PLC在鋁電解整流供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言

中國鋁業(yè)公司青海分公司采用先進(jìn)的160kA大型預(yù)焙陽極中間下料電解槽，提供直流電流的整流系統(tǒng)采用110kV直降式有載調(diào)壓整流變壓器和二極管整流電路，共有四套整流機組，單機組額定輸出直流為1150V、56kA；正常為四套機組同時運行，各輸出40kA、1150V的直流電，共輸出直流為 160kA、1150V；當(dāng)有一套機組退出運行后，其余三套機組各輸出53.3kA、1150V的直流電用以滿足鋁電解的正常生產(chǎn)。整流系統(tǒng)的整流器采用二極管三相橋式同相逆并聯(lián)整流電路，變壓器采用分段中性點調(diào)壓變壓器和整流變壓器組合，具有±35級調(diào)壓，穩(wěn)流控制采用有載調(diào)壓開關(guān)進(jìn)行粗調(diào)，飽和電抗器進(jìn)行細(xì)調(diào)的控制方式。由于電解鋁廠的整流供電系統(tǒng)通常要求是終端變電站，監(jiān)控和繼電保護(hù)設(shè)置比較單一、簡單，但專業(yè)性強，可靠程度要求很高。因此，項目采用了微機監(jiān)控保護(hù)裝置和綜合自動化系統(tǒng)，對穩(wěn)流部分采用了PLC控制的方案。本文主要介紹自動穩(wěn)流控制部分的組成及控制特點。

二、系統(tǒng)配置

為了獨立于保護(hù)和監(jiān)控系統(tǒng)而自成一體，避免相互干擾和影響，穩(wěn)流系統(tǒng)全部采用AB公司SLC-5/04系列PLC組網(wǎng)，該PLC具有專用的DH+通訊網(wǎng)，通過專用板卡直接可與服務(wù)器相連。PLC之間的信息交換通過DH+網(wǎng)絡(luò)通訊來實現(xiàn)，圖1為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

PLC組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)流控制PLC按照N+1的原則配置，對4臺整流機組各配置PLC，以實現(xiàn)小閉環(huán)控制；配置一套總調(diào)PLC，以實現(xiàn)大閉環(huán)控制。整流機組小閉環(huán)控制PLC用于單臺機組的穩(wěn)流控制，其目的是用PLC的PID控制器實現(xiàn)單臺機組的直流輸出與給定值相一致，以達(dá)到單臺機組的穩(wěn)流，并通過調(diào)節(jié)飽和電抗器偏移繞組的電流來實現(xiàn)同一臺機組兩個整流柜之間輸出電流的平衡。采用一套總調(diào)PLC完成大閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)所有的整流機組，大閉環(huán)總調(diào)的 PID輸出作為整流機組小閉環(huán)PID的給定值，使所有機組的直流輸出相同。當(dāng)產(chǎn)生陽極效應(yīng)時，可同時調(diào)節(jié)所有機組飽和電抗器的控制繞組電流，如無法滿足穩(wěn)流要求時，可自動判斷降檔升壓。另外，大閉環(huán)還可實現(xiàn)恒安時控制、最大需要控制、整流機組啟停等功能。SLC-5/04 PLC具有PID運算功能和指令，可對系統(tǒng)做動態(tài)控制；有DH+和RS-232兩個通訊口；機內(nèi)配有高速計數(shù)器，以適應(yīng)對機外高速信號的計數(shù)要求，CPU帶有兩個計數(shù)頻率最高達(dá) 2kHz的高速計數(shù)器，每個計數(shù)器可用程序復(fù)位，并可設(shè)置成加法計數(shù)、減法計數(shù)或相位差90°的兩個脈沖序列；為系統(tǒng)備有專用的數(shù)字?jǐn)U展模塊（EM），可以很方便的對系統(tǒng)的輸入輸出點做擴(kuò)展；具有靈活的中斷輸入，以極快的速度響應(yīng)中斷請求信號。
三、自動穩(wěn)流控制

1、信號取樣由于目前國產(chǎn)直流互感器的溫漂做的不好，信號失真大，磁放大時間常數(shù)太長，不利于即時準(zhǔn)確的控制等原因，穩(wěn)流系統(tǒng)小閉環(huán)反饋信號取自于整流一次側(cè)交流信號；穩(wěn)流系統(tǒng)大閉環(huán)反饋控制信號取自于總直流互感器，經(jīng)變送器把小信號傳至總調(diào)PLC；整流系統(tǒng)總的輸出電流由上位計算機系統(tǒng)通過通訊方式來設(shè)定。

2、控制功能在自動穩(wěn)流系統(tǒng)中，PLC主要完成整個系統(tǒng)的邏輯順序控制及所有PID回路控制。

其主要包括以下幾個部分：

（1） 恒流控制

恒流控制是將機組的直流輸出電流經(jīng)變送器變換后反饋到PLC的輸入端，與給定信號作比較后送給PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。控制結(jié)果轉(zhuǎn)換成控制輸出脈沖并經(jīng)功率放大后，去觸發(fā)晶閘管整流電路的占空比，改變飽和電抗器的控制電流，從而達(dá)到機組電流穩(wěn)定的目的。

（2） 平衡控制

由于飽和電抗器的特性不一致，經(jīng)常造成機組之間以及同一臺機組兩個整流柜之間輸出電流有較大的差別，使整流機組達(dá)不到額定出力。因此，把一臺整流柜（A柜）的輸出電流作為PLC的給定，另一臺整流柜（B柜）的輸出電流作為PLC的反饋，兩者比較的結(jié)果通過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，去改變A柜飽和電抗器的控制電流（B柜的控制電流保持不變），使兩個整流柜的直流電流始終保持平衡。此時，PLC輸出2個4～20mA的信號，分別控制整流機組的A/B柜穩(wěn)流。

（3） 總調(diào)控制

前已提及，電解槽所需總的直流電流等于幾臺單機組輸出電流之和。由于單機組穩(wěn)流可實現(xiàn)單機組輸出電流穩(wěn)定，為了使電解槽所獲得的總電流更加精確穩(wěn)定，將總電流經(jīng)互感器反饋至PLC輸入端，與上位計算機的給定值進(jìn)行比較計算，輸出的結(jié)果作為單機組穩(wěn)流的分調(diào)給定，從而提高整個電流穩(wěn)定精度?？傉{(diào)PLC輸出4個4～20mA的信號，同時用于控制4個整流機組的總調(diào)給定。一般飽和電抗器的控制深度為60V左右，當(dāng)其飽和或截止時，PLC能自動調(diào)節(jié)變壓器有載開關(guān)的升降，從而使總電流不論在多大的電壓波動情況下，均能達(dá)到穩(wěn)流的目的，擴(kuò)大了調(diào)壓范圍。

（4） 恒安時控制

每3分鐘實測一次電解電流值，并將在1小時內(nèi)實測的電解電流值累加，累加結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)所求差值與小時剩余時間自動調(diào)整設(shè)定電流，以達(dá)到安時偏差自動控制。
3、控制方式穩(wěn)流系統(tǒng)采用了四種控制方式。

（1） 自動/總調(diào)方式

在此方式下，有載開關(guān)升降檔指令均由計算機控制。有載開關(guān)升降操作是通過飽和電抗器控制電流來確認(rèn)有載開關(guān)的升與降，這個動作不影響系統(tǒng)的單個有載開關(guān)位置。如果機組的一個有載開關(guān)發(fā)生升或降的要求，這要求將送入計算機并引起所有機組有載開關(guān)同時升或降。

（2） 手動/總調(diào)方式

這種方式允許操作員進(jìn)行總調(diào)，同時動作向上或向下，有載開關(guān)升降檔通過外部按鈕來實現(xiàn)。機組總的調(diào)整與自動/總調(diào)方式相同。

（3） 自動/分調(diào)方式

此方式用于單個機組與其他機組有不同基準(zhǔn)的情況下。此時，本機組有載開關(guān)升降不起作用。

（4） 手動/分調(diào)方式

此方式用于單機組與其他機組有不同基準(zhǔn)的情況下，希望由本機組有載開關(guān)升降來調(diào)整本機組的電流?？傊?，不管是何種控制方式，都是通過調(diào)整飽和電抗器控制繞組的控制電流對整個整流系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)調(diào)。判斷是否需要調(diào)控有載開關(guān)，是通過檢測4臺機組的有載開關(guān)檔位來確定應(yīng)動作哪臺機組的有載開關(guān)。當(dāng)需要升壓時，動作最低級；當(dāng)需要降壓時，動作最高級。通常是4臺機組有載開關(guān)聯(lián)動。

四、結(jié)束語

原有穩(wěn)流系統(tǒng)采用了模擬電路控制飽和電抗器來調(diào)節(jié)電流的方法，致使調(diào)試工作量大，控制精度低，在實際運行中時常發(fā)生進(jìn)線刀閘亂動，動力變莫名其妙跳閘，數(shù)據(jù)報表與實際不符等現(xiàn)象。我們將原有穩(wěn)流部分采用PLC控制后，使系統(tǒng)顯示出以下幾個特點：

（1） 可靠性和穩(wěn)定性得到了很大的提高，故障率明顯下降；

（2） 由于PID調(diào)節(jié)器由PLC軟件實現(xiàn)，使得整個系統(tǒng)的接線簡單，易于安裝，維護(hù)量減小；

（3） 不需同步信號，無相序要求，系統(tǒng)變得易于調(diào)試；

（4）飽和電抗器的控制特性是非線性的，PLC能自動識別其工作范圍，從而自動改變控制參數(shù)，提高了輸出電流的穩(wěn)流精度（單機組穩(wěn)流精度達(dá)到了0.5%）；

（5） 操作簡單，可方便地與計算機或其它設(shè)備通訊。