鋁電解數(shù)字孿生體構建及應用研究

鋁電解數(shù)字孿生體構建及應用研究摘要：在我國快速發(fā)展下，社會經(jīng)濟不斷提升，帶動了科技的不斷進步。目前，智能制造與傳統(tǒng)鋁電解技術的深度融合，引領著鋁電解行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，但是當前鋁電解實體裝備與數(shù)據(jù)模型缺乏有效映射，阻礙了鋁電解行業(yè)智慧轉(zhuǎn)型的步伐。因此，本文將數(shù)字孿生技術與鋁電解生產(chǎn)技術有機結合，開展鋁電解數(shù)字孿生體整體架構設計、關鍵技術研發(fā)及應用研究，構建物理實體、虛擬模型、孿生數(shù)據(jù)、智能決策服務及虛擬?現(xiàn)實交互連接五維模型。鋁電解物理實體劃分為電解廠、電解車間及電解設備三個層級，通過三維場景數(shù)字化建模、離線物理場建模及動態(tài)仿真數(shù)學建模，映射與之對應的虛擬模型。使用交互連接技術進行物理實體與虛擬模型實時同步孿生數(shù)據(jù)，部署鋁電解數(shù)字孿生體原型系統(tǒng)，實現(xiàn)鋁電解生產(chǎn)環(huán)節(jié)虛實映射，為鋁電解行業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型提供了先進思路與技術方法。關鍵詞：鋁電解；智能制造；數(shù)字孿生1虛擬模型1.1三維場景數(shù)字化建模構建虛擬模型是構建數(shù)字孿生體的核心環(huán)節(jié)，虛擬模型負責物理實體數(shù)據(jù)信息的獲取及反饋，直觀表征物理實體內(nèi)部復雜結構并作為展示載體。通過實地考察調(diào)研，參照實拍數(shù)據(jù)及鋁電解槽相關基礎資料，進行三維場景準確重構，提取關鍵結構特征，使用3dsMax軟件對電解車間級的重要設備(如：電解槽、天車、工藝車、抬包、抬母線裝置等)進行精細化建模，以鋁電解單槽三維場景模型為例，如圖1所示。隨著建模工作深入，完善三維模型庫。圖1電解槽三維場景模型1.2離線物理場建模在數(shù)化建模的基礎上，增加物理實體的物理屬性、約束、特征等信息，基于電解槽物理場、化學關系模型，進行溫度場、電?熱場、電?磁?流等研究，開展全周期全領域的物理場仿真。使用ANSYS等工具進行動態(tài)多尺度仿真分析，結合實時數(shù)據(jù)，不斷訓練及優(yōu)化模型以達到高水平映射，為數(shù)字孿生體提供離線物理場模型庫。以下料周期內(nèi)極距區(qū)域水平截面(z=1.1177m)氧化鋁質(zhì)量分數(shù)仿真結果為例。2陽極效應鉛電解生產(chǎn)過程中發(fā)生在陽極上的一種特殊現(xiàn)象稱么為陽極效應，而陽極附近氧化招濃度低是陽極效應發(fā)生的主要原因。鉛電解槽正常運行時，加入氧化鉛原料，在經(jīng)過電化學反應后，鉛離子在陽極失去電子生成氧氣，氧氣和碳在高濕的環(huán)境下生成CO2和少量的CO氣體。在正常情況下，如AL2O3濃度較高使得碳陽極表面張力較小，很好地潤濕陽極使得陽極氣體不能在陽極底面一直停留，這種情況下陽極效應不會發(fā)生。但是隨著電解反應的進行，AL2O3的含量不斷降低使得濕潤作用下降，陽極的底部生成的氣泡將其覆蓋使得一部分陽極無法導電，所謂高電阻區(qū)就是指這不導電的部分，此區(qū)的電流密度會相對于反應初期相比較大，當電流密度大到某一臨界值時就導致了陽極效應的發(fā)生。另外，當電解槽內(nèi)電解質(zhì)水平過低時，由于電解槽漏電解質(zhì)或槽電壓過低也會導致陽極效應發(fā)生。當槽電壓較低時，槽的保溫效果也會隨之而下降，由于輸入能量的降低而破壞了電解過程的熱平衡，電解質(zhì)收縮從而產(chǎn)生陽極效應。陽極效應發(fā)生時，會發(fā)生Ｗ下現(xiàn)象：在陽極周圍會產(chǎn)生明亮的小火花、陽極上氣泡停止析出、電解質(zhì)停止沸騰。這時，電子停止在陽極與電解質(zhì)之間傳遞，造成槽電壓增高（30-50伏）和電流下降。陽極效應發(fā)生時會融化槽底沉淀，有助于碳渣分離，有利于粘附在陽極底部的碳渣清理；但同時它也促使結殼融化，導致四氣化碳和六氣化二碳析出，電解溫度升高，電能消耗增加，鉛的損失增加。3電解溫度采樣溫度采集是槽控機控制系統(tǒng)中重要的一環(huán)，因為溫度直接反映了鋁電解過程的熱平衡問題，因此必須準確掌握電解溫度的變化情況。在實際應用中，比較合適的電解溫度范圍是940-960℃。溫度的測量需要探頭插入電解槽內(nèi)，由于化學原料的腐蝕作用極強，一般的熱電偶無法在槽中持續(xù)工作。為此，選用加保護套管的Ｋ型熱電偶，提高探頭的使用壽命。K型熱電偶是工業(yè)上常用的測溫工具，檢測溫度范圍廣且精度較高，但它的輸出為毫伏級的電壓信號，且存在冷端溫度誤差，有時輸出的電壓信號和溫度信號成非線性。根據(jù)熱電偶的檢測特性，在電路設計中配備了相應的熱電偶放大器AD8497，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器MCP3421實現(xiàn)串行模數(shù)轉(zhuǎn)換。溫度的測量范圍為0-1000℃，對應的熱電偶檢測輸出信號為0-40ｍV，AD8497為集成熱電偶冷結溫度補償器的精密儀器放大器，冰點基準與預校準放大器的結合，使其能直接從熱電偶信號產(chǎn)生高電平（5ｍV/℃）輸出，可以覆蓋近1000度的溫度范圍，與Ｋ型熱電偶的特性相匹配，另外，其具有高共模抑制功能，能夠抑制熱電偶的長引線拾取的共模噪聲，這樣使得Ｋ型熱電偶溫度檢測裝置的軟硬件設計大大簡化。MCP3421為單通道、高精度、差分輸入的AD轉(zhuǎn)換器，分辨率高達18位，差分輸入電壓為±2.048V，使用2線I2V兼容串行接口，將轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)傳送給DSP控制器。4鋁電解槽對能量平衡的自調(diào)節(jié)文獻中提到：嚴格來講，電解槽內(nèi)的能量收支是“不平衡”的。這是槽體系的熱散失較能量收入具有被動滯后性造成的，即只有能量收入（系列電流、槽電壓）發(fā)生改變時，熱散失才會跟隨其變化，而且有一定的滯后；同時，槽體系對電解溫度、散熱也有阻滯的效果；但電解槽的自調(diào)節(jié)是有限度的，當超出這一限度時，電解槽會發(fā)生熱槽現(xiàn)象，穩(wěn)定性變差，文中還給出實例，這里不進行具體討論。對本文而言，一方面，極距的變化不會造成系列電流、槽電壓的劇烈變化；另一方面，文中建立的電解槽模型主要應用于控制系統(tǒng)中，其中極距作為控制目標，在發(fā)生變化后會通過控制器較快地調(diào)節(jié)原有位置。所以，根據(jù)自調(diào)節(jié)理論，可認為由極距變化引起系列電流、槽電壓的變化不會破壞原有的能量平衡，電解溫度不會發(fā)生明顯變化，對外散失的熱量也不會改變，這是極距變化時，能量平衡依然成立的前提條件。結語1)定義了鋁電解數(shù)字孿生體五維模型，設計了標準體系并明確了研究方法，構建物理實體、虛擬模型、孿生數(shù)據(jù)、服務及交互連接五維模型，在五維模型的協(xié)同作用下構成鋁電解數(shù)字孿生體。2)開發(fā)了一種氧化鋁質(zhì)量分數(shù)動態(tài)仿真方法，構建基于陽極電流在線采樣的等效支路槽電阻模型，輔以ConvLSTM模型構建氧化鋁變化速率模型，并結合氧化鋁質(zhì)量分數(shù)仿真結果，實現(xiàn)全槽質(zhì)量分數(shù)結果優(yōu)化，該方法獲得的氧化鋁質(zhì)量分數(shù)預測趨勢基本與電解槽運行過程實際趨勢相符。3)構建了鋁電解數(shù)字孿生體的原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電解廠級、電解車間級、電解設備級三個層級，具有實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、虛實映射三大功能特性。參考文獻[1]盧浩潔,王婉君,代敏,等.中國鋁生命周期能耗與碳排放的情景分析及減排對策[J].中國環(huán)境科學,2021,41(1):451?462.[2]桂衛(wèi)華,曾朝暉,陳曉方,等.知識驅(qū)動的流程工業(yè)智能制造