[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine dezentralisierte, automatische Steuerung des
Betriebs einer Aluminiumhütte mit in Reihen angeordneten Schmelzflusselektrolysezellen,
wobei die Prozesskontrolle und die Datenerfassung bzw. - aufarbeitung in drei hierarchische
Stufen, umfassend einen zentralen Hauptcomputer, mehrere daran angeschlossene Verbindungscomputer
und mit diesen verbundene Mikroprozessoren als Zellensteuerungscomputer, aufgegliedert
werden.
[0002] Für die elektrolytische Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse von
Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum grössten Teil aus
Kryolith besteht Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze
auf dem Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode
bildet In die Schmelze tauchen von oben Anoden ein, die bei konventionellen Verfahren
aus amorphem Kohlertstoff bestehen. An den Kohleanoden entsteht durch die elektrolytische
Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden
zu CO
2 and CO verbindet Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von etwa 940-970°C
statt
[0003] Im Verlauf des Elektrolyseprozesses erniedrigt sich der Gehalt an gelöstem Aluminiumoxid.
Beim Erreichen einer Konzentration von 1 bis 2 Gew.-% Aluminiumoxid im Elektrolyten
bildet sich der Anodeneffekt, welcher sich in der Erhöhung der Spannung der Elektrolysezelle
von 4 bis 4,5 V auf 30 V und mehr ausdrückt Der Anodeneffekt wird beispielsweise durch
vermehrte Zufuhr von Aluminiumoxid in den Schmelzfluss und durch Gaszufuhr unter die
Anoden beseitigt
[0004] In den Sechzigerjahren sind Computer für die Prozesskontrolle zur Herstellung von
Aluminium mittels Schmelzflusselektrolyse eingeführt worden. Zahlreiche zentrale Steuerungssysteme
sind bei den verschiedenen Aluminiumproduzenten entstanden.
[0005] Diese Systeme erlaubten, in bestimmten Zeitabständen durchgeführte Messungen zu wiederholen,
sie auszuwerten und Kontrollhandlungen auf den Elektrolysezellen zu unternehmen, welche
hauptsächlich auf der Regelung der Interpolardistanz und der Speisung der Elektrolysezelle
mit Aluminiumoxid basierten. Dabei sind Rechenverfahren angewendet worden die sich
auf folgende Parameter stützen:
-Widerstand und sein dynamisches Verhalten,
-Spannung und ihr dynamisches Verhalten,
-Traversenposition, und
-Entwicklung des Stromes der Elektrolysehalle.
[0006] Seit Ende der Siebzigerjahre, nach der Entwicklung von Mikrocomputern, werden die
zentralen Steuerungssysteme allmählich verdrängt. Mikrocomputer erlauben eine dezentralisierte
Steuerung der Elektrolysezellen. Dies hat folgende Vorteile:
[0007] -Erhöhte Behandlungs und Uebermittlungsgeschwindigkeit der Informationen,
[0008] -grössere Zuverlässigkeit der Steuerung und Kontrolle der Elektrolysezellen,
[0009] -Durchführung der ganzen Zellenkontrolle mit einem Mikrocomputer (8 oder 16 bits
Mikrorechner),
[0010] -Erhöhung der Anzahl von digitalen und analogen Eingängen/ Ausgängen und damit eine
weiter ausgebildete Automatisation der Elektrolysezelle, welche auch von deren mechanischer
und konstruktiver Entwicklungsstufe und von den Messapparaturen abhängt
[0011] Dezentralisierte, automatische Steuerungssystem des Betriebs von Aluminiumhütten
mit in Reihen angeordneten Schmelzflusselektrolysezellen werden in "Light Metals",
Jahrgang 1982, Seiten 595-608, und in der Firmenzeitschrift 126345 PA 11832 der Firma
Siemens beschrieben.
[0012] Bei diesen beiden bekannten Systemen erfolgt die Prozesskontrolle und die Datenerfassung
bzw. -aufarbeitung in drei hierarchischen Stufen, welche einen zentralen Hauptcomputer,
mehrere daran angeschlossene Verbindungscomputer und mit diesen verbundenen Mikroprozessoren
als Zellensteuerungscomputer umfassen. Es ist vorgesehen, eine oder zwei Schmelzflusselektrolysezellen
zur Herstellung von Aluminium mit einem Mikroprozessor auszurüsten.
[0013] Mit einem Gerät pro Elektrolysezelle oder pro zwei Elektro lysezellen ist die Erfassung
der Daten schnell, aber die Prozesskontrolle langsam. Falls der Takt des Gerätes nach
der Datenerfassung ausgerichtet würde, bliebe für die Prozesskontrolle weniger Zeit
oder -anders gesagt -arbeiteten die Prozesskontrolltasks mit einer kleineren Frequenz.
[0014] Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, die Daten, insbesondere den Widerstand
R, mit bekannten Mitteln schneller und genauer zu erfassen.
[0015] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Prozesskontrolle und die
Dafenerfassung bzw. - aufarbeitung mittels zweier mit je einer oder je zwei Schmelzflusselektrotysezelle/n
verbundener Mikroprozessoren erfolgen.
[0016] Mit zwei Mikroprozessoren pro Etektrolysezelle oder pro zwei Elektrolysezetiellen
kann mit zwei voneinander unabhängigen Takten gearbeitet werden:
[0017] -Der Mikroprozessor zur Prozesskontrolle in Intervallen von vorzugsweise 150 msec
bis 5 min,
[0018] -der Mikroprozessor zur Datenerfassung bzw. -aufarbeitung in Intervallen von vorzugsweise
20-100 msec,
[0019] Wenn eine Unregelmässigkeit im Betrieb der Elektrolysezelle erfasst wird, kann das
System mit mindestens 150 msec Verspätung reagieren.
[0020] In der Praxis haben sich für den Mikroprozessor zur Prozesskontrolle Intervalle von
200-500 msec, für den Mikroprozessor zur Datenerfassung bzw. -aufarbeitung lntervalle
von 40-80 msec, insbesondere 60 msec, als besonders vor teilhaft bewährt.
[0021] Die erfindungsgemäss dezentralisierte, automatische Steuerung des Betriebs einer
Aluminiumhütte ist mit bekannten Mitteln derart konzipiert, dass bei einem Ausfall
des zentralen Hauptcomputers die den Elektrolyrsezellen zugeordneten Mikroprozessoren
während einiger Tage ihre Funktion problemlos ausüben können.
[0022] Die Anwendung der Erfindung wird vorteilhaft unterstützt durch den Einsatz von
-eigens für die Schmelzflussetektrolyse von Aluminium konzipierten, wirkungsvollen
Messgeräten, weiche erlauben, dass die Spannung mit einer Genauigkeit von ±2 mV, die
Stromstärke mit einer Genauigkeit von ±40 A und die Traversenposition mit einer Genauigkeit
von ±0,2 mm gemessen wird,
-einem wirksamen Rechenverfahren zur Ermittlung des Widerstands R unter Anwendung
der Formel

wobei U die Zellenspannung (V), Up die Polarisationsspannung (1,65 V), 1 die Stärke
des elektrischen Gleichstroms - (kA) und R den elektrischen Widerstand der Elektrolysezelle
(µΩ) bedeutet,
- exakten Rechenmethoden (relativer Fehler < 2°/OO), indem man pro Elektrolysezelle
die Klemmenspannung (V), die verbrauchte elektrische Energie (kWh) und den Verbrauch
an elektrischem Strom (kAh) misst, wobei diese Parameter für bestimmte Zeitperioden
(z.B. 24 h) oder bei vorgegebenen Ereignissen (z.B. Anodeneffekt) bestimmt werden.
-einer Prüfung der Plausibilität (basierend auf der Ueberschreitung von Grenzwerten)
für die Spannung, den Strom und die Traversenposition,
-einer Prüfung der Plausibilität (basierend auf zu schnellen Variationen eines Parameters
zwischen zwei Probenahmen) für die Traversenposition und den Strom, und/oder
-einem Verfahren zur Erfassung von schnellen oder langsamen Schwankungen des Widerstandes
R und des Stromes I, wobei hier unter einer schnellen Schwankung verstanden wird,
dass die Messdauer zwischen 60 und 100 msec liegt, bei langsamen Schwankungen dagegen
zwischen 1 und 3 sec.
[0023] Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten einzigen Figure beispielsweise
näher erläutert. An den zentralen Hauptcomputer 10 sind über Verbindungskabei 12 mehrere
Verbindungscomputer 14 angeschlossen. In einer Aluminiumhütte mit beispielsweise 360
Elektrolysezellen können 24 Verbindungscomputer 14 mit dem zentralen Hauptcomputer
10 verbunden sein. Der zentrale Hauptcomputer 10 hat eine grosse Speicherkapazität
auf externen Datenträgem bzw. -banken, welche auch der Datensicherung dienen. Weiter
ist der zentrale Hauptcomputer 10 mit mindestens einem nicht dargestellten Schreiber
und Plotter ausgerüstet. Bei einem allfälligen Ausfall des zentralen Hauptcomputers
10 bleiben die untergeordneten Einheiten während mindestens einiger Tage voll funktionsfähig.
[0024] Jeder Verbindungscomputer 14 ist seinerseits über Verbindungskabel 16 mit mehreren
Mikroprozessoren 18 für die Prozesskontrolle verbunden. In der oben bereits beispielsweise
erwähnten Elektrolysehütte mit 360 Elektrolysezellen und 24 Verbindungscomputem sind
diese mit 12 oder 6 Mikroprozessoren
18 für die Prozesskontrolle verbunden, je nachdem ob die letzteren ihrerseits mit einer
(wie in Fig. 1 dargestellt) oder zwei Elektrolysezellen 20 verbunden sind.
[0025] Die Verbindung zwischen dem Mikroprozessor 18 zur Prozesskontrolle und der Elektrolysezelle
20 besteht aus 20-30 Digitalinputs 22 und 20-30 Digitaloutputs 24.
[0026] Weiter ist der Mikroprozessor 18 zur Prozesskontrolle mit einem Mikroprozessor 26
zur Datenerfassung und - aufarbeitung verbunden, welcher seinerseits über 8-12 Analoginputs
28 zur Elektrolysezelle verfügt Obwohl der Mikroprozessor 26 zur Datenerfassung und
-aufarbeitung, auch ADS (Analog-Data-System) genannt, von selbst arbeitet, ist er
im vorliegenden Fall dem Mikroprozessor 28 für die Prozesskontrolle untergeordnet
und nicht direkt mit dem Verbindungscomputer 14 verbunden. Selbstverständlich kann
auch der Mikroprozessor 26 zur Datenerfassung und -aufarbeitung mit einer oder zwei
Elektrolysezellen verbunden sein. Für die Verbindung der beiden Mikroprozessoren 18
und 26 mit zwei Elektrolysezellen sprechen insbesondere wirtschaftliche Faktoren.
[0027] Die Anzeige der Digitaloutputs und die Drucktasten für manuelle Eingriffe sind auf
einem an der Hallenwand befestigten Tableau 30 angeordnet
1. Verfahren zur dezentralisierten, automatischen Steuerung des Betriebs einer Aluminiumhütte
mit in Reihen angeordneten Schmelzfiusselektrolysezellen (20), wobei die Prozesskontrolle
und die Datenerfassung bzw. -aufarbeitung in drei hierarchische Stufen, umfassend
einen zentralen Hauptcomputer (10), mehrere daran angeschlossene Verbindungscomputer
(14) und mit diesen verbundene Mikroprozessoren als Zellensteuerungscomputer, aufgegliedert
werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Prozesskontrolle und die Datenerfassung bzw. -aufarbeitung mittels zweier mit
je einer oder je zwei Schmelzflusselektrolysezelle/n (20) verbundener Mikroprozessoren
(18,26) erfolgen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (26)
zur Datenerfassung bzw. - aufarbeitung in Intervallen von 20-100 msec arbeitet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (26)
zur Datenerfassung bzw. - aufarbeitung in Intervallen von 40-80 msec, vorzugsweise
von 60 msec, arbeitet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor
(18) zur Prozesskontrolle in Intervallen von 150 msec -5 min, vorzugsweise von 200-500
msec, arbeitet.
5. Verfahren pach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor
(26) zur Datenerfassung bzw. -aufarbeitung dem Mikroprozessor (18) zur Prozesskontrole
unterordnet wird.