基于數字化電解鋁整流系統的工程應用

黃勇普，賴富強，張興旺

（1.廣西百色銀海鋁業有限公司，廣西 百色533000；2.廣州擎天實業有限公司，廣東 廣州510300）

1 引言

近幾年來，隨著自動控制技術、計算機技術、網絡技術以及通信技術的快速發展，電解鋁電氣控制保護技術也日趨成熟，并不斷地被推廣應用，特別是隨著國內鋁電解生產規模的日益擴大，在供電系統中應用綜合自動化技術已是必然趨勢。

廣西某公司鋁電解生產線上配套使用的電解裝置為廣州某公司自主研制的基于工業計算機的全數字化系統－ELE9000 型二極管整流器。該系統自動化程度高，自2007年投運以來運行穩定，并具有節約電能的特點。

整流機組是電解鋁系統供電的核心設備，一旦發生嚴重故障不僅直接影響電解鋁系統的正常生產，產生的直接和間接損失更是無法估計的。電解鋁的生產需耗用大量電能，節能降耗對于企業而言具有非常重要的意義。直流電流的平穩度是影響鋁電解產量的重要因素之一，因此控制系統的反應迅速、控制精度高、對陽極效應的抑制深，也是極為關鍵的。智能化、網絡化的整流設備可以方便工廠的日常維護，保證長期可靠運行。

2 整流系統的設計方案

該系統包括4 套整流機組和1 套集中控制臺。每套整流機組含整流器（ZES－43kA／860V）2臺、就地控制柜（ELE9000 型）1 套（2 柜）。4 套整流機組共用1 臺總控柜，其系統結構如圖1所示。

每臺整流器采用6 脈波全橋非完全同相逆并聯連接方式，交流側橋臂采用專利技術－一體化澆鑄型導電排。每橋臂6 只元件并聯，柜內共有72只5000A／4600V防爆型整流二極管，72 只5000A／800V 單體快速熔斷器。交流為后中下部進線，直流為頂部出線。

就地控制柜采用ELE9000 型控制系統，它以工業控制計算機為核心，可靠性好、功能豐富、自動化程度高。就地控制柜對本機組進行穩流調節，控制有載開關作電流粗調，控制飽和電抗器作電流細調，可抑制70V 以上的效應電壓。

總控柜采用PLC 和智能觸摸屏，主要完成在多機組并聯運行情況下的系統總調穩流和每個機組負荷的均勻分配，保持單機組投切時的總電流恒定，同時也可以實時觀察、記錄整流系統的各種狀態參數。

該系統有以下幾個顯著特點：

（1）它是一套完整的系統，通過現場總線，將整流系統各個部分有機的集成在一起；

（2）穩流控制柜內不采用PLC，而采用工控機作為穩流控制的核心，在保證可靠性的同時，大大提高了系統的智能化程度；

（3）交流側橋臂采用一體化澆鑄型同相逆變并聯橋臂，使橋臂的電磁振動和電氣絕緣問題得到了兼顧解決；

（4）直流側母線在整流器前后布置，有效地解決了母線間短路隱患；

（5）系統數字化、智能化

該系統的數字化不僅體現在調節器上，還體現在整流柜、整流變壓器和其它輔助設備上。整流系統的各個部分均能實現智能檢測、智能顯示、智能控制、信息智能傳輸和智能測試；

（6）CAN 總線的應用

圖1 電解鋁整流系統結構圖

CAN 總線屬于現場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通訊網絡，其最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而是對通信數據塊進行編碼，通信實時性好、速度快，硬件簡單，特別適合于工業過程監控設備的互聯。該系統采用CAN 總線對整流系統的各個部分進行控制和信息交換，使整套整流裝置成為一個完整體，既減少了大量的隔離器件、端子、柜間接線等，同時也節省了安裝、維護等費用，提高了工藝水平，實現了徹底的分散控制。

3 全數字化整流系統的技術特點及功能

3.1 雙通道冗余設計

ELE9000 控制柜由兩個工控機控制通道組成，兩控制通道之間互為熱備用、自跟蹤，出現故障時實現無擾動切換，可確保任何工況下控制系統的可靠性，防止“掉電”。

3.2 產品調試軟件化

隨機附送調試軟件，操作人員通過電腦操作對設備進行調試并存儲調試結果。控制柜需要更換板卡時，可直接將存儲的數據拷貝，而不需要重新調試，使用簡便。

3.3 故障錄波功能

設備發生故障時，工控機自動保存故障前、后10s 的整流設備數據，便于進行故障分析。

3.4 遠程診斷

設備發生故障時，經用戶許可，整流系統生成方（廣州某公司）可通過互聯網直接連接整流設備，讀取相關數據，進行故障分析，并指導現場操作人員對設備進行維護，方便快捷。

3.5 節約電能

ELE9000 系統控制器采用了先進的DSP 器件，可以實時采樣機組高壓側的電壓波形和電流波形，直接計算出本機的有功功率、無功功率和功率因數，聯鎖有載開關，便于實現節電經濟運行。

3.6 產品技術升級

目前，電解整流器的控制方式仍采用恒流控制方式，電流值的整定仍依賴于人為設定，能耗浪費較為嚴重。隨著自動化水平的提高，各種新工藝和控制技術不斷出現，屆時只需更新工控機控制器軟件即可實現產品的更新換代，滿足自動化生產的需要。

3.7 狀態檢修

ELE9000 整流系統在觸摸屏上實時顯示與整流系統相關的各種參數，包括各元件的狀態參數。通過參數比較，可及時預判可能發生的故障，提前對系統進行檢修，避免故障造成的損失。

3.8 現場總線（CAN 總線）技術

整流系統的各個部分通過現場總線進行控制和信息交換，使整流系統成為一個有機的、完整的整體，系統簡潔，可靠性高。相關人員通過局域網可隨時了解整流系統的工作狀況。通訊線采用光纜材料，安全、抗干擾。

3.9 調節器故障自診斷

通常的雙通道系統需要專門的控制通道切換器件，若該器件損壞則主通道故障時無法切換至備用通道，導致意外停機；而ELE9000 調節器雙通道間具有互相巡檢功能，故障時可自動退出故障通道并無擾動切換至備用通道。

3.10 控制系統無風扇設計

一般的穩流控制柜都必須加裝散熱風扇，以降低柜內的溫升。因此，外界的塵埃、水汽和腐蝕性氣體都會隨著空氣的流動進入柜內，并且沉積下來，造成故障隱患。ELE9000 控制柜采用了先進的器件和工藝，控制柜內發熱量極小，不需要散熱風扇，可以徹底杜絕這一問題。

3.11 先進的人機界面

就地控制柜和遠控臺均裝有彩色觸摸屏，具有顯示、操作、報警、故障追憶等功能。整流系統各部分參數在觸摸屏上完成。信息集中，操作簡便。

3.12 在線檢修

線路板安裝采用標準歐洲板卡結構，出現故障時可直接拔插更換，不需停電。更換板卡后，可通過調試軟件直接將存儲數據下載至板卡中，而后直接開機，無需重新調試。

3.13 故障保護動作和信號傳輸的組態技術

用戶可以通過軟件自行修改各種故障保護的后續動作和接點定義。這種修改在圖形化界面上完成，直觀且不易出錯，便于日常維護。

3.14 光纖通訊技術

整流系統內部的通訊采用光纖為介質。光纖具有天然的絕緣特性，它可以徹底實現整流柜和控制系統之間的電氣隔離。光纖傳輸的是光信號，在復雜電磁環境下不易受到干擾。另外，光纖還具有速度快、損耗小、距離長等優點，非常適合總線系統大量的實時數據。

4 結束語

雖然電解鋁廠的整流器電流、電壓大幅提高，各電解鋁廠供電的整流設備也基本滿足要求，有些甚至還達到了國際水平，但是整流設備負荷率高，要求無故障、少維護、技術自動化，安全可靠性永遠是首要問題。ELE9000 型二極管整流器控制器的核心PID 調節部分采用工業計算機控制，速度快、精度高、可靠性好，功能豐富。系統實現了冗余設計的先進理念，在調節器、控制電流整流橋、調節器供電電源、反饋信號和通訊系統都實現了冗余設計，從根本上保證了可靠性。

［1］黃 強，周東泳，李拓等.基于以太網的控制器網絡的嵌入式網關開發［J］.電子技術應用，2007，1：33－35.

［2］王兆安.電力電子設備設計和應用手冊［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［3］何則濟.240kA 電解鋁系統的電氣控制與保護［J］.電氣時代，2006，10：64－67.