1 引言
大型預(yù)焙鋁電解槽自動控制機(jī)（簡稱槽控機(jī)）是鋁電解〔1〕生產(chǎn)過程控制的核心設(shè)備。槽控機(jī)基于單片機(jī)〔2〕8051的實(shí)時(shí)在線控制器。其輸入通道有：采集電解槽的槽電壓（u）和槽電流（i），接收觸摸開關(guān)板的各種工藝操作手動信號，接收各種檢測信號；其輸出通道有：保持電解槽能量平衡的陽極升降信號，保持電解槽物料平衡的打殼和下料信號，效應(yīng)燈和效應(yīng)報(bào)警信號。槽控機(jī)通過智能模糊控制軟件完成對生產(chǎn)工藝的各種控制功能。其陽極升降過程的安全可靠性[3>是電解生產(chǎn)的重中之重，是鋁冶煉生產(chǎn)過程中的重大危險(xiǎn)源。一旦陽極升降系統(tǒng)失控，就會出現(xiàn)電解槽壓槽和拔槽事故。特別是拔槽事故造成系列電流為幾百千安培（目前最大350 KA）的陰極和陽極脫開斷路，致使出現(xiàn)單臺或多臺電解槽劇烈爆炸事故，嚴(yán)重的將會造成整個(gè)電解系列停產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)損失將會十分慘重。
2 影響槽控機(jī)可靠性因素分析
系統(tǒng)的可靠性應(yīng)從硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行分析，在滿足系統(tǒng)各項(xiàng)控制功能的同時(shí)，對系統(tǒng)自身運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種干擾信號及來自系統(tǒng)外部的干擾信號進(jìn)行有效抑制，對陽極升降系統(tǒng)作到有效保護(hù)，從而達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作的目的。
中鋁青海分公司大型預(yù)焙電解槽于1987年12月投產(chǎn)，在提高槽控機(jī)可靠性方面，作了大量的研究、探索、改進(jìn)工作，并逐漸優(yōu)化，大大提高了槽控系統(tǒng)的可靠性。在可靠性的提高方面，采用軟件保護(hù)技術(shù)、硬件保護(hù)技術(shù)、軟硬件結(jié)合的保護(hù)技術(shù)、抗干擾技術(shù)。在控制系統(tǒng)中，首先使用軟件保護(hù)，如限定自動升降陽極時(shí)槽工作電壓（或槽電阻）的范圍在3.8v～4.5v，系列電流的范圍在正常設(shè)定值上下20％，軟件計(jì)時(shí)等。當(dāng)軟件保護(hù)失效時(shí)，系統(tǒng)自動啟動硬件保護(hù)。一般來說，軟件保護(hù)更精確，但相對脆弱，而硬件保護(hù)可靠性更高。有的保護(hù)采用軟硬件相結(jié)合的保護(hù)，如監(jiān)視定時(shí)器技術(shù)（Watchdog）。
3 提高槽控機(jī)系統(tǒng)可靠性的思想
提高槽控機(jī)系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)思路從以下幾個(gè)方面進(jìn)行論述。
3.1 主接觸器防粘連及接觸器互鎖設(shè)計(jì)
主接觸器防粘連電路中共設(shè)計(jì)了四個(gè)接觸器，如圖1所示。其中3KM、4KM叫正反轉(zhuǎn)接觸器，它們的常閉觸點(diǎn)串連后，再與1KM的常開觸點(diǎn)并連，接入1KM、2KM的線圈回路。其作用是，正反轉(zhuǎn)接觸器中只要有一個(gè)發(fā)生粘連，1KM、2KM都不能閉合，用以降低事故概率，這叫做防止粘連電路。正反轉(zhuǎn)接觸器3KM和4KM的常閉觸點(diǎn)，與其線圈交叉串連，用以防止同時(shí)閉合短路事故發(fā)生。
圖1 主接觸器防粘連示意圖
軟件方面：提升電機(jī)得電的條件必須有三個(gè)接觸器（1km、2km、3km或4km）同時(shí)吸合。當(dāng)提升機(jī)斷電時(shí)，軟件發(fā)出命令，斷開三個(gè)接觸器的線包電源，一旦三個(gè)接觸器有一個(gè)主結(jié)點(diǎn)粘連，其它兩個(gè)接觸器主結(jié)點(diǎn)粘連也能斷開，即設(shè)計(jì)確保提升機(jī)安全斷電；另一方面，控制程序通過檢測回路實(shí)時(shí)檢測接觸器是否有粘連情況，發(fā)現(xiàn)之后立即產(chǎn)生故障信息，同時(shí)禁止自動陽極升降動作。
接觸器互鎖：升降互鎖的目的是防止升接觸器和降接觸器同時(shí)閉合，避免相間短路。升降互鎖分電路互鎖和命令互鎖。命令互鎖原理如圖2，在升和降中，只要有一個(gè)控制口有輸出，另外一個(gè)口就被封閉。電器升降互鎖是升接觸器和降接觸器的線包與對方的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)，只要升接觸器和降接觸器吸合，另一個(gè)接觸器的線包由于對方的常閉觸點(diǎn)斷開而不能得電。
圖2 接觸器互鎖示意圖
3.2 交流口電路設(shè)計(jì)、升降動作定時(shí)器
交流口的作用是防止程序走錯(cuò)后的誤操作，其設(shè)計(jì)原理如圖3所示。
在程序正常運(yùn)行過程中進(jìn)行陽極要升降操作，由程序控制使微處理器的一個(gè)輸出口輸出方波信號，該方波信號被送到隔直流通交流電路，被通過的交流成分輸出到整流濾波電路，經(jīng)過整流濾波得到一個(gè)交流口狀態(tài)的高低電平信號，使直流控制電路有直流電源輸出，交流控制電路被導(dǎo)通，使升降得以進(jìn)行。假如程序走亂，上述的方波便消失，交流控制電路的電源被切斷，升降被禁止。
圖3 交流口及定時(shí)器示意圖
升降動作定時(shí)器(參見圖3)是獨(dú)立于CPU之外專門設(shè)置的定時(shí)器。當(dāng)陽極升降開始以后，由檢測電路來的脈沖信號送到計(jì)數(shù)電路進(jìn)行計(jì)數(shù)；同時(shí)該脈沖送整流濾波電路，經(jīng)過線與電路，控制計(jì)數(shù)電路的復(fù)位，使復(fù)位計(jì)數(shù)器不起作用，于是，計(jì)數(shù)電路開始計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器超時(shí)時(shí)，產(chǎn)生輸出信號，CPU接收后，立即停止陽極升降動作。定時(shí)時(shí)間的長短由跳線選定，1-32秒之間可以調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)設(shè)定為8秒。
定時(shí)器的復(fù)位：定時(shí)器處在超時(shí)狀態(tài)時(shí)，由于計(jì)數(shù)器狀態(tài)不會自動復(fù)位，必須由外部信號使它復(fù)位。這種外部信號可由CPU的某一輸出腳來產(chǎn)生，CPU接收到槽控機(jī)操作面板上由操作人員輸入的復(fù)位請示信號后，使可操作計(jì)數(shù)器復(fù)位。
定時(shí)器的測試：定時(shí)器輸入的脈沖信號來自提升機(jī)接觸器（1Km，2Km）吸合操作，人工測試定時(shí)器就可按下接觸器來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)按下接觸器時(shí)（1Km，2Km），檢測電路上的發(fā)光管首先點(diǎn)亮，接著計(jì)數(shù)電路上的發(fā)光管開始閃爍，閃爍到規(guī)定次數(shù)時(shí)，超時(shí)指示發(fā)光管被點(diǎn)亮，釋放接觸器，超時(shí)指示發(fā)光管保持點(diǎn)亮狀態(tài)(這種狀態(tài)叫做定時(shí)器超時(shí))，說明定時(shí)器工作正常。其實(shí)，槽控機(jī)投入運(yùn)行后，每小時(shí)做一次自診斷，其中就包括定時(shí)器的檢測。
3.3 跳主閘電路
在主回路中AIR1是帶脫扣器的空氣開關(guān)，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。若按鈕粘連導(dǎo)致陽極提升或下降不能停止時(shí)，按下緊急跳閘按鈕，可切斷動力電源（如圖4所示）。
軟件方面，控制程序以毫秒級的速度對檢測信號進(jìn)行掃描，一旦發(fā)現(xiàn)有陽極升降動作，而CPU沒有發(fā)出陽極升降動作命令，則認(rèn)為該次升降動作屬干擾引起，立即發(fā)出跳主閘命令，切斷動力電源，保護(hù)升降系統(tǒng)（如圖4所示）。
ACCOM
圖4 跳主閘電路圖
3.4 監(jiān)視定時(shí)器（Watchdog）
監(jiān)視定時(shí)器X25045與CPU的連接：作用是監(jiān)視電源WATCH DOG，內(nèi)含EEPROM，容量 2K字節(jié)，用于保存控制參數(shù)，和CPU串行傳送。該芯片有片選CS信號，復(fù)位信號，時(shí)鐘SCK、寫保護(hù)輸入信號、串行輸入輸出數(shù)據(jù)信號。
圖5 監(jiān)視定時(shí)器電路圖
采用監(jiān)視定時(shí)器技術(shù)，一旦程序跑非，系統(tǒng)立即會被監(jiān)視定時(shí)器復(fù)位掉，重頭重新啟動系統(tǒng)，從而退出不正常的運(yùn)行狀態(tài)且保證系統(tǒng)的可重入性，使用X25045中EEPROM的歷史數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)自行的操作不因重新起動而改變，保證系統(tǒng)的連續(xù)性和順序性，最終保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。
3.5 抗干擾及其措施
在槽控機(jī)控制系統(tǒng)中運(yùn)用了一系列的抗干擾措施：
（1）用隔離變壓器為槽控機(jī)主回路的控制電源進(jìn)行一級隔離；
（2）Ac380V/Ac220V隔離變壓器將已經(jīng)經(jīng)過Ac380V/Ac380V隔離變壓器隔離過的交
Ac380V進(jìn)行二級隔離,并變壓為所需要的交流Ac220V，供低壓電器控制回路使用。另一路Ac220V在經(jīng)過Ac220V/Ac9V控制變壓器變成Ac9V作為槽控機(jī)電路板工作電源之一。
（3）在執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了RC吸收回路。
（4）過程通道的設(shè)計(jì)中采用光電耦合隔離、通訊雙絞線傳輸屏蔽、信號的長線電流傳輸、
信號傳輸?shù)淖杩蛊ヅ涞却胧?/P>
（5）印刷電路板中采用集成電路的去藕電容配置以消除對印刷電路板集成電路的雜波干
擾。
4 結(jié)束語
以上討論了最重要最基本的幾種槽控機(jī)可靠性設(shè)計(jì)思想。實(shí)際運(yùn)行證明，系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)經(jīng)受了強(qiáng)大電磁干擾、工頻信號干擾等復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境的考驗(yàn)，特別是陽極升降的可靠性，得到了大幅的提高，為電解生產(chǎn)的安全平穩(wěn)運(yùn)行提供了有力的保障。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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