、各槽間能量和產量的關系，以及各輔助系統及重要能源設備的用能情況。能耗測量和節能管理系統包含能耗監測、能耗分析與計算。各生產車間可根據能耗測量和節能管理系統中的能耗比較，使生產更合理，能耗更節省，為增加電解鋁的收益起到促進作用。

4 技術指標

4.1 電解鋁生產過程控制系統技術指標

（1）系統可集成但不僅限于以下子系統：供電整流系統、電解槽控系統、視頻監控系統、空壓站系統、煙氣凈化系統等等；（2）支持主流廠家的軟、硬件平臺；（3）具有強大的顯示統計功能和圖形組態功能，可以顯示各子系統的實時動態圖形；（4）監控管理功能，包括：數據庫管理、權限管理、報警等；（5）豐富的軟件接口，支持目前所有流行的通訊規約，如OPC、Modbus、IEC-104、IEC-101；（6）可靠的網絡傳輸，集控層監控網采用雙以太網布局，支持100/1000M速率傳輸。

4.2 系統總體技術指標

（1）系統規模：可處理數據點容量：≥20萬點；同時登錄用戶數：150；歷史數據保存時間：≥1年；畫面容量：不小于5000幅，支持大屏幕滿分辨率顯示。

（2）系統可用性：系統可利用率：≥99.99%；冗余服務器切換時間：≤30s；局域網絡切換時間：≤ 2s ；雙網發生切換時，實時數據中斷≤ 20s，不丟失任何歷史數據。

（3）系統可靠性：系統平均無故障工作時間：≥ 45000h ；系統平均修復時間：≤ lh ；局域網絡故障恢復時間：≤ 20s ；數據傳輸比特差錯率：光纖信道≤10～9，數字通道≤10～6。

（4）設備負載指標：服務器CPU負載：≤30%（5min平均值）；工作站CPU負載：≤30%（1min平均值）；局域網負載：≤20%。

5 系統的效果和意義

系統的建設以實現集中監控為核心，進而優化生產管理、保障生產安全及提升能源效率，推動電解鋁行業可持續健康發展。目前，天泰鋁業公司采用本系統進行技術升級并成功投運，在電解鋁行業樹立了良好的標桿示范作用。

建立了鋁電一體化整體解決方案。以生產過程自動化為核心，自頂向下構建了完整的系統架構和有效的應用解決方案。天泰公司綜自項目通過對170kA系列和300kA系列電解生產的重要監控信息進行充分融合，實現了一二期兩個系列變電整流、電解槽控、煙氣凈化、空壓站、廠區安防、生產調度的集中控制，各生產環節和流程間重要信息充分進行共享與關聯、分類與展示、互動與分析，為能效、物料、生產的全過程管控及生產和財務指標的優化提供了整體的解決方案。

完善了設備監測管理機制。變壓器、GIS、蓄電池、電解槽等設備已納入在線狀態監測和全壽命管理體系，并通過電解工區無線網絡數據傳輸、電解槽況紅外巡檢測溫分析等技術的研究驗證，充分發揮了視頻系統在生產領域的監視督導功能，實現了設備狀態的動態展示、分析處理、統計優化與發布，以及系統的靈活調度、故障診斷與推理等，提升全廠的運行維護水平，提高生產工作效率。

健全了生產安全保障體系。通過故障樹指導分析、PID冗錯和閉環控制的應用，運行維護人員可以直接獲得故障根源，自動分析目前設備的運行情況，除有效地進行電流控制和有載開關的調節外，還可自動切除故障機組，避免機組帶病工作，為運行維護帶來了真正意義上的便捷，提高安全生產可靠性和勞動效率。

通過完善設備監測管理機制、健全生產安全保障體系實現電解整流綜合自動化，可以最大限度地提高供電質量，適時調控電解工藝參數，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。2004～2012年期間，天泰鋁業公司因綜合監控不完善導致的系列平均每年全停電約2次3h，故障搶修壓負荷30kA運行8h。假設采用綜合自動化后，此類事故次數大大減少，設備在發生故障前隱患即可被發現，生產設備可以做到不停機不壓負荷，每年170kA系列可減少停電損失300萬元、壓負荷損失45萬元，300kA系列每年可減少停電損失320萬元、壓負荷損失50萬元，公司每年可減少損失約700萬元。

實現了生產管理模式創新。通過細化監測點設置以及優化運行管理責權，使得生產、運行與管理的結合更加緊密，實現變故障檢修為狀態檢修、變人工巡檢為自動故障保修。同時，變運維分離為運行一體，提高了勞動生產率。

綜合自動化系統建設后，天泰鋁業公司將一二期整流控制、槽控、煙氣凈化、空壓站等合為一體，并兼具廠區安防、生產調度等功能，對綜合控制系統的運行組織結構進行重新規劃和設計，取消動力車間，增設調度控制中心，調度控制中心配置綜自運維人員55人，和傳統意義上分散控制需要的運維人數96人比較，減少運行維護人員約41人。

（編輯：楊毅）

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TF821，F273

A

1005-4898(2014)04-0052-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.04.13

傅開偉（1971-），男，重慶萬州人，研究生，工程師，主要從事鋁業、電力企業管理工作。

2014-05-10