Двухуровневая автоматизированная система управления электролизом алюминия
Полезная модель относится к цветной металлургии, а именно, к автоматизированным системам управления (АСУ) технологическим процессом (ТП) и может быть использована для управления процессами получения алюминия из глинозема электролитическим методом. Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей, повышение надежности и безопасности оборудования, снижение трудозатрат на его обслуживание, повышение технико-экономических показателей технологического процесса: снижение удельных расходов электроэнергии, сырья, материалов, трудозатрат на технологическое обслуживание электролизеров, увеличение выпуска металла, улучшение условий труда. Верхний уровень системы выполнен на базе серверной станции SUN (серверная группа завода). Для представления информации обслуживающему и технологическому персоналу к серверной станции по сети подключены АРМ оператора диспетчерского пункта, сервер звуковых сообщений, АРМы старших мастеров. Контроллеры групп объединены в вычислительную сеть верхнего уровня. Контроллеры управления электролизерами объединены в групповые сегменты локальной вычислительной сети. Для выполнения функций управления приводами анодной рамы и исполнительными механизмами автоматического питания глиноземом двух электролизеров используют один программируемый контроллер, помещенный в шкаф управления электролизерами, установленный в корпусе электролиза в проеме колонны, причем линии групповых сегментов локальной вычислительной сети, соединяющих шкафы управления электролизерами, выполнены оптоволоконным кабелем, кроме того, в качестве устройства измерения тока серии применяют преобразователь измерительный тока серии.
Полезная модель относится к цветной металлургии, а именно, к автоматизированным системам управления (АСУ) технологическим процессом (ТП) и может быть использована для управления процессами получения алюминия из глинозема электролитическим методом.
Известна автоматизированная система управления производством алюминия («Современные технологии автоматизации», 1997, №4 с.56-61). Известная АСУ ТП содержит на верхнем уровне автоматизированное рабочее место (АРМ) технолога, первое и второе АРМ оператора, объединенных сетью АСУ ТП. Нижний уровень управления выполнен на базе блоков управления (БУ) электролизерами. Все БУ электролизеров объединены в единую сеть корпуса электролиза. В эту сеть включены АРМ оператора и контроллер тока/напряжения серии (КТНС).
Данная АСУ ТП реализует функции управления электролизерами, но аппаратно сложная и дорогостоящая, реализация внедрения ее требует значительных капитальных затрат.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой системе является распределенная автоматизированная система управления электролизом алюминия (Патент RU 2156834 С1, 27.09.2000). Система содержит на первом (верхнем) уровне сервер базы данных, автоматизированные рабочие места технологов, подсистему звуковых сообщений, состоящую из автоматизированного рабочего места оператора и усилителя низкой частоты, концентратор вычислительной сети (КВС), контроллер преобразования тока (КПТ), контроллер преобразования напряжения (КПН), контроллер отображения сигнализации (КОС), контроллер технологический переносной (КТП), контроллеры групп (КГ). На втором нижнем уровне в систему введены
контроллеры управления приводом (КУП), объединенные в групповые сегменты локальной вычислительной сети. Специализированные контроллеры (КТП), (КТН), (КОС), (КГ) подключены к локальной вычислительной сети верхнего уровня, причем контроллеры групп (КГ) подключены еще к групповым сегментам локальной вычислительной сети. Контроллеры управления электролизерами и контроллеры групп разделены на группы, по одному контроллеру группы и N контроллеров управления электролизерами в каждой группе. Первый информационный вход-выход с каждого контроллера группы подключен к вычислительной сети верхнего уровня, а второй информационный вход-выход - к групповому сегменту локальной сети. Аналоговые входы каждого контроллера управления электролизерами подключены к анодам и катодам электролизеров. Система снабжена устройством для измерения тока серии. Концентратор вычислительной сети (КВС) подключен первым информационным входом-выходом к входу-выходу последовательного порта пульта оператора, а вторым информационным входом-выходом к сегменту локальной вычислительной сети верхнего уровня, управляющий вход-выход - к групповому выключателю, аналоговый вход к - к выходу звуковой карты пульта оператора, аналоговый выход - к входу усилителя низкой частоты.
Данная система имеет ограниченные возможности и применима для управления электролизерами без системы автоматического питания глиноземом. Применение специализированных контроллеров на базе нестандартного оборудования не позволяет обеспечить надежную и бесперебойную работу системы, поэтому увеличиваются трудозатраты на ее обслуживание. Кроме того, обе указанные системы не имеют постоянного контроля сопротивления изоляции электрооборудования.
Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей, повышение надежности и безопасности оборудования, снижение трудозатрат на его обслуживание, повышение технико-экономических показателей технологического процесса: снижение
удельных расходов электроэнергии, сырья, материалов, трудозатрат на технологическое обслуживание электролизеров, увеличение выпуска металла, улучшение условий труда.
Поставленная задача решается тем, что в двухуровневой автоматизированной системе управления электролизом алюминия, содержащей на первом (верхнем) уровне сервер базы данных, автоматизированные рабочие места технологов, подсистему звуковых сообщений, состоящую из автоматизированного рабочего места оператора и усилителя низкой частоты, контроллеры групп, объединенные в вычислительную сеть верхнего уровня; на втором (нижнем) уровне контроллеры управления электролизерами, объединенные в групповые сегменты локальной вычислительной сети, причем, контроллеры управления электролизерами и контроллеры групп разделены на группы, по одному контроллеру группы и N контроллеров управления электролизерами в каждой группе, первый информационный вход-выход с каждого контроллера группы подключен к вычислительной сети верхнего уровня, а второй, информационный вход-выход - к групповому сегменту локальной сети, аналоговый вход каждого контроллера управления электролизерами подключены к анодам и катодам электролизеров, а также, устройство для измерения тока серии, согласно заявляемому предложению, для выполнения функций управления приводами анодной рамы и исполнительными механизмами автоматического питания глиноземом двух электролизеров используют один программируемый контроллер, помещенный в шкаф управления электролизерами, установленный в корпусе электролиза в проеме колонны, причем линии групповых сегментов локальной вычислительной сети, соединяющих шкафы управления электролизерами, выполнены оптоволоконным кабелем, кроме того, в качестве устройства измерения тока серии применяют преобразователь измерительный тока серии, выход которого соединен с входом измерения частоты каждого шкафа управления электролизерами и в систему дополнительно для контроля сопротивления
изоляции обмоток электродвигателей привода анодной рамы электролизеров и обмоток соленоидов пневмораспределителей исполнительных механизмов автоматического питания глиноземом группы электролизеров, питание электрооборудования которых обеспечивается трансформатором группы, в первый блок управления группы этих электролизеров добавлен блок контроля изоляции, при этом, шкаф управления электролизерами содержит оптический модуль связи, программируемый контроллер с панелью оператора и набором аналоговых и дискретных модулей ввода-вывода, модуль гальванического разделения сигнала тока серии, модули измерения сигналов с электролизера, модули управления, модуль контроля токов электродвигателей, панель управления, модуль индикации.
Предложение дополняют частные отличительные признаки, направленные на решение поставленной задачи.
В двухуровневой автоматизированной системе, преобразователь измерительный тока серии содержит блок измерения тока серии, блок микроконтроллера, блок формирователя частотного сигнала f=F(Ic), блок индикации, передающее устройство, причем вход блока измерения тока серии является аналоговым входом преобразователя измерительного тока серии, выход преобразователя тока серии выполнен в физическом формате интерфейса RS-485.
В блоке контроля изоляции, первый измерительный вход подключен к клемме фазы А трехфазной сети переменного тока с изолированной нейтралью, второй измерительный вход подключен к потенциалу «земля», а информационные выходы являются входами программируемого контроллера блока управления электролизерами.
В шкафу управления электролизерами вход-выход модуля оптической связи является первым информационным входом-выходом шкафа управления электролизерами для связи с групповым сегментом локальной сети, входы модуля измерения сигналов с электролизера являются аналоговыми входами шкафа управления электролизерами, вход модуля
гальванического разделения сигнала тока серии является измерительным входом шкафа управления электролизерами для связи с преобразователем измерительным тока серии, выходы модулей управления являются выходами управления исполнительными механизмами электролизера шкафа управления электролизерами, второй вход-выход модуля оптической связи соединен с первым входом-выходом программируемого контроллера, выходы модулей измерения сигналов с электролизера соединены с входами модуля аналогового ввода программируемого контроллера, выход модуля гальванического разделения сигнала тока серии соединен с измерительным входом программируемого контроллера, входы модулей управления соединены с выходами модулей дискретного вывода программируемого контроллера, выходы модуля контроля токов электродвигателей соединены с входами аналогового ввода программируемого контроллера, выходы панели управления соединены с входами модуля дискретного ввода-вывода программируемого контроллера, а выходы с входами панели индикации.
Линии связи сегментов групповой локальной сети выполнены оптоволоконным кабелем, причем линии соединяющие шкафы управления электролизерами между собой выполнены пластиковым оптоволоконным кабелем с организацией соединения «оптическое кольцо с резервированием», а передача данных в сегментах групповой локальной сети осуществляют по MPI (Multi-point interface) интерфейсу.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии решения критерию «новизна».
Предлагаемая автоматизированная система управления технологическим процессом электролиза алюминия «СААТ-1», по сравнению с прототипом, позволяет обеспечить:
максимальный учет специфики объекта управления и реальных условий эксплуатации при обеспечении высокой надежности применяемого оборудования за счет исключения избыточности и использования в качестве
базовой платформы высоконадежное оборудование ф. «Сименс», имеющего высокие эксплуатационные характеристики;
существенное сокращение затрат на установку и монтаж АСУ ТП за счет установки аппаратуры непосредственно на объекте контроля - корпусе электролиза;
повышение срока службы АСУ ТП за счет герметизации оборудования;
сокращение времени простоя оборудования за счет модульного построения управляющих контроллеров, обеспечения возможности восстановления аппаратуры при отказах путем замены модулей за короткий промежуток времени;
повышение надежности обмена данными в условиях высокого уровня электромагнитных помех за счет применения оптоволоконных линий связи;
повышения уровня безопасности системы за счет постоянного контроля сопротивления изоляции электротехнического оборудования;
обеспечение возможности поэтапного подключения в систему электролизеров (с шагом в два электролизера) без остановки действующего технологического процесса.
Сущность полезной модели поясняется графическим материалом, где:
на фиг.1 изображена структурная схема АСУ ТП;
на фиг.2 - структурная схема шкафа управления электролизерами (ШУЭ);
на фиг.3 - структурная схема преобразователя измерительного тока серии;
на фиг.4 - структурная схема организации контроля сопротивления изоляции обмоток электродвигателей и обмоток соленоидов пневмораспределителей исполнительных механизмов автоматического питания глиноземом;
на фиг.5 - структурная схема организации группового сегмента локальной вычислительной сети корпуса.
На фиг.1 показано: сервер 1 базы данных, N 2 1...2n, АРМов технологов, подсистема 3 звуковых сообщений, включающая в себя АРМ 4 оператора, линия 5 связи выхода многоканальной звуковой карты с входами многоканального усилителя низкой частоты (УНЧ), многоканальный 6 УНЧ,
контроллеры 7.1, 7.2 данных (КД), вычислительная 8 сеть верхнего уровня, шкафы 9.1...9.n управления электролизерами (ШУЭ), локальные 10.1, 10.2 групповые сегменты локальных вычислительных сетей корпуса, преобразователь 11 измерительный тока серии (ПИТС), линия 12, передачи сигнала тока серии. На фиг.1 также показано: информационные входы -выходы сервера 1 базы данных, АРМов технологов 2.1...2.n соединены с вычислительной сетью верхнего уровня 8; информационные входы - выходы АРМа 4 оператора подсистемы 3 звуковых сообщений также соединены с вычислительной сетью верхнего уровня 9, аналоговые выходы многоканальной звуковой карты АРМа оператора соединены линией связи 5 с аналоговыми входами многоканального усилителя 6 НЧ; КД 7 и ШУЭ 9 разделены на две группы на один корпус, к каждому КД подключено до n ШУЭ по количеству объектов управления из расчета, один ШУЭ управляет двумя электролизерами, первый информационный вход - выход каждого КД 7 соединен с вычислительной сетью предприятия 9, а второй вход-выход каждого КД 7 соединен с групповым сегментом локальной вычислительной сетью в корпусе 10. Аналоговые входы каждого ШУЭ подключены к анодам, катодам (анодным кожухам) двух электролизеров, а управляющие выходы к исполнительным механизмам перемещения анодной рамы и исполнительным механизмам АПГ электролизеров; аналоговый вход ПТС соединен с датчиком тока серии, а информационный выход соединен по линии связи 12 с каждым ШУЭ. Сигнал тока серии представлен в частотном эквиваленте
f=F(Ic).
На фиг.2 показано: оптический 13 модуль связи, программируемый контроллер 14 с панелью оператора и набором аналоговых и дискретных модулей ввода-вывода, модуль 15 гальванического разделения сигнала тока серии, модули 16.1, 16.2 измерения сигналов с двух электролизеров, модули 17.1, 17.2 управления, модуль 18 контроля токов электродвигателей, модуль 19 сигнализации об анодном эффекте панель 20 управления, модуль 21 индикации, блок 22 контроля изоляции, причем вход-выход модуля
оптической связи является первым информационным входом-выходом шкафа управления электролизерами для связи с групповым сегментом локальной сети, входы модуля измерения сигналов с электролизера является аналоговыми входами шкафа управления электролизерами, вход модуля гальванического разделения сигнала тока серии является измерительным входом шкафа управления электролизерами для связи с преобразователем измерительным тока серии, выходы модулей управления являются выходами управления исполнительными механизмами электролизера шкафа управления электролизерами.
На фиг.3 показано: блок 23 измерения тока серии, блок 24 микроконтроллера, блок 25 формирователя частотного сигнала f=F(Ic), блок 27 индикации, передающее 26 устройство, причем вход блока измерения тока серии является аналоговым входом преобразователя измерительного тока серии, а выход преобразователя тока серии соединен с входом измерения частоты каждого шкафа управления электролизерами системы.
На фиг.4 показано: шкаф 9 управления электролизерами, блоки контроля 22.1...22.n изоляции, разделительные 28.1...28.n трансформаторы, магистраль 3-х фазного напряжения 29.1...29.n переменного тока с изолированной нейтралью 220 вольт, магистраль 3-х фазного напряжения 30 переменного тока 380 вольт, 31.1...31.n объекты управления на электролизерах, 32.1...32.n группы по электропитанию. Согласно Правил безопасности при производстве алюминия, питание электрооборудования (электродвигатели) на электролизерах обеспечивается через разделительные трансформаторы. К одному трансформатору подключается электрооборудование не более 15 электролизеров. Для контроля изоляции обмоток электродвигателей и обмоток соленоидов исполнительных механизмов АПГ, подключенных к одному трансформатору, в первый шкаф управления электролизерами этой группы электролизеров устанавливается блок контроля изоляции, первый измерительный вход которого подключен к клемме фазы «А» трехфазной сети переменного тока с изолированной
нейтралью, второй измерительный вход подключен к потенциалу «земля», а информационные выходы являются входами программируемого контроллера блока управления электролизерами. Блок контроля изоляции производит измерение сопротивления изоляции и формирует предупредительный (<0,6 мОм) и аварийный (<0,5 мОм) сигналы, которые обрабатываются и автоматически определяется объект с нарушенной изоляцией.
На фиг.5 показано: шкаф 9 управления электролизерами, концентратор 7 данных, групповой сегмент 10 локальной вычислительной сети корпуса. Для обеспечения гальванического разделения между шкафами управления, повышения надежности и достоверности обмена данными линии групповых сегментов локальных вычислительной сети выполнены оптоволоконным кабелем, причем линии, объединяющие шкафы управления выполнены пластиковым оптоволоконным кабелем с организацией «оптическое кольцо с резервированием».
АСУТП выполняет следующие функции:
регулирование приведенного напряжения электролизера в соответствии с целевым напряжением;
управление питанием глиноземом (стабилизация концентрации глинозема в электролите в заданном диапазоне) с помощью системы автоматизированного питания глиноземом;
стабилизация состава электролита;
управление питания фторсолями;
прогнозирование, обнаружение и контроль параметров анодных эффектов;
сопровождение регламента при анодном эффекте;
сопровождение регламента при выливке металла;
сопровождение регламента при перетяжке анодной рамы;
сопровождение регламента при пуске электролизера;
обнаружение и классификация шумов, распознавание причин нестабильности электролизера;
обнаружение и устранение магнитогидродинамической нестабильности электролизера;
измерение и сглаживание сигналов напряжения электролизера и тока серии;
контроль тока электродвигателей механизмов перемещения анодной рамы и анодного кожуха;
контроль сопротивления изоляции обмоток электродвигателей и обмоток соленоидов пневмораспределителей АПГ;
контроль и оптимизация ежесуточного энергетического баланса электролизера;
диагностика технологических нарушений на ранних стадиях развития;
выработка рекомендаций по выводу «больных электролизеров» на нормальный режим работы;
автоматическое оповещение обслуживающего персонала о технологических нарушениях с помощью системы речевых сообщений
формирование отчетов, протоколов, графиков.
Система работает следующим образом.
Подсистема 3 звуковых сообщений построена по принципу клиент-сервер на базе АРМ 4 оператора с установленной на нем многоканальной звуковой картой, имеющей соединение 5 с многоканальным 6 усилителем НЧ. Необходимые сообщения о технологическом процессе передаются автоматически в корпус электролиза и комнаты отдыха персонала.
Шкафы 9...9.n управления электролизерами устанавливаются непосредственно в корпусе электролиза. Каждый шкаф управления обеспечивают выполнение функций управления двумя электролизерами, измерение технологических параметров, отображение на собственной операционной панели параметров электролиза, технологических режимов, звуковую и световую сигнализацию об анодном эффекте, гальваническое разделение цепей управления, первичного питания, измерения от потенциала электролиза.
Контроллер данных обеспечивает обмен данными между шкафами управления электролизерами по MPI интерфейсу и компонентами верхнего уровня системы по сети Ethernet, используя протокол TCP/IP.
Преобразователь 11 измерительный тока серии обеспечивает измерение тока серии от датчика тока серии, формирование последовательности импульсов f=F(Ic) и передачу текущего значения тока каждому ШУЭ 9 по линии связи 12 в физических уровнях интерфейса RS-485. Измерение тока серии каждым ШУЭ обеспечивает синхронизацию измерения тока серии и напряжения на электролизере и автономность работы ШУЭ в автоматическом режиме в случае выхода из строя линий связи с верхним уровнем.
В АСУ ТП предусмотрены следующие режимы работы:
"Автоматическое управление", "Ручное управление".
В режиме "Автоматическое управление" решаются следующие задачи:
автоматическое регулирование МПР электролизера;
автоматическое регулирование МПР электролизера при выливке металла;
автоматическое питание глиноземом;
автоматическая коррекция уставок после АЭ, обработки и перестановке анодных штырей (замены анодов);
прогноз и регистрацию возникновения анодного эффекта и контроль его параметров;
автоматическое определение обратной ЭДС электролизеров;
проверка достоверности и фильтрации результатов измерения;
контроль тока электродвигателей;
контроль перемещения анода;
диагностика контроллеров шкафов управления;
контроль сопротивления изоляции обмоток электродвигателей и обмоток соленоидов пневмораспределителей АПГ;
архивирование и обработка данных с целью формирования графиков, документов, протоколов;
В режиме "Ручное управление" на электролизерах осуществляются неавтоматизированные регламентные работы и операции в случаях предаварийных или аварийных ситуаций при сохранении информационных функций системы.
Измерение напряжения электролизера осуществляется шкафами управления электролизерами в двух диапазонах 0-10 В при напряжении на электролизере менее 7,5 В и 0-100 В при напряжении выше 7,5 В. Переключение диапазонов осуществляется автоматически с формированием сигнала признака переключения.
Измерение тока серии осуществляется ПИТС 12. Канал измерения тока серии имеет погрешность, % - <0,2.
Управление приводом анодного массива производится по командам "Вверх", "Вниз" формируемым контроллером шкафа управления в «Ручном» и «Автоматическом» режимах. При обнаружении аварийной ситуации формируется команда на срабатывание защитного выключателя, и производится регистрации отключения. Контроль перемещения анодного массива осуществляется программно.
1. Двухуровневая автоматизированная система управления электролизом алюминия, содержащая на первом (верхнем) уровне сервер базы данных, автоматизированные рабочие места технологов, подсистему звуковых сообщений, состоящую из автоматизированного рабочего места оператора и усилителя низкой частоты, контроллеры групп, объединенные в вычислительную сеть верхнего уровня, на втором (нижнем) уровне контроллеры управления электролизерами, объединенные в групповые сегменты локальной вычислительной сети, причем контроллеры управления электролизерами и контроллеры групп разделены на группы, по одному контроллеру группы и N контроллеров управления электролизерами в каждой группе, первый информационный вход-выход с каждого контроллера группы подключен к вычислительной сети верхнего уровня, а второй, информационный вход-выход - к групповому сегменту локальной сети, аналоговые входы каждого контроллера управления электролизерами подключены к анодам и катодам электролизеров, а также устройство для измерения тока серии, отличающаяся тем, что для выполнения функций управления приводами анодной рамы и исполнительными механизмами автоматического питания глиноземом двух электролизеров используют один программируемый контроллер, помещенный в шкаф управления электролизерами, установленный в корпусе электролиза в проеме колонны, причем линии групповых сегментов локальной вычислительной сети, соединяющих шкафы управления электролизерами, выполнены оптоволоконным кабелем, кроме того, в качестве устройства измерения тока серии применяют преобразователь измерительный тока серии, выход которого соединен с входом измерения частоты каждого шкафа управления электролизерами и в систему дополнительно для контроля сопротивления изоляции обмоток электродвигателей привода анодной рамы электролизеров и обмоток соленоидов пневмораспределителей исполнительных механизмов автоматического питания глиноземом группы электролизеров, питание электрооборудования которых обеспечивается трансформатором группы, в первый блок управления группы этих электролизеров добавлен блок контроля изоляции, при этом шкаф управления электролизерами содержит оптический модуль связи, программируемый контроллер с панелью оператора и набором аналоговых и дискретных модулей ввода-вывода, модуль гальванического разделения сигнала тока серии, модули измерения сигналов с электролизера, модули управления, модуль контроля токов электродвигателей, панель управления, модуль индикации.
2. Двухуровневая автоматизированная система по п.1, отличающаяся тем, что преобразователь измерительный тока серии содержит блок измерения тока серии, блок микроконтроллера, блок формирователя частотного сигнала f=F(Ic ), блок индикации, передающее устройство, причем вход блока измерения тока серии является аналоговым входом преобразователя измерительного тока серии, выход преобразователя тока серии выполнен в физическом формате интерфейса RS-485.
3. Двухуровневая автоматизированная система по п.1, отличающаяся тем, что в блоке контроля изоляции первый измерительный вход подключен к клемме фазы А трехфазной сети переменного тока с изолированной нейтралью, второй измерительный вход подключен к потенциалу “земля”, а информационные выходы являются входами программируемого контроллера блока управления электролизерами.
4. Двухуровневая автоматизированная система по п.1, отличающаяся тем, что в шкафу управления электролизерами вход-выход модуля оптической связи является первым информационным входом-выходом шкафа управления электролизерами для связи с групповым сегментом локальной сети, входы модуля измерения сигналов с электролизера являются аналоговыми входами шкафа управления электролизерами, вход модуля гальванического разделения сигнала тока серии является измерительным входом шкафа управления электролизерами для связи с преобразователем измерительным тока серии, выходы модулей управления являются выходами управления исполнительными механизмами электролизера шкафа управления электролизерами, второй вход-выход модуля оптической связи соединен с первым входом-выходом программируемого контроллера, выходы модулей измерения сигналов с электролизера соединены с входами модуля аналогового ввода программируемого контроллера, выход модуля гальванического разделения сигнала тока серии соединен с измерительным входом программируемого контроллера, входы модулей управления соединены с выходами модулей дискретного вывода программируемого контроллера, выходы модуля контроля токов электродвигателей соединены с входами аналогового ввода программируемого контроллера, выходы панели управления соединены с входами модуля дискретного ввода-вывода программируемого контроллера, а выходы - с входами панели индикации.
5. Двухуровневая автоматизированная система по п.1, отличающаяся тем, что линии связи сегментов групповой локальной сети выполнены оптоволоконным кабелем, причем линии, соединяющие шкафы управления электролизерами между собой, выполнены пластиковым оптоволоконным кабелем с организацией соединения “оптическое кольцо с резервированием”, а передача данных в сегментах групповой локальной сети осуществляют по MPI (Multi-point interface) интерфейсу.
