电解铝厂生产全过程监控网络架构及安全性的研究与系统实现

傅开伟 王 勇张 军 董 雪

（1．重庆天泰铝业有限公司，重庆 400328；2．南京控制系统有限公司，江苏 南京 211000）

电解铝厂生产全过程监控网络架构及安全性的研究与系统实现

傅开伟 王 勇1张 军 董 雪2

（1．重庆天泰铝业有限公司，重庆 400328；2．南京控制系统有限公司，江苏 南京 211000）

以适应现代电解铝行业发展趋势，电解铝厂生产全过程监控系统正在新建项目中得到开发和应用。论文详细论述了系统需求、网络架构及安全性研究、分析到实现的过程和系统实现的效果。

电解铝厂；全过程监控；网络架构及安全性；系统实现

概述

随着信息技术和网络技术的迅速发展，电解铝厂生产全过程综合控制技术作为电解铝冶炼必须的检测监控手段正发生着深刻的变化。传统意义上的电解铝厂各生产环节自动化水平相对落后，各系统孤立运行，生产运行和维护分离管理，自动化处理能力不足，不能充分发挥设备能力，资源浪费严重，事故频频发生。自动化程度不高，大部分操作需通过人工手动进行，操作人员劳动强度大，效率较低，管理困难。因此急需建立面向对象、面向全局、开放式、分层分布的电解铝综合自动化系统，将电解整流、电解槽控等在正常及事故情况下的监测、保护、控制、计量、工作管理有机地融合在一起，改进变电整流供电质量和电解工艺参数，与电解建立了更密切更负责的关系。

1 生产全过程综合监控系统的建立

图1 综合监控系统网络结构图

电解铝厂生产全过程综合监控系统 融合电解铝厂电解整流、电解槽控、原料供给、烟气净化、空压气体等系统的

运行与监测，并同时作为电解铝厂生产调度控制中心。综合监控系统以控制对象为基础、设备管理为保障、优化流程为目标，秉承“分级控制、集中监控”理念，进行整体设计，在满足安全性、可靠性、实用性的基础上，建立面向对象、面向全局、开放式、分层分布的电解铝厂生产自动化系统。系统采用单元结构，分为设备层、监控层二层构架。

1.1 设备层：包括变电整流、电解槽控、烟气净化、空压站、循环水、设备状态监测、智能直流电源、视频监控等，通过对现场设备状态、作业环境、生产过程的实时监测和控制，为电解系列监控系统提供全面的生产实时过程信息和控制。

1.2 监控层：建设一体化监控平台，全面接入上述设备层子系统，实现数据的收集汇总和信息共享，实现电解、整流的集中监控，实现各类事故预警和故障快速处理指导，实现WEB远程管理维护等功能。

2 网络架构及安全性研究

A按对象分层分布式组网模式

电解铝厂生产全过程控制系统涵盖电解铝生产过程的全部环节，系统庞大，网络节点众多，必须设计合理、稳定的网络结构。为使生产各环节子系统独立组网，生产与检修互不影响，生产网与信息网数据相互共享的同时网络相对独立。为此，需建立分层分布式的网络构架，优化网络的运行效率，对生产过程信息进行全面的展示与分析。

B优化双机切换，平衡分配负荷

针对双机主备服务系统，当服务器发生切换时，可能发生的采集数据丢失及操作的成功率进行优化。传统的主备机大都是被动主备关系，所有服务在主机运行，备机处在热备用，这导致主机处于长期高负荷运行，而备机却低负荷甚至无负荷运行，主机长期高负荷运行增加故障概率。并且当真正需要切机时，所有服务切换需要更长时间，从而引起数据丢失。

C网络数据流量统计和数据分类

图2

电解铝厂生产全过程控制系统网络监控的数据点多，信息流量大，需要进行流量统计分析，同时需要对传输数据进行分类，不同优先级的数据用不同的传输频率。数据分为秒级、分钟级、小时级，重要设备的状态信息通过秒级数据传输，一般设备的状态信息通过分钟级数据传输，运行记录等历史信息通过小时级数据传输。

D监控网络和企业信息网的数据交互

生产自动化网络和企业信息网常规是独立建设，但随着信息化技术的发展，要求自动化网和企业网进行信息交互，例如过程控制网需要读取信息中心的化验室数据，过程控制网的一些统计数据也应上传给企业网，以供决策分析用。系统采用基于Web的远程监控与数据采集模式，根据远程端页面动态收发实时数据，有效实现信息数据的共享。

3 系统的实现

通过以上网络架构及安全性研究，本监控平台采用分层、分布、模块化设计思想，如图2所示：

系统以IBM X3850机架式服务器为硬件平台，通过RuggedCom交换机联接各系统节点。服务器采用SUSE11操作系统，在保证系统安全性的同时，又不失其灵活及高效性。实时库和历史库的分工配置保证了数据处理的实时、安全、高效。数据库实时数据库负责管理存放在内存缓冲区中的实时运行数据，以提高系统的响应速度和处理能力。原始的数据模型存于商用库，各应用服务器上实时库中的数据从商用库中下装，下装后即可为其他客户端提供数据访问服务。

实时数据库具有如下特点：

3.1 分布式结构，便于实时数据库节点的增减。与普通商用数据库采用集中式存储不同，系统实时数据库支持分布式结构，不同节点的实时数据通过同步机制实现同步刷新。这种结构使得系统具有良好的开放性，可以方便地进行节点的增减。

3.2 采用关系模型，支持SQL语言。系统的实时数据库采用关系模型建设，因此具备支持SQL语言的能力。根据实时数据库的特点，系统设计了一个SQL语言子集，支持常用的Select，Insert，Update等命令，并且保证了语法的统一。第三方软件或用户可以通过SQL语言命令，方便地对实时数据进行处理，具有良好的开放性。

历史数据库主要用于存储系统模型、采样数据、告警等需要长期保存，但读写频率较低的数据。采用商用数据库（Oracle）或开源数据库（MySQL）存储历史数据，并通过一套历史数据库管理模块，实现了多数据库同步、“1+N”等高级功能，保证了历史数据的完整与可靠。

4 效果及意义

以设备管理为保障，安全运行生产为目的，进行整体设计，在满足安全性、可靠性、实用性的基础上，计算机硬软件系统或自动装置在集控室集中监控，代替人工对电解整流的分散控制，进行集中监控、测量和运行操作，使变电整流和铝电解运行和监控发生了巨大的变化，取得显著的效果。

4.1 提高供电质量。电解铝企业要求不间断供电电源和稳定的负荷，给供电提出了更高的要求，停电或限电会导致停产或减产，停产或减产对电解铝生产的危害都是巨大的。实现电解整流一体化集中监控，可以最大限度地提高供电质量，满足铝电解生产的需要，实现综合自动化可提高供电的可靠性，并为为恢复供电、快速分析、诊断、报告事故原因提供有效的依据，减少故障次数，缩小事故范围，缩短事故时间。

4.2 综合自动化系统的效益还在很大程度上体现在设备管理上，通过综自系统设备在线监测的使用可以使设备检修的针对性更强，变故障检修为状态检修，变人工巡检为自动故障保修，每年可减少检修费用50%，减轻维护人员的劳动强度50%，增强电力设备的免维护性，有利于提高设备的安全和健康水平，延长使用寿命。

4.3 分级控制、集中监控。集中控制系统，是提高企业整体素质的有效途径和提高行业监控自动化的主要手段。集电解整流过程控制、操作优化、生产管理于一身，形成一个高效益、高柔性、高质量的生产指挥系统，可以有效地提高装备水平、技术水平和管理水平，投运后可以产生巨大的经济效益。

从长远来看，随着综合自动化数字化、智能化在工厂中的应用，将设备控制信息、状态信息及设备故障诊断等现代先进技术集成在设备维护管理中，有利于提高员工的技术水平和素质，有利于推动企业的结构调整和技术进步，促进经济增长方式的转变，增强市场竞争力。

[1]师黎．智能控制理论及应用[M]．北京：清华大学出版社．

[2]吴醒非，李文珍，王燕，郭大勇．电解铝生产企业设备管理的现状及发展趋势[J]．冶金自动化，2004（增刊）：280-283．

[3]梁学民．现代铝电解生产技术与管理[M]．长沙：中南大学出版社．

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