李万国
中国铝业连城分公司 甘肃 兰州730335
摘要：铝电解多功能机组是大型预焙阳极铝电解生产的关键设备,承担着电解槽打壳、捞渣、更换阳极、下料、抬母线、出铝、计量等作业任务，由于电解作业是在高温、多粉尘、多腐蚀性气体、强磁场等极为恶劣的环境下进行，电解铝企业一直以来努力拓展、改进多功能机组的的性能，提高多功能机组的高可靠性、高运转率，最大限度地满足电解生产的需要，减轻操作工人劳动强度，提高生产效率。本文介绍了我公司500KA电解多功能机组在性能拓展和性能改进两方面，结合实际进行分析研究后的优化应用，通过性能优化，极大的提高了多功能机组的效率。
关键词：铝电解多功能机组，拓展，改进，性能，分析研究，优化应用
1.现状
1.1我公司500KA电解系列是沈阳铝镁设计研究院推出的新一代大型预焙阳极电解槽型，是当时国内系列电流最大的铝电解生产系列，是第一个量产系列，在很多方面都是全新的尝试。虽然多功能机组能完成电解槽打壳、捞渣、更换阳极、下料、抬母线、出铝、计量等作业任务，但还存在阳极测高采用人工划线来确认换级高度，人为操作因素过大；出铝仍然采用人工出铝，误差较大；驾驶室触摸屏在设计之初仅对接近开关等开关量进行了检测，对于PLC系统故障及接触器粘连都故障都没有做到有效的监控；没有装设智能绝缘在线监测系统等问题，严重制约了电解系列的科学管理、高效平稳生产。
1.2多功能机组是电解生产的关键设备, 多功能机组的正常平稳运行，直接影响电解生产质量和效率。为了提高多功能机组的检修维护质量，提高运转率，自2014年开始，我公司建立了多功能机组故障数据库，借助故障统计大数据分析，其中主要存在以下问题：CPU程序频繁丢失，故障次数多 ；通讯故障高，且故障不易查找处理，停机时间长 ；强磁场干扰造成PLC电源频繁烧毁、I/0模块烧毁。由于功空压机控制采用传统的继电器控制，控制线路复杂，元器件多，造成电气控制故障多，排查处理难度大。拖令系统滑车、清理铲升降易脱落。
2.性能分析研究及优化应用：
2.1拓展优化
随着阳极测高、精准出铝等技术的日益成熟，为了提高多功能机组性能，更好的满足生产需求，近几年来，组织工程技术人员，对多功能机组性能拓展方面进行专项分析研究，并逐步进行以下几方面拓展优化。
2.1.1众所周知，多功能机组在更换阳极时新极在槽内安装的高度是否符合工艺要求直接关系到电解槽的正常生产。我公司500KA系列投产之初采用人工划线来确认换级高度，人为操作因素过大，一旦标位不准，过高或过低都会使阳极电流分布不均匀，造成电解槽针振摆动，最终导致病槽，为了提高换极作业精度，降低人为因素带来的生产波动，结合实际安装自动阳极测高装置。
在阳极测高换极作业流程中，系统应在电解铝车间多功能天车的配合下，测量及定位机构测量并记录阳极的实时位置，自动计算新极装入位置值，同时系统控制阳极扭拔夹具自动下降到该位置，核心控制单元由控制软件发出相应的操作指令并显示阳极实时位置，利用自动化设备的高精准性，来避免人为误差的出现。
技术指标
适于阳极数量：双极；
测高传感方式：无接触激光束反射开关；
阳极测高精度：±3mm；最大测量行程：2900mm；
数据传输方式：有线/无线。
系统组成
整个系统由CPU、无接触激光束反射传感器（简称测头）、触摸屏、DP模块、电动滑台、伺服控制系统、温控系统、编码器、中文大屏幕显示(选配)、遥控器（选配）。
阳极测高系统与机组换极机构联控，阳极测高系统控制单元机箱输出4路开关量干节点到小车PLC，控制天车2个扭拔的慢行、慢停限位；能够对行车阳极升降机构控制单元发出停止下降信号，阳极停止下降信号输入到多功能机组配电室PLC输入模块，PLC输出信号控制阳极停止下降。
阳极测高系统控制单元机箱另输出1路开关量信号到小车PLC，控制天车供气，用于柜体降温。
阳极测高装置安装后，大大提高换极效率，提高精准率。划线误差不超过2MM，保证了每一块阳极保持在同一水平面上，使阳极电流分布均匀，槽况平稳。
2.1.2500KA电解出铝系统原设计使用人工出铝。为能较大程度消除人工出铝带来的出铝误差，同时为电解工艺管理人员提供了实时出铝数据，简化了出铝工的操作流程，提高自动化程度，精确控制出铝量控，降低现场工作人员的劳动强度，需安装一款适合工况的精准出铝系统。
经过深入生产现场，与出铝操作人员、车间生产管理人员进行了设备安装、使用、运维管理、故障维修、出铝精度等情况进行了详细的了解，并对正在进行的出铝过程、精度控制、设备运行状况进行了现场验证。同时对电解生产组织、设备管理、工艺控制等方面进行了详细的了解。设计安装一款精准出铝系统，此系统采用集中管理、采用地面风驱动出铝、分布式控制的开放架构设计。利用公用互联网资源和移动智能终端开发平台，结合现场使用工艺和电解车间工业生产现场环境，按最新技术平台设计的工业自动化系统。与出铝计划任务偏差≤20kg达到90%以上，系统方案（如图1）：
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功能简介：
实现电解铝生产系统出铝数据（计划量、实出量、时间、日期、槽号、包号等）自动获取和上传；
自动控制单槽出铝量；
出铝工可以一键式出铝操作，不影响风压和出铝时间；
出铝数据自动传输和纠错；
实现槽号自动识别；
实现包号自动识别；
实现自动生成出铝作业报表/图表/曲线；
建立单槽技术台账；
实现后台数据查询与展现；
具备标准后台服务器数据接口；
主要设备配置
在电解车间，每两台电解槽安装一台地面风控制箱、天车上安装出铝控制器、显示屏幕、槽号FRID识别系统、车间墙面上安装槽号识FRID别卡。每区域两端安装出铝车选择控制箱；
信息的显示、出铝设备的控制、称重数据的采集采用无线传输，后台数据利用运营商的3G/4G网络采用云存储、处理方案；辅助于智能终端、PC终端进行管理和应用。
车上的设备控制结构简单，硬件比较少；地面风控设备每两台槽一个，互为备用充分，也可同时使用。称重系统校准，使用手机app即可完成，操作简单，维修及备件成本较低。操作简单，吸出工只需进行启动操作，达到控制要求，自动断风。现场出铝工反映系统故障率较低，系统性能稳定。
实现效果对比：
人工出铝与自动出铝对比，人工出铝由于人工操作开关风，存在很大的不确定性，基本误差波动很大，自动控制开关风后，排查一些异常因素，波动很小。
精准出铝自动控制误差正态分布，开始测试试验一个月，自动控制误差80%集中在±30Kg以内。随着操作的不断熟练和规范，误差将进一步缩小。
铝水平、计划出铝量对比8043#~8056#槽，2018年3月和7月数据对比，从曲线可以看出，采用精准出铝系统之后，铝水平、和计划出铝量更加平稳，波动明显减少（如下图2、图3）。
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2.1.3多功能机组为防止电解槽直流电上窜造成人身及设备安全事故。在多个部位安装绝缘（如大车-工具车，工具车-打壳机构等）来有效防止电解作业中将直流电导入天车。由于电解厂房粉尘及杂物较多，且多功能机组绝缘点设置较多，粉尘及杂物（如铁丝等）都会造成天车绝缘失效，增加安全风险。为保证天车在运行过程中始终保持绝缘良好状态，需增加一款绝缘检测装置对各部分间的绝缘情况进行实时监视和测试，并将检测结果第一时间反应到驾驶室上。
功能简述
对电压达到690VDC或690VAC（频率40到400Hz）的（IT-DC或IT-AC分布式网络）浮地系统进行绝缘监视和测量；测量过程、测量路数和测量时间，报警和故障极限可通过绝缘监视器上的面板和按键进行设置和显示，设置完成后系统将自动开始测试过程；
可调节测试值范围为10～3000KΩ；
具有故障和报警复位外部端子输入（2个）；
两个常开/常闭信号输出，可以作为故障或报警输出；
8个继电器可切换和选择外部8路的绝缘测试；
8个数字输入与继电器驱动的接触器输入作为反馈信号输入；
外部辅助电压为100～230VAC输入，频率为50Hz或60Hz
主要技术指标
电源电压：110～220VAC，50或60Hz；
输入：电阻性负载；
输出：无源触点输出，250V/2A；检测电压交流110V整流后的直流电压155V；
功率：50W
测量值显示范围：0~3000KΩ
测量精度：2%
安装后的绝缘检测仪保证与PLC进行实时通讯，第一时间将各个测量回路的继电器状态反映给PLC，并有PLC将结果反馈到驾驶室中，让天车操作人员第一时间了解到天车的绝缘情况，并报修处理。降低了安全风险的同时，也可有效减少了检修人员多次用兆欧表测量绝缘的次数。
2.1.4500KA多功能机组驾驶室触摸屏在设计之初仅对接近开关等开关量进行了检测，对于PLC系统故障及接触器粘连都故障都没有做到有效的监控。同时使用2711-T10C15/F目前已停产，目前已逐步退出市场，且编程软件panelbuild32无法安装于WIN7以上系统（包含WIN7），已不适用于新笔记本配置，造成维修困难。
通过调研对比分析，触摸屏升级优化改进为2711P-T12C4D8触摸屏，工程人员采用PanelView Plus和VerseView CE操作员数据界面，能够使应用项目的开发、使用与维护更高效。同时为满足原设计Controlnet网络的使用，降低改造成本，在触摸屏背板处添加RN15S通讯卡，重新进行网络搭建及组态，保证触摸屏可以正常路由寻址至CPU模块。同时此触摸屏电源改为24V供电，由于多功能机组为绝缘天车，驾驶室没有可靠接地点，24V 的电源供电，对于检修人员和天车驾驶人员使用触摸屏提供更加安全的保护。
同时改写程序，将PLC系统中每一个模块的故障状态标签编译绘制在触摸屏里，方便检修人员在驾驶室里快速判断出每一个模块的好坏。并添加接触器粘连信号的故障查询，在接触器有粘连现象时第一时间切断主接触器，并将故障信号反馈至驾驶室触摸屏上。
2.2改进优化
通过对多功能机组2015、2016年故障频次统计分析，主要故障集中在PLC系统占25%、空压机占20%、电缆拖令系统10%、抓斗系统10%，组织工程技术人员，抓住主要典型故障进行分析研究，针对以下几方面进行改进优化。
2.2.1PLC工控系统改进
500KA多功能机组PLC由于强磁环境，经常性的造成CPU 程序丢失，多年来一直影响天车的正常使用。经过分析研究，选用以ControlLogix为核心的 1756-L71控制器，它适用于顺序、过程、安全、传动以及批处理控制应用的任意组合。1756-L71优化为在以太网/IP或SERCOS接口上控制高性能运动驱动器，支持多达100个轴;更快的双核定制CPU提高了控制器扫描时间;将CIP连接从250增加到500;未连接的缓冲区默认值现在从10增加到20(最多40);1756-L71提供“双数据速率”(DDR)背板通信;存储系统使用可移动安全数字存储卡(SDRAM);能量存储模块(ESM)。由原先的ROM存储器改为使用全数字存储卡(SDRAM)和能量存储模块(ESM)双存储，同时升级软件为ControlLogixV20以上版本，优化数据扫描时间，提高硬件匹配度，增加安全检测扫描。经过优化改造后近1年多的运行，彻底解决了频繁程序丢失问题。
500KA通讯系统使用ControlNet的控制网。作为一种现代的开放网络，通讯采用当今流行的生产者/消费者模式,该模式采用多信道广播式,定点传送，属于预定性信息，每个信号对应一个单独的地址，占一个网络节点，网络所有节点同步,信息吞吐量大,速度快,网络效率高;因此控制网具有高速,高度确定和可重复性的网络,特别适用于对时间苛刻要求的复杂应用场合的信息传输，但是Controlnet网络中的节点数目是有限制的，最高不能超过99个，节点数超过限制会发生不可预测的故障，未超过但是过多会影响网速，造成网络迟滞。同时对时间没有苛刻要求的信息，数据在发送时不允许牺牲控制数据和I/O数据，抗干扰性较差。
生产作业中工具车及驾驶室动作频繁，长期会造成同轴电缆内部折断，使用高柔性通讯线替代同轴电缆，避免通讯线在拖令系统中经常性动作造成折断，延长通讯线的使用寿命。
同时通讯连接使用的分接器在未连接物理设备时会在网络上造成噪声干扰，在天车长期行走及打壳振动过程中，针脚晃动影响通讯效果，将分接器外移固定至电气卡轨上，并定期使用RSNetWorx对网络进行组态优化及管理，充分利用“生产者/消费者“模式具有的信息传递优越性，定义网络上设备的数据信息，便于设备之间的相互通信，提供深层次浏览，对网络时需规划和宽带计算，同时通过添加EDS文件更加容易的实现对新型设备的支持，真正实现多设备之间的兼容和互操性，实现无缝连接。
电解厂房磁场干扰是不可消除的，这种干扰既有恒定的直流磁场干扰，还有多功能运行切割直流磁场产生的脉动干扰。电解厂房强大的电流，会在周围产生很强的磁场，这个强磁场会使控制系统中的磁敏感器件失灵，最常见的磁敏感设备是彩色CRT显示器。在磁场的作用下，显示器屏幕上的图象会发生抖动、图象颜色会失真，导致显示质量严重降低，甚至无法使用。PLC系统电子元器件较多，为减少磁场干扰，屏蔽是一个十分有效的措施。但要注意的是，低频磁场屏蔽与与射频屏蔽是完全不同的，射频屏蔽可以用铍铜复合材料、银、锡或铝等材料，但这些材料对磁场没有任何屏蔽作用。只有高导磁率的铁磁合金能屏蔽磁场。根据电磁屏蔽的基本原理低频磁场由于其频率低，趋肤效应很小，吸收损耗很小，并且由于其波阻抗很低，反射损耗也很小，因此单纯靠吸收和反射很难获得需要的屏蔽效能。对这种低频磁场，要通过使用高导磁率材料提供磁旁路来实现屏蔽，由于屏蔽材料的导磁率很高，因此为磁场提供了一条磁阻很低的通路，因此空间的磁场会集中在屏蔽材料中，从而使敏感器件免受磁场干扰。从这个机理上看，显然屏蔽体分流的磁场分量越多，则屏蔽效能越高。根据这个原理，我们可以用电路的的计算方法来计算磁屏蔽效果。
磁阻的计算公式
磁阻 = S / （m A）式中：
S = 磁路长度
m = m 0 m r
m r = 屏蔽材料的相对磁导率
A = 磁通流过的面积
设计一款隔离柜，防护等级IP65，将PLC全部装入隔离柜内。隔离柜要求具有良好的屏蔽消磁作用，主要消除脉动干扰，同时还要有良好的密封，有效避免灰尘进入PLC。
因此配电箱的磁阻为Rs = p b /（ m 0 m r 2t L）
从中可以看出，屏蔽材料的导磁率越高、越厚，则屏蔽效能越高。另外，b越小，屏蔽效能越高，这意味着，屏蔽体距离所保护的空间越近，则效果越好。同厚度的材料的频率特性也不一样，较厚的材料磁导率随频率下降更快一些。
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2.2.2空压机系统改进
500KA多功能机组作业时所使用的风动力是通过机组外配滑空压机产生的。在生产使用过程中，发现此空压机的冷却系统在夏季高温时油冷却器散热能力不足。冷却器散热区间在10°C左右，而夏季高温时厂房环境温度最高达到65°C，空压机正常运行时温度约在70°C左右，机组温度传感器的报警温度为110°C，导致机组散热器散热后温度任高于报警温度，造成夏季常出现高温报警停机。只有散热温度降20°C左右才能满足高温期生产。借鉴英格索兰空压机冷却系统的设计，增大冷却器散热面积、增大风叶直径，增强冷却效果。
原风叶直径为600mm， 改造后增大至800mm，
原冷却器截面积为0.36 m2，改造后增大至0.448 m2。
通过风量公式Q=VF计算，在风速不变的情况下，风量增大1.33倍，截面积增大0.088 m2。按照原有冷却器散热区间计算，改造后散热温度区间在22°C左右。在实践测试中散热区间在19°C，达到预期改造的目的。
多功能机组所使用的空压机在电气控制上采用中间继电器、时间延时阻尼头等常规电气元件进行控制。因为电解厂房存在粉尘大、强磁场、高温等恶劣环境，空压机的工作环境较差。各种继电器因触点进灰、温度过高等原因故障率较高，其在运行过程中的稳定程度和可靠性直接关系到生产效率及安全性。
从实际运行来看,常规继电器电气控制系统,电气设备老化,线路混乱,仪表系统连锁复杂,设备管理复杂困难、技术要求较高,故障处理用时长。为了保证空压机系统安全稳定运行,通过对比分析，拟采用PLC控制系统,充分利用可编程控制器能适应各种恶劣现场条件,安装维护方便,现场抗干扰能力强,提供多种稳定可靠的通讯模式的特点,能极大提高系统的可靠性、稳定性和信息化,完全可以满足现场使用要求。
通过研究空压机的硬件架构,分析空压机控制系统的控制对象、控制过程和控制要求,通过对控制需求的剖析,确定控制系统应实现的所有功能和控制指标。在上述研究的基础上,使用西门子公司的S7-200可编程控制器系统,设计控制系统的硬件结构；根据系统设计的要求用相应的编程语言进行程序设计；在现场集成测试之前,通过仿真办法建立现场对象的形式化模型,然后在此仿真环境中对编制的自控程序进行校验和测试,发现并更正绝大多数设计错误,并对控制代码进行完备的测试。通过设计PLC空压机控制系统的硬件平台和编写控制代码与仿真测试程序,我们可以看到PLC控制器在系统可靠性、易维护、信息化等方面的优势所在。温度和压力信号对风控系统安全可靠运行起到关键作用，温度过高，会影响系统，有可能导致机头损害，而压力的迅速建立，保证空压机的运行效率。改造中使用脉冲触发沿指令对温度和压力信号进行采集，保证其快速准确的进行压力和温度信号的监测。利用PTM本身AB型罗克韦尔PLC，设计程序加装继电器，通过驾驶室进行远程启停控制。
2.2.3电缆拖令改进
多功能机组电缆拖令原设计使用C型轨道 70×70 δ=4及内嵌式滑车滑车 SBC-36G，存在的主要问题有：内嵌式滑车车轮轴承非防尘式轴承；内嵌式滑车轴承不易检查；轴承卡阻易造成C型轨连接处拔开，导致拖缆中电缆损伤及断裂。通过计算预用10#工字钢代替，10#每根标准6M，重68KG，一根工字钢由2个连接座焊接。所选用滑车为外挂式，易于检查，同时轮子用聚胺醋浇筑到轴承上，起到很好的防尘作用，增加使用寿命。
6m 10#工字钢承载能力计算：
截面积Wx=493,A=14.3 m2,设许用值σ=157MPa，
抵抗弯矩M=Wx×σ=7.69KN.m
抵抗集中载荷：F=4M/L=4×7.69/6=5.12t
通过计算10#工字钢的承载能力完全能达到滑车所承载的电缆重量，故改造能达到预期的标准。
2.2.4抓斗改进
抓斗是钢丝绳连接，在使用过程中晃动导致行走导向轮经常跳出槽，造成抓斗总成卡死，影响正常换极作业。通过现场分析讨论、实测，将导向轮内外轮毂加大，加大导向轮与滑轨的接触面，解决了导向轮经常跳出槽的问题，故障率直线的下降。
通过对多功能机组性能的改进优化，12台多功能机组由期初每月故障200次，下降至平均90次以下，故障降低50%以上，极大的提高了多功能机组的运行效率（如图4）。
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结束语：
通过以上两方面多功能机组的性能优化，提高了多高能机组的综合性能、高可靠性和高运转率，降低了劳动强度，极大提高了生产效率，今后还要不断在实践中努力探索研究，进一步提高多功能机组的性能，为电解平稳高效生产提供了强有力的设备保障。
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