PLC在鋁電解整流供電系統中的應用

引言

中國鋁業(yè)公司青海分公司采用先進(jìn)的160kA大型預焙陽(yáng)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(shí)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(mǎn)足鋁電解的正常生產(chǎn)。整流系統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(kāi)關(guān)進(jìn)行粗調，飽和電抗器進(jìn)行細調的控制方式。由于電解鋁廠(chǎng)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(jiǎn)單，但專(zhuān)業(yè)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(dòng)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(dòng)穩流控制部分的組成及控制特點(diǎn)。

二、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(wǎng)，該PLC具有專(zhuān)用的DH+通訊網(wǎng)，通過(guò)專(zhuān)用板卡直接可與服務(wù)器相連。PLC之間的信息交換通過(guò)DH+網(wǎng)絡(luò )通訊來(lái)實(shí)現，圖1為網(wǎng)絡(luò )結構。

PLC組成的網(wǎng)絡(luò )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(shí)現小閉環(huán)控制；配置一套總調PLC，以實(shí)現大閉環(huán)控制。整流機組小閉環(huán)控制PLC用于單臺機組的穩流控制，其目的是用PLC的PID控制器實(shí)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(guò)調節飽和電抗器偏移繞組的電流來(lái)實(shí)現同一臺機組兩個(gè)整流柜之間輸出電流的平衡。采用一套總調PLC完成大閉環(huán)控制，調節所有的整流機組，大閉環(huán)總調的 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。當產(chǎn)生陽(yáng)極效應時(shí)，可同時(shí)調節所有機組飽和電抗器的控制繞組電流，如無(wú)法滿(mǎn)足穩流要求時(shí)，可自動(dòng)判斷降檔升壓。另外，大閉環(huán)還可實(shí)現恒安時(shí)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(dòng)態(tài)控制；有DH+和RS-232兩個(gè)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(gè)計數頻率最高達 2kHz的高速計數器，每個(gè)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(gè)脈沖序列；為系統備有專(zhuān)用的數字擴展模塊（EM），可以很方便的對系統的輸入輸出點(diǎn)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。
三、自動(dòng)穩流控制

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)間常數太長(cháng)，不利于即時(shí)準確的控制等原因，穩流系統小閉環(huán)反饋信號取自于整流一次側交流信號；穩流系統大閉環(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PLC；整流系統總的輸出電流由上位計算機系統通過(guò)通訊方式來(lái)設定。

2、控制功能在自動(dòng)穩流系統中，PLC主要完成整個(gè)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(gè)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調節器進(jìn)行控制?？刂平Y果轉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(jīng)常造成機組之間以及同一臺機組兩個(gè)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(guò)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(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(shí)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(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，輸出的結果作為單機組穩流的分調給定，從而提高整個(gè)電流穩定精度?？傉{PLC輸出4個(gè)4～20mA的信號，同時(shí)用于控制4個(gè)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(shí)，PLC能自動(dòng)調節變壓器有載開(kāi)關(guān)的升降，從而使總電流不論在多大的電壓波動(dòng)情況下，均能達到穩流的目的，擴大了調壓范圍。

（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)內實(shí)測的電解電流值累加，累加結果與設定值進(jìn)行比較，根據所求差值與小時(shí)剩余時(shí)間自動(dòng)調整設定電流，以達到安時(shí)偏差自動(dòng)控制。
3、控制方式穩流系統采用了四種控制方式。

（1） 自動(dòng)/總調方式

在此方式下，有載開(kāi)關(guān)升降檔指令均由計算機控制。有載開(kāi)關(guān)升降操作是通過(guò)飽和電抗器控制電流來(lái)確認有載開(kāi)關(guān)的升與降，這個(gè)動(dòng)作不影響系統的單個(gè)有載開(kāi)關(guān)位置。如果機組的一個(gè)有載開(kāi)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(kāi)關(guān)同時(shí)升或降。

（2） 手動(dòng)/總調方式

這種方式允許操作員進(jìn)行總調，同時(shí)動(dòng)作向上或向下，有載開(kāi)關(guān)升降檔通過(guò)外部按鈕來(lái)實(shí)現。機組總的調整與自動(dòng)/總調方式相同。

（3） 自動(dòng)/分調方式

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

（4） 手動(dòng)/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(kāi)關(guān)升降來(lái)調整本機組的電流?？傊?，不管是何種控制方式，都是通過(guò)調整飽和電抗器控制繞組的控制電流對整個(gè)整流系統進(jìn)行細調。判斷是否需要調控有載開(kāi)關(guān)，是通過(guò)檢測4臺機組的有載開(kāi)關(guān)檔位來(lái)確定應動(dòng)作哪臺機組的有載開(kāi)關(guān)。當需要升壓時(shí)，動(dòng)作最低級；當需要降壓時(shí)，動(dòng)作最高級。通常是4臺機組有載開(kāi)關(guān)聯(lián)動(dòng)。

四、結束語(yǔ)

原有穩流系統采用了模擬電路控制飽和電抗器來(lái)調節電流的方法，致使調試工作量大，控制精度低，在實(shí)際運行中時(shí)常發(fā)生進(jìn)線(xiàn)刀閘亂動(dòng)，動(dòng)力變莫名其妙跳閘，數據報表與實(shí)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(gè)特點(diǎn)：

（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(shí)現，使得整個(gè)系統的接線(xiàn)簡(jiǎn)單，易于安裝，維護量減??；

（3） 不需同步信號，無(wú)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(xiàn)性的，PLC能自動(dòng)識別其工作范圍，從而自動(dòng)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(jiǎn)單，可方便地與計算機或其它設備通訊。