Система автоматизации процесса производства алюминия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Система автоматизации процесса производства алюминия

Представлена система автоматизации ТРОЛЛЬ, внедренная на Саянском алюминиевом заводе.

Большое внимание уделено техническим аспектам применения контроллеров MicroPC в крупном проекте автоматизации. Проект был реализован фирмой ТоксСофт в течение 1996-1997 годов.

Рис. 1 Панорама Саянского алюминиевого завода

Особенности поставленной задачи

Задача автоматизации состоит в разработке, изготовлении и внедрении оборудования и программного обеспечения для управления процессом производства алюминия электрохимическим способом. Производство алюминия является многоступенчатым процессом, включающим в себя производство сырья, получение алюминия электролизом криолитолиноземого расплава и литье заготовок для дальнейшей переработки.

Нас интересует производство алюминия в процессе электролиза. Электролиз алюминия происходит в специальной ванне, называемой электролизёром (примерные размеры от 3Ч6Ч2 до 5Ч12Ч4 м). В каждом корпусе алюминиевого завода в среднем находится 80_100 ванн, включенных последовательно в цепь постоянного тока. На Саянском алюминиевом заводе (СаАЗ), стояла задача автоматизировать два корпуса, в каждом из которых находится 98 электролизёров.

Рис. 2 Общий вид объекта автоматизации. Цех электролиза

С точки зрения автоматизации, электролизёр представляет собой объект, с которого снимается информация о его состоянии и выдаются сигналы для управления оборудованием, установленным на нем. Анализируемая информация включает в себя текущее напряжение на ванне (обычно 4_5 В, доходит до 80 В) и силу тока (порядка 172000 А). Учитывая, что все 196 электролизёров включены последовательно, достаточно измерять ток в одном месте. Совокупность соединенных последовательно электролизёров часто называют серией.

Конструктивно электролизёр (рис. 3) представляет собой ванну электролиза с неподвижным катодом 1 и подвижным анодом 2, приводимым в движение двумя электродвигателями 3 трехфазного тока мощностью 3 кВт. Кроме того, на электролизёрах установлены системы автоматического питания глинозёмом (АПГ). Система АПГ предназначена для подачи сырья (глинозема) в область электролиза. Подача осуществляется парами «пробойник + дозатор». При срабатывании пробойник 4 пробивает корку 6 над жидким электролитом 7 и дозатор, установленный в нижней части бункера с глиноземом 5, засыпает в ванну фиксированное количество (38 кг) сырья. Таким образом, управление режимом работы электролизёра осуществляется следующими двумя путями.

1. Изменение положения анода, то есть его высоты над расплавленным алюминием 8. Это так называемое межполюсное расстояние (МПР) влияет на сопротивление электролита.

Рис. 3. Так устроен электролизёр, применяемый в производстве алюминия

2. Изменение интервала между подачами доз глинозема (обычно порядка 2-3 минут), что, в свою очередь, влияет на концентрацию глинозема в электролите.

Основной задачей системы является расчет и поддержание оптимальных значений этих параметров. Для управления электролизёром рядом с ним устанавливается блок управления (БУ), который измеряет напряжение ванны, получает значение текущего тока и управляет двигателями привода анода и пневматическими клапанами включения пробойников и дозаторов. В современных системах один блок управляет двумя электролизёрами. Главной отличительной особенностью системы автоматизации электролиза алюминия является наличие множества однотипных объектов управления. В рассматриваемой системе наличие 196 электролизёров привело к необходимости изготовить ровно 100 блоков управления. Количество блоков управления даже в рамках одного проекта приближается к серийному, и соответственно возрастают требования к цене, надежности и удобству эксплуатации. Кроме того, к системе предъявляется ряд особых требований, связанных с условиями её эксплуатации, а именно:

наличие сильного постоянного магнитного поля (БУ работает в непосредственной близости от проводника тока на 100_300 кА);

работа в широком температурном диапазоне (на сибирских заводах, к которым относится СаАЗ, диапазон рабочих температур БУ составляет от - 40 до +55°C);

отсутствие возможности заземления - каждая ванна фактически «висит в воздухе», и напряжение между ванной и землей доходит до 800.

Здесь 1 неподвижный катод; 2 подвижный анод; 3 электродвигатель; 4 пробойник; 5 дозатор; 6 корка; 7 электролит; 8 расплавленный алюминий 900 В при возможном токе до сотен тысяч А;

Рис. 4. Структурная схема АСУ ТП электролизного цеха

наличие в воздухе мелкодисперсной пыли, содержащей глинозем и фтористые соли, а также газообразного фтороводорода (фтор является одним из самых активных окислителей);

сильные электромагнитные помехи, вызванные работой оборудования цеха (краны, напольная техника и т. п.).

Структурная схема АСУ ТП

Общая структурная схема системы ТРОЛЛЬ приведена на рис. 4.

Основным элементом системы являются блоки управления (БУ) электролизёром. Каждый блок управляет двумя ваннами, кроме БУ, установленных у торцов корпусов, каждый из которых управляет одной ванной. Соответственно, в каждом корпусе на 98 ванн (1 и 2 корпуса электролизного цеха) установлено по 50 БУ. Все блоки объединены в единую сеть корпуса электролиза. В эту же сеть включены компьютер верхнего уровня (АРМ оператора корпуса) и контроллер тока/напряжения серии (КТНС). АРМ операторов корпусов соединены по сети Ethernet с АРМ технолога.

Блоки управления ТРОЛЛЬ производятся на заводе СПУ (Санкт-Петербург).

При проектировании блока и выборе комплектующих учитывались многие типичные для России неисправности. Например, кнопки ручного управления и пускатели двигателей не имеют движущихся частей, что исключает их залипание от попадания влаги или грязи. Реализована, разумеется, и многоуровневая программная защита от различных аппаратных сбоев.

Простота и удобство обслуживания обеспечиваются модульной конструкцией на разъёмах, что делает возможным быструю замену отдельных блоков.

БУ ТРОЛЛЬ установлены в корпусе электролиза рядом с электролизёрами.

Размеры блока составляют 1600х600х400 мм (высота/ширина/глубина). Внешний вид блока управления системы ТРОЛЛЬ приведен на рис. 5.

В нижней части блока находятся силовые модули управления двигателями привода анодной рамы, а также клеменные колодки, к которым подключается оборудование электролизёра и подводится питание БУ. На дверце нижней части расположены автоматы расцепители питания двигателей. В верхней части блока (рис. 5) находится контроллер MicroPC фирмы Octagon вместе с модулями оптической развязки фирмы Grayhill.

Рис. 5. Внешний вид блока управления системы ТРОЛЛЬ

Рис. 6. Верхний отсек блока управления ТРОЛЛЬ с открытой дверцей

Все входы и выходы блока управления имеют гальваническую развязку. В верхней же части находятся модули термостатирования БУ, в том числе нагреватели и вентиляторы, обеспечивающие постоянную положительную температуру внутри блока. На дверце верхней части расположена панель индикации и управления блоком, состоящая из двух светодиодных дисплеев индикации параметров работы электролизёров, совмещенных с мембранными клавиатурами управления электролизёрами. Посередине расположена мембранная клавиатура выбора режима индикации. Панель, управляемая отдельным микроконтроллером, позволяет:

отображать до 64 различных параметров работы электролизёров и блока управления;

задавать уставочные значения параметров управления электролизёрами;

осуществлять переключение между ручным, автоматическим и специальными режимами управления;

управлять в ручном режиме двигателями анода и системами автоматической подачи глинозема.

Следует отметить, что все сигналы ручного управления проходят через контроллер MicroPC. Надежность канала (клавиатура контроллер MicroPC модули опторазвязки оборудование) не уступает применяемым обычно для этого релейным схемам, при этом контроллер «знает» о ручных воздействиях, протоколирует их и учитывает при дальнейшем автоматическом управлении, а также может ограничивать или запрещать их при определенных условиях, исправляя грубые ошибки персонала. Над панелью размещены лампы индикации 3_фазного напряжения двигателей и аварийной сигнализации. В состав контроллера блока управления входят (рис. 7) процессорная плата 5025A (процессор - i386SX_25 МГц; оперативная память - 1 Мбайт; энергонезависимая память - 512 кбайт; флэшдиск - 512 кбайт; операционная система - ROM_DOS 6.22), две платы ввода\вывода 5648 и сетевая плата Arcnet 5560.

Контроллер получает сигналы с 2 аналоговых и 25 дискретных входов и управляет 22 дискретными выходами (все входы/выходы с оптической развязкой 1,5-4 кВ).

Рис. 7. Структурная схема контроллера блока управления ТРОЛЛЬ. Показаны сигналы для одного из двух обслуживаемых блоком электролизёров

Дополнительно может быть установлено до 14 аналоговых входов, 34 дискретных входов и 6 дискретных выходов. Следует отметить, что характеристики контроллера на порядок превосходят аналогичные параметры других систем, где типичный контроллер имеет быстродействие 16_разрядного процессора с тактовой частотой 10_16 МГц при памяти в 16_64 кбайт. Избыточная же мощность контроллера MicroPC позволила реализовать некоторые алгоритмы, принципиально невозможные в других системах. Блоки поставляются с оригинальным программным обеспечением, соответствующим реальному оборудованию завода (оперативная доработка базового ПО в соответствии с ТЗ заказчика). Программное обеспечение контроллера является открытым. Добавление новых или изменение существующих алгоритмов возможно не только при поставке специалистами АО ТоксСофт, но и заводскими программистами в процессе эксплуатации. Разработанные для системы алгоритмы были проверены и отработаны на Саянском алюминиевом заводе в течение двух лет. В процессе отработки не было ни одного сбоя в работе алгоритмов и была подтверждена эффективность их работы с различными типами электролизёров.

Контроллер тока и напряжения серии (КТНС)

Контроллер тока и напряжения серии установлен на Кремниевой Преобразующей Подстанции (КПП) серии. Конструктивно КТНС представляет собой шкаф в исполнении IP54, в котором установлен контроллер MicroPC фирмы Octagon и аналоговые модули ввода.

На вводы подаются токовые сигналы с датчиков тока серии и напряжения корпусов. КТНС включен в единую локальную сеть с БУ корпуса.

Рис. 8. Программа АРМ оператора корпуса в режиме просмотра всех ванн в корпусе

Технологическая сеть Arcnet

БУ объединены в общую для каждого корпуса сеть Arcnet. Сеть реализована по совмещенной схеме «звезда» и «шина». В каждом корпусе стоит концентратор, к которому оптоволоконным кабелем подключены 8 групп БУ. В тех БУ, к которым подходит оптический кабель, установлены трансиверы, преобразующие оптический сигнал в сигнал для коаксиального кабеля. Шина между блоками внутри группы реализована на коаксиальном кабеле с оптоволоконными перемычками. Такое решение архитектуры сети обеспечивает минимизацию возможных гальванических связей по сетевому кабелю. Коаксиальным кабелем, по которому может возникнуть гальваническая связь, соединены блоки, работающие не более чем с 6 последовательными аннами, падение напряжения на которых не превышает обычно 30 В;

гальваническую изоляцию помещений операторов серии и КПП от потенциала серии;

достижение значительной суммарной протяженности сетевых линий (длина корпуса составляет порядка 700 м) при длине коаксиальных сегментов не более 100 - 120 м, что обеспечивает устойчивую работу сети Arcnet.

К этому же концентратору оптоволоконным кабелем подключены АРМ оператора корпуса и контроллер тока/напряжения серии. При этом в КТНС установлены четыре сетевые платы, благодаря чему один КТНС включен в две независимые сети корпусов.

АРМ оператора корпуса включено в сеть Arcnet корпуса. Оно берет на себя большую часть работы персонала, уменьшая возможность ошибок и неточностей в работе операторов. Программное обеспечение АРМ оператора реализовано в среде DOS/ DPMI32 с использованием библиотеки графического интерфейса GWM разработки ТоксСофт. АРМ оператора выполняет следующие основные функции:

одновременно показывает на экране состояние всех ванн в корпусе (рис. 8) и/или подробные характеристики и параметры работы подсистем одной ванны;

звуковым сигналом и сообщением на экране предупреждает оператора о возникновении нештатных ситуаций;

в большинстве нештатных ситуаций производит голосовое оповещение в корпусе об их возникновении;

дает оператору возможность изменять ставки, управлять движением анода, работой АПГ и других подсистем;

проводит самодиагностику и проверку работоспособности аппаратуры и программ нижнего уровня. большую часть работы персонала, уменьшая возможность ошибок и не точностей в работе операторов. Программное обеспечение АРМ оператора реализовано в среде DOS/ DPMI32 с использованием библиотеки графического интерфейса GWM разработки ТоксСофт. АРМ оператора выполняет следующие основные функции:

одновременно показывает на экране состояние всех ванн в корпусе (рис. 8) и/или подробные характеристики и параметры работы подсистем одной ванны;

звуковым сигналом и сообщением на экране предупреждает оператора о возникновении нештатных ситуаций;

в большинстве нештатных ситуаций производит голосовое оповещение в корпусе об их возникновении;

дает оператору возможность изменять ставки, управлять движением анода, работой АПГ и других подсистем;

проводит самодиагностику и проверку работоспособности аппаратуры и программ нижнего уровня.

АРМ технолога

Компьютеры операторов корпусов соединены по сети Ethernet с АРМ технолога (компьютером базы данных), предназначенным для накопления данных, печати сводок и анализа работы серии. Программа АРМ технолога, разработанная на базе Borland Delphi, работая в автономном режиме, автоматически составляет и распечатывает сводки. При этом оператор и технолог могут в любой момент получить доступ к данным о работе алюминиевого производства. Работая в автономном режиме, программа АРМ технолога сохраняет информацию о работе всех электролизёров серии в течение 3 лет для последующей обработки и анализа;

составляет и печатает сводки за смену и сутки;

проводит самопроверку и устраняет возможные неполадки.

Программа позволяет технологу работать с базой данных процесса

электролиза, создаваемой системой, то есть генерировать отчеты, сводки, проводить специальный анализ;

видеть на экране и одновременно печатать результаты анализа;

просматривать на экране и печатать

цветные графики работы как отдельных электролизёров, так и корпуса или серии в целом.

электролизёр алюминий контроллер

Заключение

Применение контроллеров MicroPC в качестве основной интеллектуальной части системы производства алюминия обеспечило надежную работу оборудования в особых технологических условиях - мощном магнитном поле, широком температурном диапазоне, отсутствии возможности заземления, наличии в воздухе химически активной пыли, сильных электромагнитных помехах;

мощные вычислительные ресурсы, позволившие реализовать технологические, контрольные и сервисные алгоритмы на качественно новом уровне, обработку и сохранение объемов информации, сравнимых с обрабатываемой специально сконструированными экспериментальными системами;

возможность разработки программного обеспечения в привычной для программистов среде DOS, его отладки стандартными средствами, использования распространенных библиотек, драйверов и утилит;

совместимость программного обеспечения всех уровней системы, его полную открытость для пользователей и возможность оперативной доработки и адаптации.

Размещено на Allbest.ru