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(jī)組，單機(jī)組額定輸出直流為1150V、56kA；正常為四套機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，各輸出40kA、1150V的直流電，共輸出直流為 160kA、1150V；當(dāng)有一套機(jī)組退出運(yùn)行后，其余三套機(jī)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(diǎn)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(qiáng)，可靠程度要求很高。因此，項(xiàng)目采用了微機(jī)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(diǎn)。

二、系統(tǒng)配置

為了獨(dú)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(shí)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(jī)組各配置PLC，以實(shí)現(xiàn)小閉環(huán)控制；配置一套總調(diào)PLC，以實(shí)現(xiàn)大閉環(huán)控制。整流機(jī)組小閉環(huán)控制PLC用于單臺機(jī)組的穩(wěn)流控制，其目的是用PLC的PID控制器實(shí)現(xiàn)單臺機(jī)組的直流輸出與給定值相一致，以達(dá)到單臺機(jī)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(shí)現(xiàn)同一臺機(jī)組兩個(gè)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(jī)組，大閉環(huán)總調(diào)的 PID輸出作為整流機(jī)組小閉環(huán)PID的給定值，使所有機(jī)組的直流輸出相同。當(dāng)產(chǎn)生陽極效應(yīng)時(shí)，可同時(shí)調(diào)節(jié)所有機(jī)組飽和電抗器的控制繞組電流，如無法滿足穩(wěn)流要求時(shí)，可自動判斷降檔升壓。另外，大閉環(huán)還可實(shí)現(xiàn)恒安時(shí)控制、最大需要控制、整流機(jī)組啟停等功能。SLC-5/04 PLC具有PID運(yùn)算功能和指令，可對系統(tǒng)做動態(tài)控制；有DH+和RS-232兩個(gè)通訊口；機(jī)內(nèi)配有高速計(jì)數(shù)器，以適應(yīng)對機(jī)外高速信號的計(jì)數(shù)要求，CPU帶有兩個(gè)計(jì)數(shù)頻率最高達(dá) 2kHz的高速計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器可用程序復(fù)位，并可設(shè)置成加法計(jì)數(shù)、減法計(jì)數(shù)或相位差90°的兩個(gè)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(diǎn)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(shí)間常數(shù)太長，不利于即時(shí)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(jì)算機(jī)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(gè)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(gè)部分：

（1） 恒流控制

恒流控制是將機(jī)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(jī)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(jī)組之間以及同一臺機(jī)組兩個(gè)整流柜之間輸出電流有較大的差別，使整流機(jī)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(gè)整流柜的直流電流始終保持平衡。此時(shí)，PLC輸出2個(gè)4～20mA的信號，分別控制整流機(jī)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(jī)組輸出電流之和。由于單機(jī)組穩(wěn)流可實(shí)現(xiàn)單機(jī)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(jì)算機(jī)的給定值進(jìn)行比較計(jì)算，輸出的結(jié)果作為單機(jī)組穩(wěn)流的分調(diào)給定，從而提高整個(gè)電流穩(wěn)定精度?？傉{(diào)PLC輸出4個(gè)4～20mA的信號，同時(shí)用于控制4個(gè)整流機(jī)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(shí)，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(shí)控制

每3分鐘實(shí)測一次電解電流值，并將在1小時(shí)內(nèi)實(shí)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(shí)剩余時(shí)間自動調(diào)整設(shè)定電流，以達(dá)到安時(shí)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(jì)算機(jī)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(gè)動作不影響系統(tǒng)的單個(gè)有載開關(guān)位置。如果機(jī)組的一個(gè)有載開關(guān)發(fā)生升或降的要求，這要求將送入計(jì)算機(jī)并引起所有機(jī)組有載開關(guān)同時(shí)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(shí)動作向上或向下，有載開關(guān)升降檔通過外部按鈕來實(shí)現(xiàn)。機(jī)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(gè)機(jī)組與其他機(jī)組有不同基準(zhǔn)的情況下。此時(shí)，本機(jī)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(jī)組與其他機(jī)組有不同基準(zhǔn)的情況下，希望由本機(jī)組有載開關(guān)升降來調(diào)整本機(jī)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(gè)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(jī)組的有載開關(guān)檔位來確定應(yīng)動作哪臺機(jī)組的有載開關(guān)。當(dāng)需要升壓時(shí)，動作最低級；當(dāng)需要降壓時(shí)，動作最高級。通常是4臺機(jī)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(shí)際運(yùn)行中時(shí)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(bào)表與實(shí)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(gè)特點(diǎn)：

（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(shí)現(xiàn)，使得整個(gè)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(jī)組穩(wěn)流精度達(dá)到了0.5%）；

（5） 操作簡單，可方便地與計(jì)算機(jī)或其它設(shè)備通訊。