铝电解槽控机可靠性探讨0924.docx

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铝电解槽控机可靠性探讨0924

预焙铝电解槽控系统安全可靠性探讨

InvestigationonthereliabilityandsecurityfortheAluminumelectrolysisproductionpot-controlsystem

黄群贤

山西华圣铝业有限公司

摘要:

本文从影响槽控系统安全可靠性的外部和内部因素进行探讨，在外部因素中详细分析了几种影响槽控机可靠性的因素，在内部因素中介绍和讨论了铝电解槽控机的几种安全保护措施的设计情况和基本原理，最后介绍了几种槽控系统抗干扰的方法，供槽控系统的同行们在维护使用中参考。

Abstract:

TheinvestigationismadefromboththeexternalandinternalfactorsaboutthereliabilityandsecurityofAluminumelectrolysisproductionpot-controlsystem.Severalexternalfactorsaffectedthereliabilityofpot-controlmachineareanalyzedindetail,andsomesecuritystrategiesaboutthealuminumelectrolysisproductionpot-controlmachinearediscussedbasedontheinternalfactors.Finally,someanti-jammingmethodforpot-controlsystemisintroducedtomakereferencetocolleagues.

关键词:

槽控系统；安全可靠性；阳极升降；信号检测板；互锁原理。

引言

在电解槽自动控制系统中，铝电解槽自动控制机（简称槽控机）发挥着重要的作用，槽控机基于单片机〔2〕8051的实时在线控制器。

其输入通道有：

采集电解槽的槽电压（u）和槽电流（i），接收触摸开关板的各种工艺操作手动信号，接收各种检测信号；其输出通道有：

保持电解槽能量平衡的阳极升降信号，保持电解槽物料平衡的打壳和下料信号，效应灯和效应报警信号。

槽控机通过控制软件完成对生产工艺的各种控制功能。

槽控系统的安全可靠性中的阳极升降过程的安全可靠性[3>是电解生产的重中之重，是铝冶炼生产过程中的重大危险源。

一旦出现“拔槽”（即把阳极提离液态电解质）则会引起爆炸等重大安全事故,一旦出现“坐槽”（即把阳极降至槽底）,则会引起高温液态电解质溢出槽外,烧毁周边设施等重大安全事故。

上述事故均可能引起人身伤亡。

这就带来一个人们所共同关注的问题，就是如何提高槽控机安全可靠性的问题。

本文着重从以下几方面论述槽控系统的安全可靠性：

Ⅰ增强槽控机对外干扰信号的抵抗能力；Ⅱ铝电解槽控机的几种安全保护措施的设计情况和基本原理﹔Ⅲ提高槽控系统抗干扰的方法。

⒈增强槽控机对外干扰信号的抵抗能力

槽控机运行的外部干扰信号主要通过供电电网、电磁空间及信号传输引起的。

槽控机内部信号输入高阻抗，数据交换频繁，芯片集成度高，极易受到外部干扰信号的影响。

下面针对几种强干扰信号进行分析。

1.1供电系统中几种强干扰信号现象分析

1.1.1电网中电压瞬时变动主要是指电网电压的瞬时下跌或停电

瞬时下跌是指电网电压在某一个瞬时因某种原因突然降低，如图1波形图（a）所示；瞬时停电是电网电压在某一瞬时完全为零，如图1波形图（b）所示。

这种现象也可能由于有载开关切合时产生的机械振动，对某些电源设备的开关产生振动影响。

（a）（b）

图1波形图

电网电压瞬时变动有电力发送一方的原因，也有接收一方的原因。

但主要原因是因为电网受雷击或雷电感应。

虽然在电力发送一方对此现象采取了特殊措施，雷电故障后马上会自动恢复供电，但时间至少需要0.1S以上，绝大多数情况下需要0.3S以上[1]。

对于接收一方的原因更多，主要是输电配电系统线路阻抗、接地线直接进入槽控机底座及配电线路的负荷问题，如大功率电机的启动电流；大型变压器励磁冲击电流；浓相用的冲击电流等。

启动运行时的冲击电流可以是正常电流的好多倍[2]。

这个电流与配电线路中的阻抗，如电缆阻抗、变压器漏感阻抗等因素配合会造成局部电网瞬时变动。

电网电压的瞬时变动对于槽控机是一种危害较大的干扰，它会直接导致设备内部电源电压的瞬时下跌，从而引进诸如：

继电器的突然释放，自保持电路突然断开，逻辑电路发生混乱，RAM区数据丢失，槽控机运行中断等，严重的可能导致槽控机失控。

例如：

中铝青海分公司电解三车间333#槽控机由于雷击致使该槽控机失控，造成该槽控机所控制的电解槽出现拔槽的重大事故。

1.1.2断开感性负载对供电线路所产生的影响

在电解厂房里生产负载主要是以感性负载为主。

由于对这些感性负荷进行操作，会产生一系列的干扰，对槽控机运行造成很大程度的危害，其原理示意图如图2（a）所示；当感性负载中电流突然中断，瞬时在电感中会产生与原来电流方向相反的电流，在电感两端形成一种反冲电压，其大小为：

Ul=L·di/dt

（a）（b）

图2感性负荷原理示意图

也就是说，Ul与电量L及电流变化率成正比关系，反冲电压的幅值可以比电源电压高好几倍。

如图2（b）所示，电源电压为DC+24V，当切断电源时，在电感两端将产生350V幅值的反冲浪涌电压[1]，如图3（a）所示，就是浪涌电压的波形电感负载成为一种强烈的干扰源。

在常规的控制系统中，采用机械式接点来控制某些电感性负载，当负载突然中断，电感内部的容量将在接点间放电，当接点间电压高于300V时，将产生辉光放电，成为强烈的噪声源，这种放电现象可以通过变压器耦合供电电网中去，对槽控机产生影响，造成槽控机自动复位，RAM区数据紊乱，元器件击毁等。

1.1.3操作过电压对槽控机运行的影响

当断路器断开小的感性负载时，小的感性电流（几安或几十安）不再在电流自然为零时熄灭，而是提前被“截断”，它是产生操作过电压的根据[2]。

如断路器在电流瞬时值为ia开断，则电感中的电流和储存在内的磁能不会突然消失，如图3（b）中回路所示，若磁能完全转化成电能，则在电路的电容上产生相当高的电压。

（a）最大浪涌电压（b）

图3回路示意图

在三相交流设备中，过电压的大小在很大程度上取决于电气设备本身的性能、磁性材料与频率相关的阻尼及电磁耦合。

通常在高压供电系统中，操作过电压的峰值可以高达工作电压峰值的8～10倍[1]，在大型供电系统应具备操作过电压保护措施。

例如：

东北某铝厂，在进行变压器耐压试验时，由于试验场地距离电解现场较近，造成槽控机内部电源器件损坏，A/D部件毁坏，严重影响了槽控机设备的安全运行。

因此，防止强电信号对槽控机运行干扰问题，应引起人们的高度重视。

以上所分析的几种强干扰现象，从供电线路上及空间磁场上，对槽控机的可靠运行构成了相当大的危害。

以下从槽控机本身进行论述。

1．2干扰信号对CPU芯片的影响

CPU芯片是整个槽控机的核心，执行命令并发出一系列的控制信号，一旦CPU芯片受到外界的干扰，整个槽控机运行将受到直接影响。

当外部干扰信号串入时，CPU芯片中INI引脚和RESET引脚有极易受到影响的可能，在TTL电路中，常常采用上拉电阻使得一些主要的控制信号在可靠的高电位，接法见图4。

这就使得干扰信号很容易从+5V电源引入，会使得：

①INI产生一个非正常的中断信号，由于CPU不能找到相应的中断服务而中止相应的程序运行。

②干扰信号从RESET端引入使得槽控机自动复位，数据区自动初始化，原始数据丢失、控制动作停止等，如果这个负脉冲达到一定时间，RAM区数据就会丢失。

这二种现象对槽控机的正常运行是非常不利的。

尽管在硬件上对防止干扰信号采取了种种措施，但由于运行环境的不同，对抗干扰的效果也不能完全一致，因此，根据槽控机本身的特点，采用相应的补救措施提高槽控机自身的抗干扰能力及槽控机系统的可靠性。

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图4高电压连接方法

2系统的安全可靠性下面从槽控系统自身即硬件设计和系统运行环境进行分析

在槽控机自身的可靠性提高方面，采用软件保护技术、硬件保护技术、软硬件结合的保护技术、抗干扰技术。

在控制系统中，首先使用软件保护，如限定自动升降阳极时槽工作电压（或槽电阻）的范围在3.8v～4.5v，系列电流的范围在正常设定值上下20％，软件计时等。

当软件保护失效时，系统自动启动硬件保护。

一般来说，软件保护更精确，但相对脆弱，而硬件保护可靠性更高。

有的保护采用软硬件相结合的保护，如监视定时器技术（Watchdog）。

现从以下几个方面进行论述提高槽控系统可靠性的设计思路。

2.1　主接触器防粘连及接触器互锁设计

主接触器防粘连电路中共设计了四个接触器，如图5所示。

其中3KM、4KM叫正反转接触器，它们的常闭触点串联后，再与1KM的常开触点并联，接入1KM、2KM的线圈回路。

其作用是，正反转接触器中只要有一个发生粘连，1KM、2KM都不能闭合，用以降低事故概率，这叫做防粘连电路。

正反转接触器3KM和4KM的常闭触点，与其线圈交叉串联，用以防止同时闭合短路事故的

发生。

图5主接触器防粘连示意图

软件方面：

提升电机得电的条件必须有三个接触器（1km、2km、3km或4km）同时吸合。

当提升机断电时，软件发出命令，断开三个接触器的线包电源，一旦三个接触器有一个主结点粘连，其它两个接触器主结点粘连也能断开，即设计确保提升机安全断电；另一方面，控制程序通过检测回路实时检测接触器是否有粘连情况，发现之后立即产生故障信息，同时禁止自动阳极升降动作。

接触器互锁：

升降互锁的目的是防止升接触器和降接触器同时闭合，避免相间短路。

升降互锁分电路互锁和命令互锁。

命令互锁原理如图6，在升和降中，只要有一个控制口有输出，另外一个口就被封闭。

电器升降互锁是升接触器和降接触器的线包与对方的常闭触点串联，只要升接触器和降接触器吸合，另一个接触器的线包由于对方的常闭触点断开而不能得电。

图6接触器互锁示意图

2.2　交流口电路设计、升降动作定时器

交流口的作用是防止程序走错后的误操作，其设计原理如图7所示。

在程序正常运行过程中进行阳极升降操作，由程序控制使微处理器的一个输出口输出方波信号，该方波信号被送到隔直流通交流电路，被通过的交流成分输出到整流滤波电路，经过整流滤波得到一个交流口状态的高低电平信号，使直流控制电路有直流电源输出，交流控制电路被导通，使升降得以进行。

假如程序走乱，上述的方波便消失，交流控制电路的电源被切断，升降被禁止。

图7交流口及定时器示意图

升降动作定时器（参见图7）是独立于CPU之外专门设置的定时器。

当阳极升降开始以后，由检测电路来的脉冲信号送到计数电路进行计数；同时该脉冲送整流滤波电路，经过线与电路，控制计数电路的复位，使复位计数器不起作用，于是，计数电路开始计数。

当计数器超时时，产生输出信号，CPU接收后，立即停止阳极升降动作。

定时时间的长短由跳线选定，1-32秒之间可以调节，本系统设定为6秒。

定时器的复位：

定时器处在超时状态时，由于计数器状态不会自动复位，必须由外部信号使它复位。

这种外部信号可由CPU的某一输出脚来产生，CPU接收到槽控机操作面板上由操作人员输入的复位请示信号后，使可操作计数器复位。

定时器的测试：

定时器输入的脉冲信号来自提升机接触器（1Km，2Km）吸合操作，人工测试定时器就可按下接触器来实现。

当按下接触器时（1Km，2Km），检测电路上的发光管首先点亮，接着计数电路上的发光管开始闪烁，闪烁到规定次数时，超时指示发光管被点亮，释放接触器，超时指示发光管保持点亮状态（这种状态叫做定时器超时），说明定时器工作正常。

其实，槽控机投入运行后，每小时做一次自诊断，其中就包括定时器的检测。

2.3跳主闸电路

在主回路中AIR1是带脱扣器的空气开关，当有特殊情况时，按箱外紧急跳闸按钮达到断开设备电的目的。

若按钮粘连导致阳极提升或下降不能停止时，按下紧急跳闸按钮，可切断动力电源（如图8所示）。

软件方面，控制程序以毫秒级的速度对检测信号进行扫描，一旦发现有阳极升降动作，而CPU没有发出阳极升降动作命令，则认为该次升降动作属干扰引起，立即发出跳主闸命令，切断动力电源，保护升降系统（如图8所示）。

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图8跳主闸电路图

2.4　监视定时器（Watchdog）（见图9）

监视定时器X25045与CPU的连接：

作用是监视电源WATCHDOG，内含EEPROM，容量2K字节，用于保存控制参数，和CPU串行传送。

该芯片有片选CS信号，复位信号，时钟SCK、写保护输入信号、串行输入输出数据信号。

图9监视定时器电路图

采用监视定时器技术，一旦程序跑飞，系统立即会被监视定时器复位掉，重头重新启动系统，从而退出不正常的运行状态且保证系统的可重入性，使用X25045中EEPROM的历史数据，使系统自行的操作不因重新起动而改变，保证系统的连续性和顺序性，最终保证系统的安全性和可靠性。

2．5过、欠保护器

通过硬件的方法，对从电解槽采样的槽电压通过比较器与预先设置的基准电压进行比较，当超出规定的范围时，输出一过欠压信号，用该信号去驱动控制空气开关跳闸线圈的继电器，当继电器动作时，空气开关动作，切断槽控机动力电源，达到过欠压状态下，禁止阳极自动升降的目的。

当需要人工手动调整阳极时，该技术中专门为其设计了屏蔽电路，屏蔽电路能够在有手动升降阳极信号时有效屏蔽过欠压信号，从而达到槽控机在手动状态下调整阳极的目的。

该电路中专门设置了过欠压范围手动调节电路，达到不同系列电流的电解槽其过欠压范围不同的要求。

其设计原理见图10

图10槽控机硬件过欠压保护器设计原理图

2．6信号检测板三项电源的检测与保护处理

　在阳极升降中接触器是否闭合,升降结束后接触器是否断开,升降开始启动定时器,发现三相电缺相后能否立即切断提升机电源,这些都是非常重要的安全问题。

交流接触器信号检测与处理就是为解决这些问题而设计的,如图11所示。

当升降开始,1KM或2KM闭合时,从B相经过1KM和2KM辅助触点、光耦N1原边及D1,再到C相构成回路。

其中光耦的发光管流过半周,D1流过半周,故光耦次边输出的是50HZ的脉冲。

此脉冲就是送往硬件定时器作为计时标准用的。

同时也是判断1KM是否闭合的信号。

同样,当3KM或4KM闭合时,光耦N2、N3也会输出脉冲,分别表示它们各自的通断。

这里三个光耦接于三相动力电的不同相之间,升降中任何一相不通,就会感知缺少接触器闭合信号,出现升降异常,立即命令切断提升电机电源,也就是说,它间接地检测到缺相发生。

图11　信号检测板原理图

3　抗干扰及其措施

在槽控机控制系统中运用了一系列的抗干扰措施，提高槽控机运行可靠性.具体的的几种方法如下：

1）取消设备接地，使槽控机悬空

在未改造的立式槽控中，接地线直接从槽控机底座进入，由于土质问题，接地电阻较大，在雷电天气，接地线接地，起不了避雷作用，较大的接地电阻反而会起引雷作用，易使立式槽控机受雷击而烧毁至失控。

已改造的悬挂式槽控机去掉接地线，经过一段时间的运行，效果良好。

2）增加光耦墙，使CPU主系统与外界完全隔离

在槽控机自动控制系统中，模拟信号与数字电路之间加一道光耦墙，使两者隔离，互不影响；选用带光电隔离的固态继电器与动力电源隔离；选用DC-DC电源，将来自电源的干扰隔离在DC-DC之前，用小型继电器来隔离进入槽控机的开关量信号，这样CPU主系统与外界完全隔离，而槽控机中模拟电路也不会受数字电路的影响。

3）设置软件陷阱

即在未使用的ROM单元或RAM单元内放置一个单字节启动[3]。

只要失控的槽控机程序进入所设置陷阱中的任意一个字节内，都将立即被捕捉，而转移到控制程序入口，恢复系统正常工作。

4）设置Watchdog电路

Watchdog电路实际上是一个CPU可复位定时器[3]，设控制程序实际运行所需的工作周期为T，每个周期开始运行控制程序时，定时器开始工作，定时器定时时间T、>T，如果系统工作正常，定时器永无输出；一旦系统工作不正常时（程序走飞或程序锁死），定时器输出一个脉冲信号，使系统CPU复位。

5）选择良好的电源装置

为槽控机控制系统选择一个具备良好的稳压、稳频及自动保护功能的电源装置，以防止外部干扰通过电源路径进入槽控机系统。

6）在硬件设计中增加如下安全措施:

（1）用隔离变压器为槽控机主回路的控制电源进行一级隔离；

（2）Ac380V/Ac220V隔离变压器将已经经过Ac380V/Ac380V隔离变压器隔离过的交Ac380V进行二级隔离,并变压为所需要的交流Ac220V，供低压电器控制回路使用。

另一路Ac220V在经过Ac220V/Ac9V控制变压器变成Ac9V作为槽控机电路板工作电源之一。

（3）在执行机构设计中采用了RC吸收回路。

（4）过程通道的设计中采用光电耦合隔离、通讯双绞线传输屏蔽、信号的长线电流传输、信号传输的阻抗匹配等措施。

（5）印刷电路板中采用集成电路的去藕电容配置以消除对印刷电路板集成电路的杂波干扰。

4结束语

通过对影响槽控机外部因素和内部因素的分析及抗干涉方法的采用，实际运行证明，系统的可靠性设计经受了强大电磁干扰、工频信号干扰等复杂的工业环境的考验，特别是阳极升降的可靠性，得到了大幅的提高，为电解生产的安全平稳运行提供了有力的保障。

参考文献

[1]诸帮田.电子线路抗干扰手册.北京科学技术出版社,1998,10

[2]周海德.微型计算机硬件软件及其应用.北京清华大学出版社,1982

[3]王和平.微机控制系统的自诊断及恢复技术.微计算机应用1993

[4]长沙业翔科技发展有限公司.铝电解智能模糊控制系统用户手册（内部资料）.2001