1 引言

大型預(yù)焙鋁電解槽自動(dòng)控制機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)槽控機(jī)）是鋁電解〔1〕生產(chǎn)過(guò)程控制的核心設(shè)備。槽控機(jī)基于單片機(jī)〔2〕8051的實(shí)時(shí)在線(xiàn)控制器。其輸入通道有：采集電解槽的槽電壓（u）和槽電流（i），接收觸摸開(kāi)關(guān)板的各種工藝操作手動(dòng)信號(hào)，接收各種檢測(cè)信號(hào)；其輸出通道有：保持電解槽能量平衡的陽(yáng)極升降信號(hào)，保持電解槽物料平衡的打殼和下料信號(hào)，效應(yīng)燈和效應(yīng)報(bào)警信號(hào)。槽控機(jī)通過(guò)智能模糊控制軟件完成對(duì)生產(chǎn)工藝的各種控制功能。其陽(yáng)極升降過(guò)程的安全可靠性[3>是電解生產(chǎn)的重中之重，是鋁冶煉生產(chǎn)過(guò)程中的重大危險(xiǎn)源。一旦陽(yáng)極升降系統(tǒng)失控，就會(huì)出現(xiàn)電解槽壓槽和拔槽事故。特別是拔槽事故造成系列電流為幾百千安培（目前最大350 KA）的陰極和陽(yáng)極脫開(kāi)斷路，致使出現(xiàn)單臺(tái)或多臺(tái)電解槽劇烈爆炸事故，嚴(yán)重的將會(huì)造成整個(gè)電解系列停產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)損失將會(huì)十分慘重。

2 影響槽控機(jī)可靠性因素分析

系統(tǒng)的可靠性應(yīng)從硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行分析，在滿(mǎn)足系統(tǒng)各項(xiàng)控制功能的同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)自身運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各種干擾信號(hào)及來(lái)自系統(tǒng)外部的干擾信號(hào)進(jìn)行有效抑制，對(duì)陽(yáng)極升降系統(tǒng)作到有效保護(hù)，從而達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作的目的。

中鋁青海分公司大型預(yù)焙電解槽于1987年12月投產(chǎn)，在提高槽控機(jī)可靠性方面，作了大量的研究、探索、改進(jìn)工作，并逐漸優(yōu)化，大大提高了槽控系統(tǒng)的可靠性。在可靠性的提高方面，采用軟件保護(hù)技術(shù)、硬件保護(hù)技術(shù)、軟硬件結(jié)合的保護(hù)技術(shù)、抗干擾技術(shù)。在控制系統(tǒng)中，首先使用軟件保護(hù)，如限定自動(dòng)升降陽(yáng)極時(shí)槽工作電壓（或槽電阻）的范圍在3.8v～4.5v，系列電流的范圍在正常設(shè)定值上下20％，軟件計(jì)時(shí)等。當(dāng)軟件保護(hù)失效時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)硬件保護(hù)。一般來(lái)說(shuō)，軟件保護(hù)更精確，但相對(duì)脆弱，而硬件保護(hù)可靠性更高。有的保護(hù)采用軟硬件相結(jié)合的保護(hù)，如監(jiān)視定時(shí)器技術(shù)（Watchdog）。

3 提高槽控機(jī)系統(tǒng)可靠性的思想

提高槽控機(jī)系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)思路從以下幾個(gè)方面進(jìn)行論述。

3.1　主接觸器防粘連及接觸器互鎖設(shè)計(jì)

主接觸器防粘連電路中共設(shè)計(jì)了四個(gè)接觸器，如圖1所示。其中3KM、4KM叫正反轉(zhuǎn)接觸器，它們的常閉觸點(diǎn)串連后，再與1KM的常開(kāi)觸點(diǎn)并連，接入1KM、2KM的線(xiàn)圈回路。其作用是，正反轉(zhuǎn)接觸器中只要有一個(gè)發(fā)生粘連，1KM、2KM都不能閉合，用以降低事故概率，這叫做防止粘連電路。正反轉(zhuǎn)接觸器3KM和4KM的常閉觸點(diǎn)，與其線(xiàn)圈交叉串連，用以防止同時(shí)閉合短路事故發(fā)生。

圖1 主接觸器防粘連示意圖

軟件方面：提升電機(jī)得電的條件必須有三個(gè)接觸器（1km、2km、3km或4km）同時(shí)吸合。當(dāng)提升機(jī)斷電時(shí)，軟件發(fā)出命令，斷開(kāi)三個(gè)接觸器的線(xiàn)包電源，一旦三個(gè)接觸器有一個(gè)主結(jié)點(diǎn)粘連，其它兩個(gè)接觸器主結(jié)點(diǎn)粘連也能斷開(kāi)，即設(shè)計(jì)確保提升機(jī)安全斷電；另一方面，控制程序通過(guò)檢測(cè)回路實(shí)時(shí)檢測(cè)接觸器是否有粘連情況，發(fā)現(xiàn)之后立即產(chǎn)生故障信息，同時(shí)禁止自動(dòng)陽(yáng)極升降動(dòng)作。

接觸器互鎖：升降互鎖的目的是防止升接觸器和降接觸器同時(shí)閉合，避免相間短路。升降互鎖分電路互鎖和命令互鎖。命令互鎖原理如圖2，在升和降中，只要有一個(gè)控制口有輸出，另外一個(gè)口就被封閉。電器升降互鎖是升接觸器和降接觸器的線(xiàn)包與對(duì)方的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)，只要升接觸器和降接觸器吸合，另一個(gè)接觸器的線(xiàn)包由于對(duì)方的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)而不能得電。

圖2 接觸器互鎖示意圖

3.2　交流口電路設(shè)計(jì)、升降動(dòng)作定時(shí)器

交流口的作用是防止程序走錯(cuò)后的誤操作，其設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

在程序正常運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行陽(yáng)極要升降操作，由程序控制使微處理器的一個(gè)輸出口輸出方波信號(hào)，該方波信號(hào)被送到隔直流通交流電路，被通過(guò)的交流成分輸出到整流濾波電路，經(jīng)過(guò)整流濾波得到一個(gè)交流口狀態(tài)的高低電平信號(hào)，使直流控制電路有直流電源輸出，交流控制電路被導(dǎo)通，使升降得以進(jìn)行。假如程序走亂，上述的方波便消失，交流控制電路的電源被切斷，升降被禁止。

圖3 交流口及定時(shí)器示意圖

升降動(dòng)作定時(shí)器(參見(jiàn)圖3)是獨(dú)立于CPU之外專(zhuān)門(mén)設(shè)置的定時(shí)器。當(dāng)陽(yáng)極升降開(kāi)始以后，由檢測(cè)電路來(lái)的脈沖信號(hào)送到計(jì)數(shù)電路進(jìn)行計(jì)數(shù)；同時(shí)該脈沖送整流濾波電路，經(jīng)過(guò)線(xiàn)與電路，控制計(jì)數(shù)電路的復(fù)位，使復(fù)位計(jì)數(shù)器不起作用，于是，計(jì)數(shù)電路開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器超時(shí)時(shí)，產(chǎn)生輸出信號(hào)，CPU接收后，立即停止陽(yáng)極升降動(dòng)作。定時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由跳線(xiàn)選定，1-32秒之間可以調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)設(shè)定為8秒。

定時(shí)器的復(fù)位：定時(shí)器處在超時(shí)狀態(tài)時(shí)，由于計(jì)數(shù)器狀態(tài)不會(huì)自動(dòng)復(fù)位，必須由外部信號(hào)使它復(fù)位。這種外部信號(hào)可由CPU的某一輸出腳來(lái)產(chǎn)生，CPU接收到槽控機(jī)操作面板上由操作人員輸入的復(fù)位請(qǐng)示信號(hào)后，使可操作計(jì)數(shù)器復(fù)位。

定時(shí)器的測(cè)試：定時(shí)器輸入的脈沖信號(hào)來(lái)自提升機(jī)接觸器（1Km，2Km）吸合操作，人工測(cè)試定時(shí)器就可按下接觸器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)按下接觸器時(shí)（1Km，2Km），檢測(cè)電路上的發(fā)光管首先點(diǎn)亮，接著計(jì)數(shù)電路上的發(fā)光管開(kāi)始閃爍，閃爍到規(guī)定次數(shù)時(shí)，超時(shí)指示發(fā)光管被點(diǎn)亮，釋放接觸器，超時(shí)指示發(fā)光管保持點(diǎn)亮狀態(tài)(這種狀態(tài)叫做定時(shí)器超時(shí))，說(shuō)明定時(shí)器工作正常。其實(shí)，槽控機(jī)投入運(yùn)行后，每小時(shí)做一次自診斷，其中就包括定時(shí)器的檢測(cè)。

3.3 跳主閘電路

在主回路中AIR1是帶脫扣器的空氣開(kāi)關(guān)，當(dāng)有特殊情況時(shí)，按箱外緊急跳閘按鈕達(dá)到斷開(kāi)設(shè)備電的目的。若按鈕粘連導(dǎo)致陽(yáng)極提升或下降不能停止時(shí)，按下緊急跳閘按鈕，可切斷動(dòng)力電源（如圖4所示）。

軟件方面，控制程序以毫秒級(jí)的速度對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行掃描，一旦發(fā)現(xiàn)有陽(yáng)極升降動(dòng)作，而CPU沒(méi)有發(fā)出陽(yáng)極升降動(dòng)作命令，則認(rèn)為該次升降動(dòng)作屬干擾引起，立即發(fā)出跳主閘命令，切斷動(dòng)力電源，保護(hù)升降系統(tǒng)（如圖4所示）。

ACCOM

圖4 跳主閘電路圖

3.4　監(jiān)視定時(shí)器（Watchdog）

監(jiān)視定時(shí)器X25045與CPU的連接：作用是監(jiān)視電源WATCH DOG，內(nèi)含EEPROM，容量 2K字節(jié)，用于保存控制參數(shù)，和CPU串行傳送。該芯片有片選CS信號(hào)，復(fù)位信號(hào)，時(shí)鐘SCK、寫(xiě)保護(hù)輸入信號(hào)、串行輸入輸出數(shù)據(jù)信號(hào)。

圖5 監(jiān)視定時(shí)器電路圖

采用監(jiān)視定時(shí)器技術(shù)，一旦程序跑非，系統(tǒng)立即會(huì)被監(jiān)視定時(shí)器復(fù)位掉，重頭重新啟動(dòng)系統(tǒng)，從而退出不正常的運(yùn)行狀態(tài)且保證系統(tǒng)的可重入性，使用X25045中EEPROM的歷史數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)自行的操作不因重新起動(dòng)而改變，保證系統(tǒng)的連續(xù)性和順序性，最終保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3.5　抗干擾及其措施

在槽控機(jī)控制系統(tǒng)中運(yùn)用了一系列的抗干擾措施：

（1）用隔離變壓器為槽控機(jī)主回路的控制電源進(jìn)行一級(jí)隔離；

（2）Ac380V/Ac220V隔離變壓器將已經(jīng)經(jīng)過(guò)Ac380V/Ac380V隔離變壓器隔離過(guò)的交

Ac380V進(jìn)行二級(jí)隔離,并變壓為所需要的交流Ac220V，供低壓電器控制回路使用。另一路Ac220V在經(jīng)過(guò)Ac220V/Ac9V控制變壓器變成Ac9V作為槽控機(jī)電路板工作電源之一。

（3）在執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了RC吸收回路。

（4）過(guò)程通道的設(shè)計(jì)中采用光電耦合隔離、通訊雙絞線(xiàn)傳輸屏蔽、信號(hào)的長(zhǎng)線(xiàn)電流傳輸、

信號(hào)傳輸?shù)淖杩蛊ヅ涞却胧?/P>

（5）印刷電路板中采用集成電路的去藕電容配置以消除對(duì)印刷電路板集成電路的雜波干

擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上討論了最重要最基本的幾種槽控機(jī)可靠性設(shè)計(jì)思想。實(shí)際運(yùn)行證明，系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)經(jīng)受了強(qiáng)大電磁干擾、工頻信號(hào)干擾等復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境的考驗(yàn)，特別是陽(yáng)極升降的可靠性，得到了大幅的提高，為電解生產(chǎn)的安全平穩(wěn)運(yùn)行提供了有力的保障。