浅析过压保护技术在智能模糊控制系统中的应用

雷晓东

（中铝兰州分公司 电解二厂，甘肃 兰州730060）

槽控机是铝电解槽自控系统的主体部分，我们应用最新的现场总线及网络通信技术开发的基于现场总线的网络式（全分布式）智能槽控机可以满足现代化电解铝生产自控的需求。槽控机内部结构设计为多CPU智能分布式网络结构形式。在低电压下，电解质层很薄，电解槽变得十分敏感，原来所使用的第一代YFC-99型槽控机已经不能满足当前的控制要求，我们现在大多都引进了AIC-Ⅱ槽控机，它采用了当前主流的ARM系列控制芯片，相对于C51系列来说，它集成了更多的外设功能模块，运算速度高，非常适合低电压下精确控制的要求。但由于现阶段原来的槽控机的安全保护只能依靠上下限位来进行。而现在的电解槽非常敏感，发生效应时电压波动比较大，一个小的阳极操作都会产生较大的电压波动，阳极操作不易控制，特别是误操作时非常容易发生不安全事故。因此我们通过对槽控机硬件电路的改进能加强槽控机对电压过高或者过低时的保护，使它达到一定的要求。

1 槽控机系统简介

目前我们所使用或将要改造使用的系统是YFC-99型铝电解槽智能模糊控制系统，是“槽控机-上位机”的两级分布式控制方案，并采用CAN通信协议构成。每台电解槽配备一台槽控机作为直接控制级，它具备独立进行槽电压和系列电流采样的能力，并对电解槽的物料和热平衡的快速变化过程实时监控。这种全分布式智能槽控机为壁挂式结构，左右机箱分别为动力箱、逻辑箱。

1.1 YFC-99型槽控机，可独立对电解槽进行数据采集和控制，所以该控制系统叫分布式的控制系统。下位机分为动力机箱和逻辑机箱两部分，动力机箱是槽控机的执行机构，负责槽控机的各种现场正常操作。逻辑机箱是槽控机的核心部分，主要功能如下：

（1）在线同步采集槽电压、系列电流；接受并处理与人工作业工序相关的各种手动信号。

（2）实时地解析槽况的变化趋势；对不稳定及异常槽况（如电阻针振、电阻摆动、阳极效应趋势、阳极效应发生、下料过程的电阻变化异常、极距调节过程的电阻变化异常等）的预报、报警和自处理。

（3）由模糊控制器实现对下料速率的调节，和对正常槽电阻的控制。

（4）对换阳极、出铝、抬母线及边加工等进行监控。

（5）提供多种可供选择的下料控制模式与电压控制模式。

（6）在联机状态下能通过通讯接口与上位机交换数据。

（7）诊断、记录和显示自身的运行状态和故障部位，并采取相应的保护措施。

1.2 动力箱内动力单元的内部结构其主要器件及用途

信号采集板的主要作用是：（A）检测接触器的通断状态，以及吸收接触器线包断电时的感应电压。（B）提供一个纯手动／自动切换开关：在特殊情况下将其置于纯手动，可使动力箱操作面板上的5个操作按钮生效（参见“操作面板简介”）。（C）定时器，手动升降超过设定时间，切断提升电机。（D）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。（E）双路保险管盒：其作用是接通和断开电解槽槽电压和槽控机的连接，在进行槽控机维护时可断开槽电压。

2 信号检测板在槽控机系统中的工作原理分析

信号检测板：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问题。信号检测板就是为解决这些问题而设置的。如图1所示。

当升降开始，1KM或2KM闭合时，从B相经过1KM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。不过，这路脉冲不是送往硬定时器，而是分别送往操作板CPU的定时/计数器T1和T0。程序不断读取T1、T0的数值是否变化，用确定3KM、4KM的通断。注意，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1 信号检测板原理图

3 现阶段存在的问题及解决方法

3.1 现阶段存在的问题

原来的槽控机的安全保护只能依靠上下限位来进行。而现在的电解槽非常敏感，发生效应时电压波动比较大，一个小的阳极操作都会产生较大的电压波动，阳极操作不易控制，特别是误操作时非常容易发生不安全事故。

3.2 解决方法

通过对电路原图的分析，我们准备在现有电路板的基础上对槽控机的硬件电路进行一些改动，使其能够在槽电压在过高时禁止槽控机进行手动或者自动的阳极升动作，电压过低时禁止槽控机进行手动或自动的阳极降动作。

首先，我们取消原电路中效应报警器部分的小型继电器，将效应报警改为总线模式，总线模式的报警器相比前更为可靠。在电路板增加芯片和器件,设计电压保护电路，增加的主要器件有ULN2004, PC817，LM393，JHC-5F/A。最后我们将电路板上两个二极管DN1和DN2去掉，再次进行调试，电压保护有效而且可靠准确。经过改动后的电路板只要电压保护的电压上下限值设定好以后，当超过电压上限时，无论是手动还是自动都无法进行阳极升动作；当超过电压下限时，无论是手动还是自动都无法进行阳极降动作。但是在特殊情况下，根据电解生产的需要，又需要在电压值高于我们设定的常规电压上限值时有升阳极动作（如刚启动的电解槽有时需要高电压运行），电压值低于我们设定的常规电压下限值时有阳极降动作（如大修后的电解槽需要测试阳极升降是否正常）。于是我们在电路板上两个二极管DN1和DN2的位置焊接跳线插头，当确实需要在高电压升阳极时，可以在DN2的位置增加跳线，使JH部分的超小型极化继电器被短路，无控制阳升信号发出，使高电压保护电路失效。当确实需要在低电压降阳极时，可以在DN1的位置增加跳线，使JL部分的超小型极化继电器被短路，无控制阳降信号发出，使低电压保护电路失效。

4 结束语

通过对现有电路进行改动，使电压保护电路发挥了应有的作用，并创造性的增加了操作的可行性。在很大程度上保证了电解生产安全，防止了不当操作引起的电解槽运行不稳定现象，更主要的是防止了电解槽不安全事故的发生，避免了因电解槽不安全事故造成的极大损失经济损失，产生了无形的经济效益。

［1］中南大学,长沙业翔科技发展有限公司.铝电解智能模糊控制系统:产品用户手册[S].

［2］电力半导体元件与变流器手册[S].北京:机械工业出版社.