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铝电解自动控制网络安全问题及对策研究摘要：随着我国铝电解工业的发展，生产的自动化程度也越来越高，铝电解自动控制系统不仅大大降低了操作人员的劳动强度，而且使生产工艺参数更准确可控。
然而自动控制网络的运用同时对电解生产的操作者和管理者提出了更高的要求，本文围绕铝电解自动控制网络安全问题进行了探讨并提出了相关建议，供读者参考。
关键词：铝电解；自动控制网络；网络安全1引言过去很长时间内，电解铝复杂的生产工序基本是以人力来完成的，不仅人力操作劳动强度大而且频繁开启电解槽罩板极容易引起环境污染。
随着计算机行业和通讯技术的发展，加上国家环保要求的不断提高，计算机自动控制技术被越来越多地应用于铝电解行业中，逐渐代替了过去的人工操控被各大企业所推崇。
2铝电解控制系统概况铝电解自动控制系统是一个复杂的系统，不仅可以自动采集电解槽信号如槽电压和电流；还能够对电解过程进行实时控制如极距调节和打壳下料；还可以对槽况进行解析如对氧化铝的浓度进行监控；此外通过采用带电流补偿的槽电阻建立数学模型还能够控制电解槽内的能量变化，进而对电解槽的电压进行控制。
随着冶金工业技术的飞速发展，目前大型铝电解槽生产自动化控制技术也越来越高端，越来越复杂，越来越完善。
目前针对特定的工艺环节和工艺技术方面的难点和关键点，控制系统也不断在优化。
比如对阳极电流分布进行在线监测、对侧部和底部的温度分布进行监测，可以快速准确地预警并发现电解槽故障；通过对数字化电解槽和操控机系统的有效对接，不断实现电解槽的全方位智能化管理。
通过铝电解自动控制系统的运用及不断优化，很好地避免了漏炉等严重事故的发生，有效降低了人力和能耗，大大提高了企业的生产效率。
3控制系统网络化集成与系统安全铝电解自动控制系统的升级虽然给企业带来了巨大的便利，但是随之而来的对自动控制系统的管理要求也越来越高，不仅要对每台槽控机的几十个信号进行数据采集和数据处理，同时还要对整个系统数百台的槽控机信号进行接收并处理。
计算机数控系统中的干扰源及抗干扰技术来源：作者：发表时间：2009-12-07 13:53:03 在超精密数控车削系统设计制造过程中，考虑到系统工作在干扰弥布的车间现场，因而装置的可靠性和抗干扰能力就成为设计的重要指标。
数控车床的正常运行证明，本系统由于采用了一系列抗干扰技术，可靠性较高，抗干扰能力较强，对系统的推广应用具有突出贡献。
1 控制干扰源1.1 抗干扰的优质电源经验表明由电源引入的干扰是系统干扰的主要来源。
抗干扰性能好的优质电源是提高系统可靠性的关键。
由于CNC系统是基于PC总线的插卡式结构，计算机控制系统对电网的要求如下：允许电网电压波动为：+10%～-15%；允许电网频率波动为：±2%；允许电网电压动态恢复时间≤5ms(当负载变化在25%～100%时)。
而车间电网波动大，故对整个微机系统供电采用了一个不间断供电电源UPS。
机床主轴电机及其他驱动系统的供电不经UPS,直接由车间电网供电，这样避免了机床对其数控系统的电源干扰。
1.2 数控系统本身所产生干扰的抑制系统的电气部件动作变化会产生瞬变电流噪声，例如交流继电器接通，主轴交流电机通电时，冲击电流可达额定电流的5～10倍，而且其中的高频成分对系统有严重干扰。
对此，采用了交流继电器控制主轴电机，而继电器控制部分和工作台驱动部分由变压器降压提供，且给继电器提供了阻容阻尼网络来平滑通断时的突变。
2 硬件抗干扰措施2.1 接地系统良好的接地系统是系统可靠工作的基础。
①系统级接地由于CNC系统是集中布置，故宜采用集中一点接地，如图1所示。
图1 系统接地方式②板卡级接地运动控制卡是个模拟/数字混合系统，其模拟系统的中心是D/A转换器DAC2813,因此，在DAC2813的模拟地，AGND，附近建立单点模拟地，DAC2813的数字地应与此单点模拟地相连，如图2所示，其它任何数字电路的数字地不应与单点模拟地相连，关键的线要尽量粗，并两边加保护地，VOUT1-VOUT4，，在-VS和DGND间接个10μF的钽电容，尽量靠近芯片，DGND和AGND直接连到DAC2813下的一块敷铜地上。
④中阖彀俺上程２００４．９可靠性与故障分析ｉ≯《帮镬黪辫ｇ㈣㈣黼黼鼯渊嬲黼黼黼麓■—鞠霸—■■■—■—■■■■■■■■—■■■■■■■■■Ｉ文章编号：１６７１—０７１１（２００４）０９－００３１－０３王（中国铝业公司青海分公司第二电解厂翮计算机站，青海西宁８１００００）摘要：干扰是铝电解计算机控制系统中的一个突出问题，它影响了控制系统的可靠性、稳定性。
本文着重对中铝公司青海分公司铝电解计算机控制系统的干扰信号进行分析，从硬件及软件方面介绍了系统的抗干扰措施。
关键词：铝电解；计算机；控制系统；干扰；分析；处理措施中图分类号：７ｒＰ２７３．５文献标识码：Ｂ干扰就是指与信号无关的，在信号输入传输和输出过程中出现的一些不需要的、有害的电气变化现象。
它往往给系统造成误差，降低系统的品质，使系统失去正常的控制功能，甚至造成各种事故。
铝电解槽自动控制机（简称槽控机）是铝电解槽计算机控制系统的主体部分，因处于强电场、强磁场、高温、多粉尘的环境中，强大的干扰信号将对该系统产生直接影响。
如没有完善的抗干扰措施，系统是不可能安全、可靠、稳定运行的。
本文针对青海分公司１６０ｋＡ铝电解槽自动控制系统的几种强干扰信号进行分析，给出了该系统在抗干扰方面的解决措施。
一、电源系统干扰分析及解决措施电网中电压瞬时变动的原因一方面是因为电网受雷击或雷电感应，另一方面主要是由于输配电系统线路阻抗及配电线路的负荷问题，如大功率电机的启动电流，电炉、白炽灯通电时的冲击电流等。
在电解生产系统中，大型引风机的启动和关闭，多功能天车的启动和停运，烘槽电源的使用，都会使控制系统电源产生尖峰电压，干扰控制系统的正常工作。
主要解决措施有：１．隔离变压器是抑制从电源进线窜入外来干扰信号的常用手段，它主要用来衰减高频干扰信号，对低频共模干扰信号也有一定的抑制作用。
２．槽控机逻辑电源经电源板变换后，提供给＠阁０润凰眵峨嗍可匡删＠０网匡匡啸０删＠逻辑单元供电。
基于CAN总线的铝电解自动控制系统及通讯故障的原因及处理方法黄群贤【期刊名称】《世界有色金属》【年(卷),期】2014(000)012【总页数】2页(P54-55)【作者】黄群贤【作者单位】山西华圣铝业公司【正文语种】中文本文介绍了CAN总线在铝电解控制系统中的应用，叙述了基于CAN总线的系统结构、组成及特点，重点介绍了槽控机通讯故障的原因及处理方法。
铝电解控制系统是一个较复杂的自动控制系统，系统既要对每台槽控机的几十个信号进行接收处理，同时还要面对整个系统上百台的槽控机信号进行接收处理，因此电解槽的控制与管理相当复杂。
现场总线作为铝电解工业生产数据通信网络的基础，沟通了现场控制设备与管理层之间的关系。
作为现场级的网络控制系统，它完成具体的生产及协调任务，其数据响应时间达到毫秒级。
在铝电解生产过程中，要求总线处理信息具有准确性、可靠性、实时性、灵活性。
铝电解自动控制系统采用先进的现场总线技术和网络通信技术将槽控机设计为多CPU网络体系结构，按照采样、操作、解析与显示个数相对独立的功能设计数个智能化的功能模块（电路板），各模块均有自己的CPU，可相对独立运行，并通过内部CAN总线网络实现彼此间的数据交换和多CPU协同工作。
多CPU网络体系中的CPU能并行运行、协同工作，因此综合数据处理能力强大，能很好地满足高度智能化控制的要求。
某公司铝电解自控系统采用的是国内一家高校开发研制的《铝电解智能模糊控制系统》，槽控机彼此数据交换是通过CAN总线来完成的，CAN总线即控制局域网络，是由德国Bosch公司为汽车的监测和控制系统而设计的总线式串行通讯网络，适用于工业过程控制主设备和监控设备之间的互联。
CAN可以多种方式工作，网络上任意节点均可主动向其它节点发送信息；网络节点可按系统实时性要求分成不同的优先级，一旦发生总线冲突，会减少总线仲裁时间。
CAN采用短帧结构，每一帧为8个字节，保证了数据的出错率极低，被公认为最有发展前途的现场总线之一。
铝电解生产控制系统中CAN通讯技术的程序设计摘要：在铝电解计算机控制系统中，槽控机与接口机之间是采用CAN总线进行通信。
文章介绍了CAN总线在铝电解控制系统中的应用，叙述了基于CAN 总线的系统结构、组成以及CAN总线通讯接口软件设计方案。
关键词：CAN总线、CAN通讯、电解铝、槽控机引言CAN（CONTROL AREA NETWORK）德国BOSCH公司为解决汽车上众多控制器和传感器之间的数据交换而开发的一种串行通信网络，由于其具有抗干扰能力强、可靠性高、实时性好和易于使用等特点，已经广泛应用于工业自动化、交通工具、医疗仪器、楼宇自动化等多个领域，是公认为最有前途的现场总线技术之一。
现代电解铝生产自动化控制系统中槽控机与接口机之间的信息交互主要是依靠CAN总线技术实现。
1 系统组成铝电解控制系统主要由智能槽控机、监控接口机和CAN总线三部分组成。
系统结构如图1-1所示。
其中槽控机直接控制生产过程，负责采集电解槽槽电压和氧化铝浓度。
监控接口机由一台工业控制PC机构成。
主要功能是对现场槽控机进行参数据设置，通过总线网络实时获取槽控机实时数据，实放槽异常报警、报表输出等功能。
CAN总线部分主要由智能PC-CAN总线适配卡、通讯介质、光电转换器以及通讯软件组成。
PC-CAN 总线适配卡上带有微处理以及1KB和2KB高速RAM，直接映射到主机内存，PC-CAN总线适配卡上还带有光电隔离器，保护PC机避免由于地环流的损坏；PC-CAN接口控制器上还带有可配置的Hilon 协议及windows驱动程序，可插于计算机（工业控制机）的ISA插槽。
随着光纤技术的发展，PC-CAN配卡嵌入光纤∕CAN转换模块，使CAN总线可以用光纤作为通信传输介质。
这项技术的突破使电解铝控制系统的防电磁干扰，抗雷击等优点。
图1-1:铝电解控制系统CAN总线工作原理CAN总线数据收发由CAN控制器和CAN收发器完成。
主机通过ISA接口控制电路来访问CAN控制器，最终完成数据通信。
云铝186k A 基于CAN 总线的铝电解控制系统干扰及抗干扰措施作者简介:虞 青(1973-),男,安徽安庆人,工程师。
虞 青,范含升,李凌晶,刘华辉(云南铝业股份有限公司,云南 昆明 650502)摘 要:针对云铝186k A 铝电解过程存在强电场、强磁场、高温等干扰问题,在基于CAN 总线的铝电解控制系统中,采取了有效软、硬件抗干扰措施,提高控制系统的稳定性和可靠性,保证了系统安全可靠地运行。
关键词:铝电解;控制系统;C AN 总线;抗干扰中图分类号:TF821 文献标识码:A 文章编号:1006-0308(2010)S2-0043-04计算机在铝电解生产中的应用加强了控制与管理功能,其准确、及时、稳定和精细的控制使得采用大容量预焙槽,并在低温,低分子比、低氧化铝浓度这些有利于大幅度提高电流效率和降低能耗的技术条件下进行电解成为可能。
本文采用基于CAN 总线的铝电解控制系统由3级构成:每1台电解槽配备1台基于现场总线的全分布式槽控机作为直接控制级;整个电解系列配备10台工控机(含两个车间主任、分厂和总调办公室)构成过程监控级;监控机经网络接口连接起来,构成M I S (管理信息系统)级,并通过与局域网实现与监控系统计算机网络联网。
整个系统采用C AN 总线通信协议构成网络体系。
系统总体结构如图1所示。
图1 186kA 电解控制系统框图43现场监控计算机和槽控机所构成的分布式网络控制系统运行于极其恶劣的环境下,高温、大电流、强磁场和灰尘等易使系统运行不稳定,例如引发的键盘死锁、显示器不翻屏等死机现象导致系统中断采样、数据丢失等,严重时会造成整个系统的瘫痪,给铝电解生产带来损失。
因此系统综合考虑控制系统的干扰源和抗干扰问题,提高系统的稳定性和可靠性。
1 干扰原因分析铝电解控制系统中的干扰按信号进入的途径主要分为电磁感应干扰、电源引入的干扰、信号线引入的干扰以及接地不良引入的干扰等4种[1]。
1 1 电磁感应干扰高频电源、交流电源、强电设备产生的电火花,甚至雷电都能产生电磁波,从而成为电磁干扰的噪声源。
当距离较近时,电磁波会通过分布电容和电感藕合到信号回路而形成电磁干扰;当距离较远时,电磁波则以辐射形式构成干扰。
在铝电解现场存在着强磁场,对计算机控制系统会造成很大影响。
1 2 电源引入的干扰铝电解生产的供电设备 接在电网上的整流变压器相当于一个高次谐波源,引起的电压波形畸变对设备运行影响较大。
尽管动力分厂供电系统也有抑制高次谐波的措施,但电网中的高次谐波分量仍然存在。
此外,电网中一些电源的慢变化干扰,如过压、欠压、停电和电网中产生的电压瞬变,如浪涌、下陷等,对控制系统的危害也很大。
计算站主机系统的电源与机房内其它辅助设备的电源没有真正的分开,则空调机、扩音机等辅助设备的投切以及电器开关触点的通断都会在输电线上产生高出工作电压多倍的尖峰电压,严重危害计算机系统正常运行,可能会造成逻辑功能紊乱,并使打印机打印时常出错,显示器不翻屏等,甚至使得程序飞逸,无法正常工作。
1 3 信号线引入的干扰在铝电解槽计算机控制系统中,现场的模拟量信号(系列电流、系列电压、电解槽电压)主要通过模拟量输入通道送入计算机;电动机及控制回路的工作状态(电动机升降状态、接触器触点通断状态和电动机升降越限状态等)通过开关量输入通道送入计算机。
计算机根据检测到的模拟量和开关量数据进行分析,做出控制决策。
这些模拟量和开关量等信号的输入不可避免地会将干扰信号引入系统。
干扰会使数据采集误差加大,或改写RAM 及某些寄存器的状态,加大输出控制误差,甚至程序运行失常。
在电解铝工业生产中,由于大电流、强磁场以及电网谐波的存在,较长距离的信号线在电磁场中将会产生感应电势,从而影响系统的可靠性,甚至危及电解槽的安全运行。
1 4 接地不良引入的干扰铝电解控制系统接地包括主机接地、配电系统接地、模拟量接地、数字量接地。
地线受空间电磁场的干扰会产生尖峰电压而影响系统运行。
铝电解生产中由于大电流、强磁场的存在,地线干扰尤其明显。
不同回路中的电流也在地线阻抗上产生电压降而引起各点的地电平发生变化,形成地线干扰。
2 硬件抗干扰技术2 1 抗电磁感应干扰的措施对付低频电磁波干扰最有效的方法是选用高导磁材料制作的屏蔽体,使电磁波经屏蔽体壁的低磁阻磁路通过而不影响屏蔽体内的电路。
屏蔽电场或辐射场时选铜、铝、钢等导电率高的材料作屏蔽体;屏蔽低频磁场时选磁钢、铁等导磁率高的材料;而屏蔽高频磁场时则应选择铜、铝等导电率高的材料。
为了有效发挥屏蔽体的屏蔽作用,还要加强屏蔽体的接地问题。
为了消除屏蔽体与内部电路的寄生电容,屏蔽体应按 一点接地 的原则接地[2]。
2 2 电源系统的抗干扰措施为了防止从电源系统引入干扰,186kA控制系统采取了以下几点防范措施:1)使用交流稳压器保证供电的稳定性,防止电源系统的过压与欠压,有利于提高整个系统的可靠性。
2)考虑到高频噪声通过变压器主要不是靠初次级线圈的互感藕合,而是由初、次级间寄生电容耦合而成,因此,采用隔离变压器或超隔离变压器来提高抗共模干扰的能力,在较宽的频率范围内抑制干扰。
3)采用分离式供电,即把主机电源和外围设备的电源分开,避免外围设备通过电源内阻对信息处理设备产生干扰。
4)从电源的引入口直到电源的配线用粗导线,电源后面的配线均采用扭绞线,并把布线的距离缩到最短。
445)印刷线路板电源入口处接上大电容,同时在每个芯片电源入口处接上高频性能较好的去耦电容,进行干扰信号的滤波。
6)在电源配置中,利用反激变换器的开关稳压电源和变换器的储能作用,在反激时把输人的干扰信号抑制掉。
利用频谱均稀法原理制成干扰抑制器,把干扰的瞬间能量转换成多种能量,达到均稀目的。
它的明显优点是抗电网瞬变干扰能力强,很适宜于微机实时控制系统。
2 3 接地系统的抗干扰措施铝电解计算机控制系统接地示意图见图2。
图2 接地系统的抗干扰措施原理图采用分组接地法,即低电平电路经一组共同地线接地高电平电路经另一组共同接地线接地。
系统共有3条分开的地线:一条是低电平地线,在接地时将模拟信号线与开关量信号线分开接地;一条是电动机和驱动电路等的地线,将各电解槽的电动机和驱动电路连接到一起共同接地;一条是槽控机及设备机壳接地(安全地),并将设备使用的交流电源地与安全地线相连。
这3条地线分别独立接地后再汇总到一点系统接地,采用短而粗的多股铜线把接地电阻降低到4 以下。
采用这种独立接地结构能防止信号之间的交叉藕合。
同时,电缆线的屏蔽体保持良好的连接,且只能一点接地。
2 4 信号线的抗干扰措施[3]1)对小信号低电平采用物理隔离。
把信号线穿管屏蔽,尽量使用金属软管,并尽量远离电源线敷设,以减少噪声和电磁场的干扰。
铝电解控制系统中的槽控机就是采用分隔的动力电源箱和控制箱将两类信号线隔离开。
2)采用光电隔离,使输入端与输出端在电气上绝缘,且输出端对输入端也无反馈,因而具有隔离和抗干扰的独特性能。
使用光电耦合器是为了实现电平转换和电位隔离两个主要功能。
在I /O 通道与A /D 或D /A 之间进行光电隔离从而有效地抑制尖缝脉冲及各种噪声干扰。
3)在开关或按钮两端并联二极管(或二极管再串上稳压管)或电阻和电容,以便抑制较大电感元件或设备投切电源的瞬间产生较强的感应电势而造成的干扰。
4)在输入通道并入电解电容及瓷片电容,滤除低频干扰及高频干扰。
5)信号采样回路采用电压 频率(V /F )信号转换电路(VFC )以克服线路衰减,减少空间电磁场的干扰。
另外,对开关量的输入,采用电流型传输的方法要比电压传输的抗干扰能力强。
3 软件抗干扰技术相对硬件法抗干扰而言,软件法具有成本低廉、修改容易、可以实现更为复杂的算法等优点。
我们在硬件滤波的基础上再加入软件滤波,起到了双重滤波的效果。
3 1 软件抑制通信干扰的方法信道中的噪声将引起随机差错。
信道受到外界干扰还会存在冲击噪声,这将造成突发差错。
尽管信道的物理连接是正确可靠的,但仍可能出现通信差错。
要把物理上不可靠的信道变成逻辑上可靠的信道就必须依靠通信协议中的差错控制。
常用的差错控制方式有回声法、表决法、自动重发纠错法、前项纠错法、混合纠错法等。
45虞 青,等 云铝186kA 基于CAN 总线的铝电解控制系统干扰及抗干扰措施考虑到差错控制的效果及信道的利用率,本系统采用自动重发纠错法(ARQ )。
ARQ 法是按照信息冗余原理来实现的。
发信方在发送信息时,在有效信息后面附加上一定数量的冗余码元,这些冗余码元是按某种纠错编码规则产生的。
接收方在收到信息后,按同样的纠错编码规则校验在传输中是否发生错误。
如果校验发现了差错,则通知发信方组织重发这组数据。
3 2 软件滤波的方法对于低频干扰和随机干扰,RC 模拟滤波器的滤波效果很差。
软件滤波具有不需要增加硬件设备、稳定性高、各回路之间不存在阻抗匹配问题、易于多路复用等优点。
常用的软件滤波方法有程序限幅滤波法、算术平均滤波法,中位值法、加权递推平均滤波法等。
本系统采用中位值法与算术平均滤波法相结合的方法,即在数据采集时,对一点数据连续采样n (奇数)次,将n 个采样值按大小排队,去掉两头若干个再取中间几个的平均值作为该点采样结果。
实践证明,这种方法既可以滤掉周期脉动的扰动干扰,又可以滤掉脉冲干扰,滤波效果很好。
3 3 软件时间监视定时器的应用由于某种噪声干扰的影响,有时会出现死循环或程序 乱飞 现象,从而影响系统的正常工作。
这两种现象都可以采用对程序进行时间监视的办法及时发现。
一旦发现,则强迫程序返回出错点重新执行,或者重新启动。
对程序进行时间监视可以采用单片机内部监视定时器(看门狗)或外部监视定时器两种方法。
本系统为了提高其可靠性,采用了两级监视定时器,即同时采用内部监视定时器和外部监视定时器。
内部监视定时器启动后,每个状态周期计数增1若在64k 状态周期内没有通过指令清除它,则计数器溢出,把Reset 引脚拉低至少1个状态周期,使系统复位,重新初始化。
只要保证在64k 状态周期内再次复位内部看门狗,系统就不会复位,可以正常工作。
这样可以使系统的故障状态不超过64k 状态周期。
外部监视定时器采用MAX691芯片来实现。
每隔一定的时间(时间可以编程选择)对其操作一次,即对其CS 引脚发出一个选中脉冲。
否则MAX691将把Reset 引脚拉低,使系统复位,重新初始化。
4 结 语软、硬件抗干扰技术的应用,提高了基于CAN 总线的铝电解控制系统工作的可靠性,提高了电流效率,降低了生产能耗,实现了氧化铝浓度、极距等的自动控制,提高了铝电解生产过程的自动化水平。
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