基于在线计算机监测的电解铝电解过程监测系统设计

李　冰

(西安航空职业技术学院，陕西 西安　710089)

随着现代制造业的发展以及计算机信息技术的普及，我国各企业目前正逐步集成资源规划系统ERP、生产执行系统MES以及生产控制系统PCS，企业在此趋势下必须通过有效手段对生产流程进行检测控制，从而为决策提供生产流程中的数据、状态等信息支持。本文针对如何实现中小型冶金企业生产流程的在线监测展开研究，以电解铝企业为例，设计开发了一种与该企业的资源规划系统ERP能够结合的基于在线计算机监测的冶金流程监测系统，从而帮助冶金企业提高生产管理水平。

1　电解铝企业生产流程监测现状

就目前来看，我国一些刚建成的新电解铝企业达到了世界先进的技术指标，但在相同系列槽型的前提下，我国电解铝企业整体上仍与发达国家之间有着一定的差距。举例来说，目前我国电解铝企业的大型预焙铝电解槽的电流效率约为93%，发达国家则超过了95%，差距在2%以上；我国电解铝企业的阳极效应系数为0.4次/槽·日，而发达国家则低于0.2次/槽·日[1]；我国电解铝企业的预焙槽平均寿命不到4年，而发达国家则为我国的两倍。

面对我国电解铝企业生产水平较为落后的现状，迫切需要提高生产技术以及生产流程监测水平。相比较而言，生产技术的提高是一项长期的任务，而生产流程监测水平则能够在短期内收到立竿见影的效果。目前，我国电解铝企业在生产流程监测方面普遍采用集中—分布式系统，该系统主要是将槽控机作为下位机的方式来控制电解槽，而数据采集则是通过自动控制室的上位机来实现，其软件功能基本完善，但硬件方面不够稳定，容易出现各种故障。除此之外，许多中小型电解铝企业的生产流程监测系统具有本地化的局限性，片面重视生产流程监测的功能开发，忽视了与整体信息的集成，从而造成企业整体信息难以实现共享，严重制约企业的全面发展。

2　电解铝生产过程监测目标

针对目前我国电解铝企业生产流程监测现状中存在的诸多问题，必须开发一套可靠稳定、高效实用的企业生产流程监测系统。这就需要通过对电解铝企业的生产特点进行分析，以此确定主要监测目标，从而奠定开发与实现电解铝生产过程监测系统的基础。

2.1　电解铝生产特点分析

目前，电解铝生产的主要原料有氧化铝、冰晶石、氟化钙以及氟化镁等，其中冰晶石是主要熔剂，而氟化钙与氟化镁作为添加剂来使用。电解铝生产主要采用冰晶石—氧化铝熔盐电解的方法来进行，其生产流程如下[2]：首先在电解槽中接入直流电源，通过两个电极产生的电化学反应对氧化铝与冰晶石进行电解，得到铝液等产物；然后将液体铝用真空抬包抽出，并进行净化及澄清处理；最后，将处理后的液体铝浇铸成铝锭，即加工各种铝材的半成品材料。从上述流程可以看到，电解铝生产过程是依照着固定工序来进行连续加工的，是典型的流程型生产过程，其特点是产品结构较为单一、难以扩大电解槽的生产能力、无法灵活终止生产流程、设备昂贵以及能耗巨大等。

2.2　电解铝生产过程监控目标

电解铝生产过程的主要技术参数有：电解槽工作电压、电解质相关参数、阴极压降和效应系数等。其中，电解槽工作电压必须根据现场实际情况进行动态调整，保持最佳热平衡，若电压过高或过低都会降低电流效率。由于在生产过程中电解槽工作电压随电流的波动而起伏，因此在采集数据时主要针对电解槽电阻来进行，其计算公式如下[3]：

R=(V-C)/I

(1)

在式(1)中，R为电解槽的电阻值；V为电解槽的电压值；C代表反电动势，为固定值；I则代表电解槽的电流值。V与I的值可以通过采样进行测定。

电解铝生产过程监控的主要工作内容包括对加料、出铝、抬母线以及阳极交换等进行监控，相应的监测数据由加料次数、阳极变化次数、出铝开始时间记录信息、换极时间记录信息以及应起始时间记录信息等构成。管理者通过上述这些监测数据信息来掌握电解槽工作情况。 此外，在电解铝生产过程中，阳极效应的相关情况及发生频率是判断电解槽工作状态的主要指标。为了安全稳定地进行电解铝生产，必须采取有效措施来减少阳极效应的持续时间，降低其系数。当发生阳极效应时，会导致电解槽电压的突然增高，因此可以利用此特征对阳极效应进行监测。

3　电解铝生产流程在线监测系统设计

3.1　系统功能需求分析

本文所设计的电解铝生产流程在线计算机监测系统，其主要功能需求包含以下几方面：

1)用户监测界面。通过该界面，用户可以对电解槽的工作状态以及主要运行参数进行监测，并且具有标示出非正常运行电解槽的功能；

2)独立设备的查询界面。用户通过该界面，能够快速准确地查询某台电解槽等独立设备的工作状态以及主要参数等数据；

3)趋势分析功能。该功能主要用于将参数转化为曲线图，并且提供实时及历史趋势分析功能，从而为用户直观地反映出参数变化趋势；

4)自动报警功能。当主要参数的变化满足预先设置的报警条件时，本系统能够通过警示灯闪烁、语音播报等形式进行自动报警，从而提醒相关人员对问题进行妥善处理；

5)生成报表、报表查询及打印等功能，从而向生产管理者输出所需要的报表；

6)开放数据库的功能。各部门通过该功能都能够快速、方便地调用所需数据，实现整个企业的数据共享。

3.2　系统开发的软件环境

在本系统开发中，采用了稳定性较好、操作简便的Windows7操作系统作为上位机以及各个客户终端的操作系统。同时，采用快速、易维护的Windows Server作为服务器的操作系统。

本系统软件开发方向为模块化、组件化编程，需要将软件与设备进行独立分割，主要针对数据库进行操作。根据上述需求，本系统的开发工具选择了Delphi6.0与C++、Power Builder等其他同类工具相比，Delphi具有更加强大的数据库开发功能以及更加丰富的网络开发功能，并且附带了较为完善的控件支持，比如，其中的Quick Report插件可以用来开发报表。此外，Delphi还支持混合语言进行编程以及复杂数据结构的编程等功能。

在本系统开发中，服务器端的数据库选择采用SQL Server。SQL Server是一种大型数据库，提供了较为完备的功能支持，能够很好地承载企业相关数据需求[4]。与Oracle等其他常见的大型数据库相比，SQL Server具有更加优秀的易操作性，因此对于系统维护而言，采用SQL Server无疑具有极大的便利性。此外，SQL Server与Windows操作系统容易耦合，同时还能满足由各种层次的需求。

3.3　系统整体架构与功能模块设计

如前所述，现代企业正在整合ERP、MES以及PCS。因此，电解铝生产流程在线计算机监测系统应当作为三者间数据流传输的桥梁[5]。对此，本文将其整体结构设计如图1所示。

图1　电解铝生产流程在线计算机监测系统结构

从图1中可以看到，本文所提出的电解铝生产流程在线计算机监测系统，其主要功能模块包括生产数据采集传输模块、生产报表管理模块、实时数据监测模块、数据统计与分析模块以及用户管理模块等五个部分，其中各模块的具体功能如下：

1)生产数据采集传输模块：主要负责分类分时地对上位机的相关数据进行采集，然后传输至服务器数据库中，以表的是形式进行存储；

2)生产报表管理模块：主要负责为管理者提供相关数据的查询功能以及报表生成及打印功能，从而为管理者进行相关决策提供数据支持；

3)实时数据监测模块：主要负责对电解铝生产流程中的电解槽效应次数、设备参数等各项数据进行实时监测，此外还提供预警及报警功能；

4)数据统计与分析模块：主要负责对电解铝生产流程中的电解槽电压、极距等参数数据进行分析，以此保障电解铝的生产活动处于最优状态。在本设计中，主要采用联机分析处理方式，以分析图表等形式还实现该模块的主要功能；

5)用户管理模块：主要负责对系统登录用户进行身份验证。本系统的用户分为一般用户权限与管理员权限两个权限等级，普通用户仅能进行数据查询操作，管理员除了数据查询外，还能够进行报表数据编辑等操作。

4　系统实现

本文以单槽技术参数查询功能为例，对本系统的实现进行展示。本系统的单槽技术参数查询界面如图2所示。

图2　单槽技术参数查询界面

从图2可以看到，整个界面简洁明了，清晰直观地为用户显示出相关数据信息。该界面下详细全面地列出了电解铝生产流程中的各类相关信息数据，并且还包含了众多历史记录。通过该界面，系统用户可以查看了解到电解槽的实时及历史运行状况，说明该功能可以满足电解铝生产流程监测的要求。

5　结　语

本文针对现代制造业的发展趋势，结合当前我国电解铝生产企业的实际现状，提出相应的电解铝生产流程在线计算机监测系统设计方案。在该设计中重点关注整体信息的集成，使本系统成为ERP、MES以及PCS三个系统的数据传输纽带，实现企业的信息共享，从而达到促进企业发展的目标。