1 引言

大型预焙铝电解槽自动控制机（简称槽控机）是铝电解^〔1〕生产过程控制的核心设备。槽控机基于单片机^〔2〕8051的实时在线控制器。其输入通道有：采集电解槽的槽电压（u）和槽电流（i），接收触摸开关板的各种工艺操作手动信号，接收各种检测信号；其输出通道有：保持电解槽能量平衡的阳极升降信号，保持电解槽物料平衡的打壳和下料信号，效应灯和效应报警信号。槽控机通过智能模糊控制软件完成对生产工艺的各种控制功能。其阳极升降过程的安全可靠性^[3>是电解生产的重中之重，是铝冶炼生产过程中的重大危险源。一旦阳极升降系统失控，就会出现电解槽压槽和拔槽事故。特别是拔槽事故造成系列电流为几百千安培（目前最大350 KA）的阴极和阳极脱开断路，致使出现单台或多台电解槽剧烈爆炸事故，严重的将会造成整个电解系列停产，经济损失将会十分惨重。

2 影响槽控机可靠性因素分析

系统的可靠性应从硬件设计和系统运行环境进行分析，在满足系统各项控制功能的同时，对系统自身运行过程中出现的各种干扰信号及来自系统外部的干扰信号进行有效抑制，对阳极升降系统作到有效保护，从而达到系统稳定可靠工作的目的。

中铝青海分公司大型预焙电解槽于1987年12月投产，在提高槽控机可靠性方面，作了大量的研究、探索、改进工作，并逐渐优化，大大提高了槽控系统的可靠性。在可靠性的提高方面，采用软件保护技术、硬件保护技术、软硬件结合的保护技术、抗干扰技术。在控制系统中，首先使用软件保护，如限定自动升降阳极时槽工作电压（或槽电阻）的范围在3.8v～4.5v，系列电流的范围在正常设定值上下20％，软件计时等。当软件保护失效时，系统自动启动硬件保护。一般来说，软件保护更精确，但相对脆弱，而硬件保护可靠性更高。有的保护采用软硬件相结合的保护，如监视定时器技术（Watchdog）。

3 提高槽控机系统可靠性的思想

提高槽控机系统可靠性的设计思路从以下几个方面进行论述。

3.1　主接触器防粘连及接触器互锁设计

主接触器防粘连电路中共设计了四个接触器，如图1所示。其中3KM、4KM叫正反转接触器，它们的常闭触点串连后，再与1KM的常开触点并连，接入1KM、2KM的线圈回路。其作用是，正反转接触器中只要有一个发生粘连，1KM、2KM都不能闭合，用以降低事故概率，这叫做防止粘连电路。正反转接触器3KM和4KM的常闭触点，与其线圈交叉串连，用以防止同时闭合短路事故发生。

图1 主接触器防粘连示意图

软件方面：提升电机得电的条件必须有三个接触器（1km、2km、3km或4km）同时吸合。当提升机断电时，软件发出命令，断开三个接触器的线包电源，一旦三个接触器有一个主结点粘连，其它两个接触器主结点粘连也能断开，即设计确保提升机安全断电；另一方面，控制程序通过检测回路实时检测接触器是否有粘连情况，发现之后立即产生故障信息，同时禁止自动阳极升降动作。

接触器互锁：升降互锁的目的是防止升接触器和降接触器同时闭合，避免相间短路。升降互锁分电路互锁和命令互锁。命令互锁原理如图2，在升和降中，只要有一个控制口有输出，另外一个口就被封闭。电器升降互锁是升接触器和降接触器的线包与对方的常闭触点串联，只要升接触器和降接触器吸合，另一个接触器的线包由于对方的常闭触点断开而不能得电。

图2 接触器互锁示意图

3.2　交流口电路设计、升降动作定时器

交流口的作用是防止程序走错后的误操作，其设计原理如图3所示。

在程序正常运行过程中进行阳极要升降操作，由程序控制使微处理器的一个输出口输出方波信号，该方波信号被送到隔直流通交流电路，被通过的交流成分输出到整流滤波电路，经过整流滤波得到一个交流口状态的高低电平信号，使直流控制电路有直流电源输出，交流控制电路被导通，使升降得以进行。假如程序走乱，上述的方波便消失，交流控制电路的电源被切断，升降被禁止。

图3 交流口及定时器示意图

升降动作定时器(参见图3)是独立于CPU之外专门设置的定时器。当阳极升降开始以后，由检测电路来的脉冲信号送到计数电路进行计数；同时该脉冲送整流滤波电路，经过线与电路，控制计数电路的复位，使复位计数器不起作用，于是，计数电路开始计数。当计数器超时时，产生输出信号，CPU接收后，立即停止阳极升降动作。定时时间的长短由跳线选定，1-32秒之间可以调节，本系统设定为8秒。

定时器的复位：定时器处在超时状态时，由于计数器状态不会自动复位，必须由外部信号使它复位。这种外部信号可由CPU的某一输出脚来产生，CPU接收到槽控机操作面板上由操作人员输入的复位请示信号后，使可操作计数器复位。

定时器的测试：定时器输入的脉冲信号来自提升机接触器（1Km，2Km）吸合操作，人工测试定时器就可按下接触器来实现。当按下接触器时（1Km，2Km），检测电路上的发光管首先点亮，接着计数电路上的发光管开始闪烁，闪烁到规定次数时，超时指示发光管被点亮，释放接触器，超时指示发光管保持点亮状态(这种状态叫做定时器超时)，说明定时器工作正常。其实，槽控机投入运行后，每小时做一次自诊断，其中就包括定时器的检测。

3.3 跳主闸电路

在主回路中AIR1是带脱扣器的空气开关，当有特殊情况时，按箱外紧急跳闸按钮达到断开设备电的目的。若按钮粘连导致阳极提升或下降不能停止时，按下紧急跳闸按钮，可切断动力电源（如图4所示）。

软件方面，控制程序以毫秒级的速度对检测信号进行扫描，一旦发现有阳极升降动作，而CPU没有发出阳极升降动作命令，则认为该次升降动作属干扰引起，立即发出跳主闸命令，切断动力电源，保护升降系统（如图4所示）。

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图4 跳主闸电路图

3.4　监视定时器（Watchdog）

监视定时器X25045与CPU的连接：作用是监视电源WATCH DOG，内含EEPROM，容量 2K字节，用于保存控制参数，和CPU串行传送。该芯片有片选CS信号，复位信号，时钟SCK、写保护输入信号、串行输入输出数据信号。

图5 监视定时器电路图

采用监视定时器技术，一旦程序跑非，系统立即会被监视定时器复位掉，重头重新启动系统，从而退出不正常的运行状态且保证系统的可重入性，使用X25045中EEPROM的历史数据，使系统自行的操作不因重新起动而改变，保证系统的连续性和顺序性，最终保证系统的安全性和可靠性。

3.5　抗干扰及其措施

在槽控机控制系统中运用了一系列的抗干扰措施：

（1）用隔离变压器为槽控机主回路的控制电源进行一级隔离；

（2）Ac380V/Ac220V隔离变压器将已经经过Ac380V/Ac380V隔离变压器隔离过的交

Ac380V进行二级隔离,并变压为所需要的交流Ac220V，供低压电器控制回路使用。另一路Ac220V在经过Ac220V/Ac9V控制变压器变成Ac9V作为槽控机电路板工作电源之一。

（3）在执行机构设计中采用了RC吸收回路。

（4）过程通道的设计中采用光电耦合隔离、通讯双绞线传输屏蔽、信号的长线电流传输、

信号传输的阻抗匹配等措施。

（5）印刷电路板中采用集成电路的去藕电容配置以消除对印刷电路板集成电路的杂波干

扰。

4 结束语

以上讨论了最重要最基本的几种槽控机可靠性设计思想。实际运行证明，系统的可靠性设计经受了强大电磁干扰、工频信号干扰等复杂的工业环境的考验，特别是阳极升降的可靠性，得到了大幅的提高，为电解生产的安全平稳运行提供了有力的保障。