PLC在鋁電解整流供電系統中的應用

1 引言中國鋁業公司青海分公司采用先進的160kA大型預焙陽極中間下料電解槽，提供直流電流的整流系統采用110kV直降式有載調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。整流系統的整流器采用二極管三相橋式同相逆并聯整流電路，變壓器采用分段中性點調壓變壓器和整流變壓器組合，具有±35級調壓，穩流控制采用有載調壓開關進行粗調，飽和電抗器進行細調的控制方式。由于電解鋁廠的整流供電系統通常要求是終端變電站，監控和繼電保護設置比較單一、簡單，但專業性強，可靠程度要求很高。因此，項目采用了微機監控保護裝置和綜合自動化系統，對穩流部分采用了PLC控制的方案。本文主要介紹自動穩流控制部分的組成及控制特點。
2 系統配置為了獨立于保護和監控系統而自成一體，避免相互干擾和影響，穩流系統全部采用AB公司SLC-5/04系列PLC組網，該PLC具有專用的DH+通訊網，通過專用板卡直接可與服務器相連。PLC之間的信息交換通過DH+網絡通訊來實現，圖1為網絡結構。

圖1 PLC組成的網絡結構穩流控制PLC按照N+1的原則配置，對4臺整流機組各配置PLC，以實現小閉環控制;配置一套總調PLC，以實現大閉環控制。整流機組小閉環控制PLC用于單臺機組的穩流控制，其目的是用PLC的PID控制器實現單臺機組的直流輸出與給定值相一致，以達到單臺機組的穩流，并通過調節飽和電抗器偏移繞組的電流來實現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PLC完成大閉環控制，調節所有的整流機組，大閉環總調的PID輸出作為整流機組小閉環PID的給定值，使所有機組的直流輸出相同。當產生陽極效應時，可同時調節所有機組飽和電抗器的控制繞組電流，如無法滿足穩流要求時，可自動判斷降檔升壓。另外，大閉環還可實現恒安時控制、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，可對系統做動態控制;有DH+和RS-232兩個通訊口;機內配有高速計數器，以適應對機外高速信號的計數要求，CPU帶有兩個計數頻率最高達2kHz的高速計數器，每個計數器可用程序復位，并可設置成加法計數、減法計數或相位差90°的兩個脈沖序列;為系統備有專用的數字擴展模塊(EM)，可以很方便的對系統的輸入輸出點做擴展;具有靈活的中斷輸入，以極快的速度響應中斷請求信號。
3 自動穩流控制3.1 信號取樣由于目前國產直流互感器的溫漂做的不好，信號失真大，磁放大時間常數太長，不利于即時準確的控制等原因，穩流系統小閉環反饋信號取自于整流一次側交流信號;穩流系統大閉環反饋控制信號取自于總直流互感器，經變送器把小信號傳至總調PLC;整流系統總的輸出電流由上位計算機系統通過通訊方式來設定。3.2 控制功能在自動穩流系統中，PLC主要完成整個系統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調節器進行控制?？刂平Y果轉換成控制輸出脈沖并經功率放大后，去觸發晶閘管整流電路的占空比，改變飽和電抗器的控制電流，從而達到機組電流穩定的目的。(2) 平衡控制由于飽和電抗器的特性不一致，經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，兩者比較的結果通過PI調節器調節后，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柜穩流。(3) 總調控制前已提及，電解槽所需總的直流電流等于幾臺單機組輸出電流之和。由于單機組穩流可實現單機組輸出電流穩定，為了使電解槽所獲得的總電流更加精確穩定，將總電流經互感器反饋至PLC輸入端，與上位計算機的給定值進行比較計算，輸出的結果作為單機組穩流的分調給定，從而提高整個電流穩定精度?？傉{PLC輸出4個4~20mA的信號，同時用于控制4個整流機組的總調給定。一般飽和電抗器的控制深度為60V左右，當其飽和或截止時，PLC能自動調節變壓器有載開關的升降，從而使總電流不論在多大的電壓波動情況下，均能達到穩流的目的，擴大了調壓范圍。(4) 恒安時控制每3分鐘實測一次電解電流值，并將在1小時內實測的電解電流值累加，累加結果與設定值進行比較，根據所求差值與小時剩余時間自動調整設定電流，以達到安時偏差自動控制。3.3 控制方式穩流系統采用了四種控制方式。(1) 自動/總調方式在此方式下，有載開關升降檔指令均由計算機控制。有載開關升降操作是通過飽和電抗器控制電流來確認有載開關的升與降，這個動作不影響系統的單個有載開關位置。如果機組的一個有載開關發生升或降的要求，這要求將送入計算機并引起所有機組有載開關同時升或降。(2) 手動/總調方式這種方式允許操作員進行總調，同時動作向上或向下，有載開關升降檔通過外部按鈕來實現。機組總的調整與自動/總調方式相同。(3) 自動/分調方式此方式用于單個機組與其他機組有不同基準的情況下。此時，本機組有載開關升降不起作用。(4) 手動/分調方式此方式用于單機組與其他機組有不同基準的情況下，希望由本機組有載開關升降來調整本機組的電流?？傊?，不管是何種控制方式，都是通過調整飽和電抗器控制繞組的控制電流對整個整流系統進行細調。判斷是否需要調控有載開關，是通過檢測4臺機組的有載開關檔位來確定應動作哪臺機組的有載開關。當需要升壓時，動作最低級;當需要降壓時，動作最高級。通常是4臺機組有載開關聯動。
4 結束語原有穩流系統采用了模擬電路控制飽和電抗器來調節電流的方法，致使調試工作量大，控制精度低，在實際運行中時常發生進線刀閘亂動，動力變莫名其妙跳閘，數據報表與實際不符等現象。我們將原有穩流部分采用PLC控制后，使系統顯示出以下幾個特點:(1) 可靠性和穩定性得到了很大的提高，故障率明顯下降;(2) 由于PID調節器由PLC軟件實現，使得整個系統的接線簡單，易于安裝，維護量減小;(3) 不需同步信號，無相序要求，系統變得易于調試;(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，提高了輸出電流的穩流精度(單機組穩流精度達到了0.5%);(5) 操作簡單，可方便地與計算機或其它設備通訊。