1 引言
大型預焙鋁電解槽自動控制機（簡稱槽控機）是鋁電解〔1〕生產過程控制的核心設備。槽控機基于單片機〔2〕8051的實時在線控制器。其輸入通道有：采集電解槽的槽電壓（u）和槽電流（i），接收觸摸開關板的各種工藝操作手動信號，接收各種檢測信號；其輸出通道有：保持電解槽能量平衡的陽極升降信號，保持電解槽物料平衡的打殼和下料信號，效應燈和效應報警信號。槽控機通過智能模糊控制軟件完成對生產工藝的各種控制功能。其陽極升降過程的安全可靠性[3>是電解生產的重中之重，是鋁冶煉生產過程中的重大危險源。一旦陽極升降系統失控，就會出現電解槽壓槽和拔槽事故。特別是拔槽事故造成系列電流為幾百千安培（目前最大350 KA）的陰極和陽極脫開斷路，致使出現單臺或多臺電解槽劇烈爆炸事故，嚴重的將會造成整個電解系列停產，經濟損失將會十分慘重。
2 影響槽控機可靠性因素分析
系統的可靠性應從硬件設計和系統運行環境進行分析，在滿足系統各項控制功能的同時，對系統自身運行過程中出現的各種干擾信號及來自系統外部的干擾信號進行有效抑制，對陽極升降系統作到有效保護，從而達到系統穩定可靠工作的目的。
中鋁青海分公司大型預焙電解槽于1987年12月投產，在提高槽控機可靠性方面，作了大量的研究、探索、改進工作，并逐漸優化，大大提高了槽控系統的可靠性。在可靠性的提高方面，采用軟件保護技術、硬件保護技術、軟硬件結合的保護技術、抗干擾技術。在控制系統中，首先使用軟件保護，如限定自動升降陽極時槽工作電壓（或槽電阻）的范圍在3.8v～4.5v，系列電流的范圍在正常設定值上下20％，軟件計時等。當軟件保護失效時，系統自動啟動硬件保護。一般來說，軟件保護更精確，但相對脆弱，而硬件保護可靠性更高。有的保護采用軟硬件相結合的保護，如監視定時器技術（Watchdog）。
3 提高槽控機系統可靠性的思想
提高槽控機系統可靠性的設計思路從以下幾個方面進行論述。
3.1 主接觸器防粘連及接觸器互鎖設計
主接觸器防粘連電路中共設計了四個接觸器，如圖1所示。其中3KM、4KM叫正反轉接觸器，它們的常閉觸點串連后，再與1KM的常開觸點并連，接入1KM、2KM的線圈回路。其作用是，正反轉接觸器中只要有一個發生粘連，1KM、2KM都不能閉合，用以降低事故概率，這叫做防止粘連電路。正反轉接觸器3KM和4KM的常閉觸點，與其線圈交叉串連，用以防止同時閉合短路事故發生。
圖1 主接觸器防粘連示意圖
軟件方面：提升電機得電的條件必須有三個接觸器（1km、2km、3km或4km）同時吸合。當提升機斷電時，軟件發出命令，斷開三個接觸器的線包電源，一旦三個接觸器有一個主結點粘連，其它兩個接觸器主結點粘連也能斷開，即設計確保提升機安全斷電；另一方面，控制程序通過檢測回路實時檢測接觸器是否有粘連情況，發現之后立即產生故障信息，同時禁止自動陽極升降動作。
接觸器互鎖：升降互鎖的目的是防止升接觸器和降接觸器同時閉合，避免相間短路。升降互鎖分電路互鎖和命令互鎖。命令互鎖原理如圖2，在升和降中，只要有一個控制口有輸出，另外一個口就被封閉。電器升降互鎖是升接觸器和降接觸器的線包與對方的常閉觸點串聯，只要升接觸器和降接觸器吸合，另一個接觸器的線包由于對方的常閉觸點斷開而不能得電。
圖2 接觸器互鎖示意圖
3.2 交流口電路設計、升降動作定時器
交流口的作用是防止程序走錯后的誤操作，其設計原理如圖3所示。
在程序正常運行過程中進行陽極要升降操作，由程序控制使微處理器的一個輸出口輸出方波信號，該方波信號被送到隔直流通交流電路，被通過的交流成分輸出到整流濾波電路，經過整流濾波得到一個交流口狀態的高低電平信號，使直流控制電路有直流電源輸出，交流控制電路被導通，使升降得以進行。假如程序走亂，上述的方波便消失，交流控制電路的電源被切斷，升降被禁止。
圖3 交流口及定時器示意圖
升降動作定時器(參見圖3)是獨立于CPU之外專門設置的定時器。當陽極升降開始以后，由檢測電路來的脈沖信號送到計數電路進行計數；同時該脈沖送整流濾波電路，經過線與電路，控制計數電路的復位，使復位計數器不起作用，于是，計數電路開始計數。當計數器超時時，產生輸出信號，CPU接收后，立即停止陽極升降動作。定時時間的長短由跳線選定，1-32秒之間可以調節，本系統設定為8秒。
定時器的復位：定時器處在超時狀態時，由于計數器狀態不會自動復位，必須由外部信號使它復位。這種外部信號可由CPU的某一輸出腳來產生，CPU接收到槽控機操作面板上由操作人員輸入的復位請示信號后，使可操作計數器復位。
定時器的測試：定時器輸入的脈沖信號來自提升機接觸器（1Km，2Km）吸合操作，人工測試定時器就可按下接觸器來實現。當按下接觸器時（1Km，2Km），檢測電路上的發光管首先點亮，接著計數電路上的發光管開始閃爍，閃爍到規定次數時，超時指示發光管被點亮，釋放接觸器，超時指示發光管保持點亮狀態(這種狀態叫做定時器超時)，說明定時器工作正常。其實，槽控機投入運行后，每小時做一次自診斷，其中就包括定時器的檢測。
3.3 跳主閘電路
在主回路中AIR1是帶脫扣器的空氣開關，當有特殊情況時，按箱外緊急跳閘按鈕達到斷開設備電的目的。若按鈕粘連導致陽極提升或下降不能停止時，按下緊急跳閘按鈕，可切斷動力電源（如圖4所示）。
軟件方面，控制程序以毫秒級的速度對檢測信號進行掃描，一旦發現有陽極升降動作，而CPU沒有發出陽極升降動作命令，則認為該次升降動作屬干擾引起，立即發出跳主閘命令，切斷動力電源，保護升降系統（如圖4所示）。
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圖4 跳主閘電路圖
3.4 監視定時器（Watchdog）
監視定時器X25045與CPU的連接：作用是監視電源WATCH DOG，內含EEPROM，容量 2K字節，用于保存控制參數，和CPU串行傳送。該芯片有片選CS信號，復位信號，時鐘SCK、寫保護輸入信號、串行輸入輸出數據信號。
圖5 監視定時器電路圖
采用監視定時器技術，一旦程序跑非，系統立即會被監視定時器復位掉，重頭重新啟動系統，從而退出不正常的運行狀態且保證系統的可重入性，使用X25045中EEPROM的歷史數據，使系統自行的操作不因重新起動而改變，保證系統的連續性和順序性，最終保證系統的安全性和可靠性。
3.5 抗干擾及其措施
在槽控機控制系統中運用了一系列的抗干擾措施：
（1）用隔離變壓器為槽控機主回路的控制電源進行一級隔離；
（2）Ac380V/Ac220V隔離變壓器將已經經過Ac380V/Ac380V隔離變壓器隔離過的交
Ac380V進行二級隔離,并變壓為所需要的交流Ac220V，供低壓電器控制回路使用。另一路Ac220V在經過Ac220V/Ac9V控制變壓器變成Ac9V作為槽控機電路板工作電源之一。
（3）在執行機構設計中采用了RC吸收回路。
（4）過程通道的設計中采用光電耦合隔離、通訊雙絞線傳輸屏蔽、信號的長線電流傳輸、
信號傳輸的阻抗匹配等措施。
（5）印刷電路板中采用集成電路的去藕電容配置以消除對印刷電路板集成電路的雜波干
擾。
4 結束語
以上討論了最重要最基本的幾種槽控機可靠性設計思想。實際運行證明，系統的可靠性設計經受了強大電磁干擾、工頻信號干擾等復雜的工業環境的考驗，特別是陽極升降的可靠性，得到了大幅的提高，為電解生產的安全平穩運行提供了有力的保障。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
