Анализ современных систем управления сериями электролизеров алюминиевых заводов.

Фролов Ю.И., Ахмедов С.Н., Громов Б.С., Пак Р.В.

В настоящее время на алюминиевых заводах России и стран СНГ находятся в эксплуатации разнообразные типы электролизеров: от первых разработок - самообжигающиеся аноды с боковым токоподводом на силу тока 50 кА, до электролизеров на силу тока 255 (300) кА с обоженными анодами, оснащенных системами АПГ.

Такое же разнообразие представляют собой и системы управления этими электролизерами на различных алюминиевых заводах.

От первых модификаций систем типа "Алюминий", "Электролиз" до импортных систем управления фирм "SIEMENS", " FF ELECTRONIIKA", "CELTROL", а так же систем управления отечественной разработки: "Тролль", "ШУЭ БМ", "NEVA", " СААТ-1", "Электра".

Перечисленные системы управления имеют значительные различия в структуре, конструкции, элементной базе, программном обеспечении и несовместимы друг с другом.

Такая ситуация сложилась исторически, из-за значительного временного периода в течение которого разрабатывались и поставлялись системы управления.

Проводя системотехнический анализ современных систем управления электролизерами можно выделить типовые блоки (модули) которые в том или другом виде входят в состав всех современных систем управления, как импортных, так и отечественных.

Блок управления.

В состав этого блока входит управляющий контроллер нижнего уровня управления (индивидуальный или групповой), устройства сопряжения и гальванического разделения входных и выходных аналоговых и дискретных сигналов, устройства сопряжения и гальванического разделения управляющих и информационных интерфейсных связей, блоки или устройства питания.

Блок представления информации.

В состав блока входит устройства представления информации и сигнализации о ходе технологического процесса в корпусе электролиза. Эти устройства могут размещаться как непосредственно в шкафу управления электролизером, так и в отдельном выносном шкафу представления информации. Выносной шкаф представления информации, как правило, представляет информацию от нескольких электролизеров. Устройства представления информации могут представлять собой вольтметр, цифровое табло, набор сигнальных ламп и фонарей, сирену. В выносном шкафу представления информации могут быть размещены многострочные цифровые табло и графические терминалы.

Блок задания режимов управления.

Это, как правило, переключатели режимов работы, устройства местного управления перемещением анодов, аварийных отключений, местного управления включением пробойников и дозаторов АПГ. Техническая реализация осуществляется с помощью универсальных переключателей, тумблеров и кнопок. Эти элементы обычно устанавливаются на двери шкафа управления электролизером.

Силовой блок.

Обеспечивает управление приводом анодного массива. Для конструкций электролизеров с самообжигащимися анодами и верхним токоподводом блок обеспечивает также управление перемещением анодного кожуха. В состав блока входит силовой автомат, реверсивный пускатель. При управлении двухдвигательным приводом, дополнительно устанавливаются пускатели или ключи выравнивания анодной рамы. Силовой блок может также укомплектовываться трансформаторами тока и реле или преобразователями тока для ввода обратной связи о включении электродвигателя в контроллер. В некоторых системах управления, в силовой блок устанавливается аппаратная защита от самохода (отключение вводного силового автомата от реле времени при непрерывном перемещении в автоматическом режиме анода более 20 сек.)

Блок АПГ.

Блок решает задачи управления пневматическими пробойниками и дозаторами автоматизированной системы подачи глинозема и фтористых солей в электролизер. Во всех рассматриваемых системах управления блок АПГ условно делился на две части: пульт пневматики, устанавливаемый на электролизере, и часть блока управления, реализующая электрические сигналы управления от контроллера, установленного в шкафу управления электролизером. В пульте пневматики устанавливаются электропневмораС_пределители, фильтры очистки, в некоторых случаях, пневмореле, и в последних разработках - индивидуальные ресиверы на каждый электролизер.

Блок реализации климатических условий.

Блок служит для обеспечения необходимых климатических условий для работы оборудования, устанавливаемого в шкаф управления электролизером. Поддержание заданного диапазона температур в пределах от 0 до 50°С для алюминиевых заводов, находящихся в сибирских регионах, с перепадами температур в корпусе от -40°С зимой до + 45°С летом является непростой задачей. Для некоторых регионов с жарким климатом требуется охлаждение аппаратуры. Для регионов с умеренным климатом блок реализации климатических условий может отсутствовать.

Программное обеспечение нижнего уровня управления.

Несмотря на то, что состав выполняемых функций на нижнем уровне управления на всех современных системах управления близок, программное обеспечение нижнего уровня управления, устанавливаемое на контроллеры, размещаемые в шкафу управления электролизером, для каждой системы управления специфично и определяется привычками и навыком программиста и языком программирования, реализуемым в конкретном контроллере нижнего уровня управления.

Программное обеспечение верхнего уровня управления.

Программное обеспечение верхнего уровня управления (устанавливаемое на компьютере оператора системы), в импортных системах управления и в ряде систем управления отечественных разработок реализовано с помощью одного из стандартных диспетчерских пакетов прикладного программного обеспечения типа "SCADA" (например "FIX"). На ряде систем управления отечественной разработки, программное обеспечение разработано непосредственно с помощью языка программирования "VISUAL C".

Общая структура систем управления серией электролиза.

Практически все системы управления серией электролиза являются иерархическими трехуровневыми системами.

Типовая структура системы управления серией электролиза приведена на рис.1.

На верхнем уровне управления размещаются ЭВМ оператора промышленного исполнения, одна или две. Связь с контроллерами среднего уровня управления осуществляется по интерфейсным связям, по одному из стандартных протоколов: ETHERNET, PROFIBUS, MODBUS, CAN. В некоторых системах управления отечественной разработки применены нестандартные протоколы обмена. Связь между контроллерами нижнего и среднего уровня управления осуществляется в соответствии с сетевыми ресурсами примененного контроллера нижнего уровня управления.

В результате приведенного выше анализа систем управления, для унификации и разработки стандартных модулей из которых можно было бы скомпоновать систему управления любым электролизером, необходимо провести следующий комплекс работ:

Сравнительный анализ стоимостных характеристик систем управления для разных типов электролизеров удобно производить с помощью специально разработанного критерия - приведенная стоимость С_пр.. Эта стоимость рассчитывается путем деления общей стоимости системы управления серией электролизеров, включая стоимость комплекса технических средств и инжиниринга, на число электролизеров в серии и полученное число делится на номинальный ток электролизера. Размерность С_пр - в $/кА. Для сравнения динамики изменения стоимости систем управления для разных типов электролизеров, можно пользоваться шкалой в %, где за 100% принимается приведенная стоимость системы управления для электролизеров самой малой мощности - 50кА. (рис.2)

Анализ С_пр. для различных типов электролизеров показывает, что при оптимально С_проектированной системе управления, приведенная стоимость системы управления монотонно снижается, с увеличением силы тока на электролизере.

Используя предлагаемый критерий, можно рассчитать оптимальную стоимость системы управления для каждого типа электролизера, и на основании этой стоимости, выбрать выгодную, с экономической точки зрения, структуру и состав комплекса технических средств системы управления.

Более низкая стоимость систем управления электролизерами с самообжигающимися анодами с боковым токоподводом, по сравнению с системами управления электролизерами с обоженными анодами, объясняется традиционно принятыми системотехническими решениями, при которых, указанные электролизеры управляются групповыми системами управления, обеспечивающими большее количество управляемых электролизеров от одного контроллера. Недостатком таких систем управления является невысокая скорость опроса технологической информации о состоянии электролизера и, как следствие этого, недостаточно динамичное управление технологическим процессом. Однако, учитывая, что электролизеры с самообжигающимися анодами небольшой мощности с боковым токоподводом, как правило, не оснащены системами автоматического питания ванн глиноземом, требования по динамике опроса и управления такими электролизерами могут быть снижены.

График для систем управления электролизерами с обоженными анодами, аппроксимирован на основе данных по стоимостям систем управления отечественной разработки и отражает опыт, полученный на основании анализа стоимостей большого количества систем управления, разработанных для электролизеров на разные силы тока.

Более высокая стоимость систем управления для электролизеров с самообжигающимися анодами с верхним токоподводом объясняется необходимостью установки дополнительного оборудования по управлению электроприводом анодного кожуха, при аналогичных для электролизеров с обоженными анодами структурах систем управления.

Совместный анализ технологических особенностей систем управления и приведенной столимости (С_пр.) позволяет проверить оценку решений заложенных в конструкцию самого электролизера.

Если разработанная для данного типа электролизера система управления имеет значительное отличие в большую сторону от зависимостей приведенных на рис.2., то можно сделать вывод, что количество объектов управления электролизера (приводов анода, кожуха, механизмов АПГ) не отвечает критерию минимизации капитальных затрат. Следовательно, необходимо искать такие технические решения, по объекту управления, которые устраняют указанные недостатки.

Вывод:

РЕФЕРАТ

Проведен анализ существующих систем управления сериями электролизеров алюминиевых заводов. Выделены типовые модули систем управления. Даны предложения по унификации систем управления. Введен критерий приведенной стоимости системы управления. Представлены зависимости изменения приведенной стоимости от типа и силы тока электролизеров.