智能化控制系統(tǒng)在鋁電解槽上的應(yīng)用

1、智能化控制系統(tǒng)在鋁電解槽上的應(yīng)用The intelligence turns the control system in the application of the aluminum electrolysis slotBranch in Chinese aluminum industry company, Qinghai one the electrolysis factory（datong qinghai 810108） wangtiancheng【摘 要】把電子智能控制技術(shù)應(yīng)用于鋁電解生產(chǎn)，使得鋁電解操作工人能夠從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來，同時(shí)控制系統(tǒng)的升級(jí)，能夠很大程度的降低能耗，提高

2、電流效率， 增加產(chǎn)出率。Summary:】 apply the electronics intelligence control technique to produce in the aluminum electrolysis, make the aluminum electrolysis operation the worker can come out from the liberation in the heavy manual labor, controling system to get stripe in the meantime, can the very great degr

3、ee lower it and can consume, raising the electric current efficiency, increasing to produce a rate.【關(guān)鍵詞】控制系統(tǒng)槽電壓系列電流解析智能化模糊控制算法Keyword 】the control system slot electric voltage series electric current analyze intelligence to turn misty control calculate way前言冰品石一氧化鋁熔鹽電解制鋁法自1888年用于工業(yè)生產(chǎn)以來，電解槽便成為煉 鋁的主要設(shè)

4、備。從最初由直流發(fā)電機(jī)供電的小型預(yù)焙陽極電解槽到目前廣為采用的 現(xiàn)代預(yù)焙陽極電解槽，一百余年來，電解槽的結(jié)構(gòu)和容量有了重大變化，但最為驚 人的變化則是鋁電解槽的控制技術(shù)。隨著電子智能控制技術(shù)的應(yīng)用，鋁電解操作工 人已經(jīng)能夠從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來，同時(shí)控制系統(tǒng)的升級(jí)，很大程度的降低 了能耗，提高了電流效率，增加了產(chǎn)出率。一、電解槽控制系統(tǒng)的發(fā)展背景電解槽控制系統(tǒng)的主要原始參數(shù)是動(dòng)態(tài)的槽電壓和系統(tǒng)電流，電解槽智能控制 機(jī)（簡稱槽控機(jī)）通過對(duì)這兩個(gè)原始參數(shù)的計(jì)算和分析，對(duì)電解槽進(jìn)行各種控制。 電解槽控制系統(tǒng)由早期的集中式控制系統(tǒng)到分布式控制系統(tǒng)再到目前的兩級(jí)分布式 控制系統(tǒng)，槽控機(jī)的智能化特征越

5、來越明顯，因此掌握智能化電解槽控制系統(tǒng)相關(guān) 知識(shí)就變的格外重要了。過去我國預(yù)焙槽生產(chǎn)系列普遍使用的槽控機(jī)硬件體系是基于STD總線技術(shù)的 單片機(jī)體系，且采用插板式結(jié)構(gòu)，這類槽控機(jī)在設(shè)計(jì)上存在的主要問題是集成度低， 使用電路板數(shù)量多，信號(hào)通路轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)（插接件）連接及接觸點(diǎn)太多，給運(yùn)行過程 帶來的主要問題是：接頭插件在電解現(xiàn)場強(qiáng)腐蝕高灰塵的環(huán)境中易氧化腐蝕，導(dǎo)致 接觸不良、信號(hào)中斷和引發(fā)隨機(jī)性故障，整機(jī)的穩(wěn)定性和可行性降低；對(duì)維護(hù)水平 要求高且維護(hù)難度大；備件購置費(fèi)用和系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用高。此外，這類槽控機(jī)與上 位機(jī)多采用位總線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這種通信方式落后，數(shù)據(jù)交換速率低且 穩(wěn)定性較差。針對(duì)以

6、上問題，許多電解鋁企業(yè)提出了槽控機(jī)集約化，控制系統(tǒng)智能 化的要求。1997年青海鋁業(yè)公司經(jīng)過四年的試驗(yàn)把模糊理論正式引入鋁電解控制， 使電解鋁的控制水平大大提高，電流效率達(dá)到90%左右，為后期的控制系統(tǒng)進(jìn)一步 智能化打下了良好的基礎(chǔ)，2002年青海鋁業(yè)公司又進(jìn)行了槽控機(jī)整機(jī)改造的工程， 把分布式槽控機(jī)改造成為CAN總線網(wǎng)絡(luò)智能槽控機(jī)，使電解槽達(dá)到真正的智能化 控制，電流效率達(dá)到94%，槽電壓與設(shè)定電壓偏差僅在30毫伏以內(nèi)，效應(yīng)系數(shù)達(dá)到 0.3天/次以下，減少了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了人力資源占有率，為電解鋁生產(chǎn) 的集團(tuán)化、規(guī)?；於嘶A(chǔ)。二、槽控機(jī)智能模糊控制理論1模糊專家控制器的基本構(gòu)成模

7、糊專家控制器是應(yīng)用模糊專家控制技術(shù)開發(fā)出來的一種新型控制算法。由規(guī)則庫、論域自調(diào)整、推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)采集構(gòu)成，其 基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。模糊專家控制器基于“近似推理”原理的推理機(jī)具 有同時(shí)處理精確知識(shí)和模糊知識(shí)的優(yōu)點(diǎn)，而它的“論域自調(diào)整”機(jī)制可根 據(jù)槽況的變化和控制模式的切換，自動(dòng)調(diào)輸入模糊變量和/或輸出模糊變量 所對(duì)應(yīng)的精確值的論域，從而簡便而有效地達(dá)到在線自動(dòng)調(diào)整控制器的工 作點(diǎn)和動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)的目的。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，其控制精度和穩(wěn)定性好， 具有顯著的增產(chǎn)節(jié)能效果。模糊專家控制器圖1 鋁電解槽模糊專家控制器結(jié)構(gòu)圖2. 2 規(guī)則庫的構(gòu)造采用“if條件then結(jié)論”（條件和結(jié)論都可

8、含模糊子句）的模糊產(chǎn)生式 表示法來統(tǒng)一地表達(dá)由推理機(jī)使用的各種規(guī)則。規(guī)則中不精確的子句意味 著模糊變量的存在。規(guī)則中模糊變量的語言值和隸屬函數(shù)是依據(jù)模糊數(shù)學(xué) 理論，通過經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)確定的。大降降 平 升 大升min槽電阻斜率 縮 小 論寸 域max大升1大降降平 升max大升min槽電阻斜率max圖2槽電阻斜率的隸屬函數(shù)及論域調(diào)整示意圖所有隸屬函數(shù)被假定為具有三角形或梯形形狀。以槽電阻斜率的模糊集所 對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)為例，橫坐標(biāo)代表槽電阻斜率的精確值，論域?yàn)閙in,max， 當(dāng)精確值超出論域時(shí)，則進(jìn)行限幅處理（見圖2）。2.3論域自調(diào)整機(jī)制2.由于電解槽，尤其是設(shè)計(jì)較差的電解槽具有非線性、時(shí)變的特

9、性，要求控 制器具有自調(diào)整和自學(xué)習(xí)能力，因此采用了 “論域自調(diào)整算法”，即由推理 根據(jù)槽況的變化情況和控制模式的轉(zhuǎn)變而修改輸入模糊變量所對(duì)應(yīng)的精確 值的論域和/或輸出模糊變量所對(duì)應(yīng)的精確值的論域，從而簡便而有效地達(dá) 到在線自動(dòng)調(diào)整模糊專家控制器的工作點(diǎn)和動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)的目的。以推理機(jī)根據(jù)下料控制模式的轉(zhuǎn)變調(diào)整論域?yàn)槔?，?dāng)下料控制模式從濃度 校驗(yàn)?zāi)Ｊ睫D(zhuǎn)入常態(tài)下料模式時(shí)，可認(rèn)為氧化鋁濃度已經(jīng)進(jìn)入了設(shè)定的低濃 度工作區(qū)，為了精細(xì)地控制氧化鋁穩(wěn)定在最佳工作點(diǎn)附近，可適當(dāng)縮小氧 化鋁濃度工作區(qū)，為此推理機(jī)調(diào)整一些模糊變量所對(duì)應(yīng)的精確值的論 域一一例如，增大槽電阻斜率的精確值的論域的下限，減小其上限，實(shí)際

10、上通過增大量化因子K縮小了槽電阻精確值的論域，使精確值對(duì)應(yīng)量化值 增大，此過程如圖2所示。用同樣的方法可縮小下料速率的精確值論域， 以達(dá)到根據(jù)槽電阻斜率等變量的較小變化而細(xì)微地調(diào)整下料速率的目的。2.4推理機(jī)2.我們按照模糊專家系統(tǒng)的推理技術(shù)構(gòu)造推理機(jī)（圖3）。推理機(jī)的推理過程 應(yīng)用了一種“近似推理”算法來計(jì)算規(guī)則的前件與精確的斷言的匹配度。精確的前件與精確的斷言的匹配度只能在0和1兩者中取其一，否則根據(jù) 與模糊集相關(guān)聯(lián)的運(yùn)算來確定，獲得一個(gè)0與1之間的值。當(dāng)某條規(guī)則的 整個(gè)前件均經(jīng)匹配，其中最小的匹配度便是該規(guī)則的匹配度。只要該規(guī)則 的匹配度大于預(yù)先設(shè)定閾值，該規(guī)則就進(jìn)入觸發(fā)規(guī)則集。為了消除

11、從觸發(fā)規(guī)則集中選取最終被執(zhí)行的規(guī)則時(shí)的沖突，應(yīng)用了下列策 略：一是將規(guī)則按規(guī)則集分類，每次從每一規(guī)則集中最多選擇一條規(guī)則； 二是每一規(guī)則集中的規(guī)則都分配了一個(gè)優(yōu)先級(jí)，因此如果觸發(fā)規(guī)則集中來 自同一規(guī)則集的規(guī)則多于一條，則選取優(yōu)先級(jí)高的規(guī)則，而若優(yōu)先級(jí)相同， 則選取匹配度高的規(guī)則。NN圖三推理機(jī)推理過程圖三3.三3.控制槽電壓(簡稱RC) 控制系統(tǒng)采集到的槽電壓是跟隨系列電流波動(dòng)而時(shí) 刻變化的，因此采集到的電壓作為調(diào)整槽電壓的根據(jù)是毫無意義的，而且電 流低落時(shí)，將出現(xiàn)大量提升陽極，使系列電壓過高，過高的電壓又使電流低 落，從而出現(xiàn)惡性循環(huán)。因此，槽電壓的控制是以不受電流波動(dòng)影響的槽電 阻為依據(jù)的

12、。槽電阻的計(jì)算公式為R=(V-C)/I式中 R槽電阻計(jì)算值；V采樣測定到的槽電壓值；I采樣測定到的槽電流值；C反電動(dòng)勢，通常為固定值。智能控制系統(tǒng)采集到的電流、電壓以后，首先進(jìn)行解析，算出槽電阻值， 然后分成陽極效應(yīng)電阻、壞電阻與正常電阻三類，并針對(duì)不同的情況采用 不同的方法處理。若槽電阻不屬于上述三種情況，便繼續(xù)作平滑處理，消 除數(shù)據(jù)上的干擾部分，反映出電阻變化趨勢。平滑后的槽電阻與設(shè)定電壓折算出的電阻相比較，如果上限或下限超過一 定的范圍，則進(jìn)行槽電壓調(diào)整。2加料控制 包括正常加料（簡稱NB）和效應(yīng)加料（簡稱AEB）。鋁電解 智能控制系統(tǒng)對(duì)電解槽的加料控制，實(shí)質(zhì)上是在電解槽熱收支保持平衡的

13、前 提下，用陽極效應(yīng)（簡稱AE）發(fā)生的時(shí)刻及人為設(shè)定的NB間隔和AE間隔 對(duì)NB和AE等待時(shí)間進(jìn)行調(diào)度。人們期待調(diào)度的標(biāo)準(zhǔn)模式是：按規(guī)定的NB間隔加料，AE在AE等待期間 發(fā)生，周而復(fù)始。但是由于實(shí)際中的設(shè)備情況和人們的管理，情況調(diào)度并 不能按人們期待的標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行，有時(shí)出現(xiàn)：AE等待中AE沒有發(fā)生。智能控制系統(tǒng)視這種情況為加料過量，因此 重新開始加料后的NB間隔由計(jì)算機(jī)自動(dòng)加長一個(gè)定值，以相對(duì)于同樣 的時(shí)間內(nèi)減少了加料量。同時(shí)，原設(shè)定的AE間隔也自動(dòng)加一個(gè)周期。 重新開始定時(shí)加料后僅進(jìn)行幾次NB，AE就發(fā)生了，則此時(shí)刻AE的等 待時(shí)間為AE等待的極限值和全部NB間隔延長值之和。AE在AE未進(jìn)

14、入AE等待期間前發(fā)生?？刂葡到y(tǒng)認(rèn)為突發(fā)AE，原因是 加料不足，或雖然加料量足但溶解不良。此時(shí)槽控機(jī)以AE為基準(zhǔn)點(diǎn)重 開NB，NB間隔仍為設(shè)定值。另外對(duì)加料進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)度，這種調(diào)度是以氧化鋁濃度曲線為根據(jù)的。智 能控制系統(tǒng)將采樣的電壓進(jìn)行解析，并換算成坐標(biāo)點(diǎn)，然后與氧化鋁濃度 曲線對(duì)比，就能較準(zhǔn)確地反映出電解槽中氧化鋁的多少。如果電解槽中氧 化鋁少，則多加料，如果電解槽中氧化鋁多，則少加料。這樣可以消除氧 化鋁沉淀，更高地提高電流效率。3. 3出鋁控制（簡稱TAP）現(xiàn)場在出鋁前，通過槽控機(jī)面板上的出鋁按鈕，通知控制系統(tǒng)準(zhǔn)備出鋁。系統(tǒng)在掃描程序每運(yùn)行一次結(jié)束時(shí)，都查詢一次內(nèi) 存中申請出鋁槽號(hào)表來決

15、定是否起動(dòng)出鋁程序。如果表中有申請槽號(hào)，則停 止NB和RC命令，調(diào)用出鋁程序來監(jiān)控出鋁的全過程。掃描程序每執(zhí)行完一次便起動(dòng)一次出鋁程序，出鋁程序利用最近四次采集到 四電阻數(shù)據(jù)R1、R2、R3、R4（R4為最新值）的變化來檢驗(yàn)出鋁開始和出鋁 結(jié)束，然后分23次將槽電壓降回到目標(biāo)值（或出鋁前的電壓值）。3. 4陽極交換控制（簡稱AC）在陽極交換中，本應(yīng)保持陽極大母線位置恒定，但在提出殘極時(shí)，電壓會(huì)上升，如果操作者沒與控制系統(tǒng)聯(lián)系，系統(tǒng)則 判為電壓正常變化而下降陽極，勢必造成新極設(shè)置位置不準(zhǔn)及熱收入下降， 故換極前，必須按一下槽控機(jī)面板上的“換極”按鈕，以通知控制系統(tǒng)，系 統(tǒng)接到更換陽極命令后，將停止NB和RC控制，只對(duì)電解槽進(jìn)行電壓監(jiān)視， 當(dāng)檢測到電壓恢復(fù)原值后，視為陽極更換結(jié)束，恢復(fù)RC控制和NB控制， 因?yàn)殛枠O更換過程中要進(jìn)入一定量的氧化鋁，所以在恢復(fù)NB控制后要適當(dāng) 減少NB次數(shù)，以抵消陽極更換中進(jìn)入的氧化鋁對(duì)加料的影響。3. 5抬陽極母線的控制 抬陽極大母線時(shí)，由于卡具全部松化將導(dǎo)致電壓上升 0.20.3V，而此時(shí)電壓上升并非電解槽內(nèi)部變化，不應(yīng)進(jìn)行電壓調(diào)整，但抬 陽極大母線前不通知控制系統(tǒng)，系統(tǒng)就會(huì)誤判斷為電壓調(diào)整，所以，操作工 應(yīng)按一個(gè)槽控機(jī)面板上的“抬母線”按鈕