第4篇第2章—計(jì)算機(jī)控制—異常槽況檢出與處理

1、第二章 槽電阻的常規(guī)解析（含異常狀態(tài)分析）2.1 信號(hào)采樣與槽電阻計(jì)算 眾所周知，表觀槽電阻（簡(jiǎn)稱槽電阻）是用于實(shí)現(xiàn)鋁電解過程實(shí)時(shí)控制的主要參數(shù)。它既是重要的狀態(tài)參數(shù)，又于重要的被控參數(shù)。通常都采用下列這個(gè)簡(jiǎn)單公式由槽電壓（V）、系列電流（I）的采樣值計(jì)算槽電阻（R）的采樣值： （1）其中：在tn時(shí)刻的原始槽電阻（或稱為采樣值）； V(n) 在tn時(shí)刻的槽電壓采樣值； I(n) 在tn時(shí)刻的系列電流采樣值； B 表觀反電動(dòng)勢(shì)（設(shè)定常數(shù)）。表觀反電動(dòng)勢(shì)B是一個(gè)設(shè)定常數(shù)，它可以視為是鋁電解真實(shí)的反電動(dòng)勢(shì)的統(tǒng)計(jì)平均值。它應(yīng)該依據(jù)槽電壓（V）-系列電流（I）試驗(yàn)曲線在正常電流處的切線延伸至零電流處所截

2、取的常值。由于槽型及技術(shù)條件的不同，各鋁廠選用的B值不同，選值范圍在1.61.7伏之間。眾所周知，真實(shí)的反電動(dòng)勢(shì)是變化的，例如當(dāng)氧化鋁濃度向臨近AE發(fā)生的臨界濃度靠近時(shí)，真實(shí)的反電動(dòng)勢(shì)會(huì)顯著升高（即顯著高于設(shè)定的表觀反電動(dòng)勢(shì)），從而引起槽電壓顯著升高，于是引起（表觀）槽電阻顯著升高。假如槽電阻計(jì)算公式中的B是真實(shí)的反電動(dòng)勢(shì)，槽電阻便不應(yīng)跟隨反電動(dòng)勢(shì)的變化而變化，但由于槽電阻計(jì)算公式中B被固定為一個(gè)常數(shù)，因此反電動(dòng)勢(shì)變化時(shí)（引起槽電壓變化），槽電阻也跟隨著發(fā)生變化，這就是公式（1）所計(jì)算的槽電阻嚴(yán)格來說應(yīng)稱為表觀槽電阻的原因（只有在電解槽的運(yùn)行條件正好使真實(shí)的反電動(dòng)勢(shì)等于設(shè)定值時(shí)，表觀槽電阻才是

3、真實(shí)的槽電阻）。 之所以要用（表觀）槽電阻而不是直接用槽電壓來作為槽況解析的依據(jù)，是因?yàn)椴垭妷焊S系列電流變化，而理論上而言，槽電阻是不隨系列電流的變化而變化的，因此用槽電阻來判斷槽況能排除系列電流變化所產(chǎn)生的干擾。但在鋁電解現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)中往往觀察到這樣的現(xiàn)象：當(dāng)系列電流的波動(dòng)明顯引起槽電阻的波動(dòng)。引起這一現(xiàn)象的最可能原因是：槽電壓與系列電流的采樣誤差較大，或者兩者的采樣不同步（這種情況下，往往表現(xiàn)為系列電流波動(dòng)加劇時(shí)，槽電阻的波動(dòng)也跟隨著加?。?；真實(shí)的反電動(dòng)勢(shì)與設(shè)定的反電動(dòng)勢(shì)的偏差較大（這種情況下，往往表現(xiàn)為槽電阻跟隨系列電流的波動(dòng)而波動(dòng)）。為了盡可能消除系列電流波動(dòng)對(duì)槽電阻的影響，顯然應(yīng)

4、該盡可能保持槽電壓與系列電流的采樣同步，并消除采樣誤差，并且使槽電阻計(jì)算公式中的表觀反電動(dòng)勢(shì)設(shè)定值盡可能接近常態(tài)工藝技術(shù)條件下的真實(shí)反電動(dòng)勢(shì)的平均值。槽電阻一般以歐姆（或微歐姆）作單位，但電解工人往往感覺槽電壓的單位（毫伏或伏）較為直觀。因此，無論是在國(guó)外，還是在我國(guó)，愈來愈多的控制系統(tǒng)開發(fā)商將槽電阻線性變換為具有相同內(nèi)涵的“正?；垭妷骸北磉_(dá)，即： （2）其中：代表在tn時(shí)刻的正?；垭妷海ㄔ贾担?；Ib代表基準(zhǔn)系列電流；其余變量的含義與槽電阻計(jì)算公式中相同。 采用正?；垭妷簛泶聿垭娮桦m然使現(xiàn)場(chǎng)操作人員感到直觀了，但卻使部分操作人員難以弄明白為何正?；垭妷翰捎昧穗妷旱膯挝粎s代表槽電阻。

5、對(duì)此，下面再作一些解釋。從正常化槽電壓的計(jì)算公式可見，槽電阻與正?；垭妷哼@兩者的換算關(guān)系用一句話可以表達(dá)為 “不論當(dāng)前的實(shí)際槽電壓是多少，只要當(dāng)前的槽電阻為R0，那么與基準(zhǔn)電流相對(duì)應(yīng)的槽電壓（即正常化槽電壓）就是R0IbB”可見，假如系列電流變化引起槽電壓變化了，只要槽電阻保持不變，正?；垭妷壕捅３植蛔儯ó?dāng)然前提是基準(zhǔn)電流和表觀反電動(dòng)勢(shì)的設(shè)定值均保持不變）。以一臺(tái)200kA鋁電解槽為例，假如系列電流正好等于基準(zhǔn)電流值（200kA），對(duì)應(yīng)的槽電壓為4.1V，并假設(shè)槽電阻計(jì)算公式中的表觀反電動(dòng)勢(shì)取值為1.6V，則用（1）式計(jì)算的槽電阻值為1.2510-5歐姆（即12.5微歐姆），用而（2）式計(jì)

6、算的正?；垭妷簽?.1V（注意：當(dāng)系列電流值正好等于設(shè)定的基準(zhǔn)電流值時(shí)，正?；垭妷旱闹稻偷扔诓垭妷旱闹担?。假設(shè)系列電流從200kA降低到190kA時(shí)槽電阻維持不變（維持在12.5微歐姆），從槽電阻計(jì)算公式（1）反推可知，槽電壓將從4.1V降低到3.975V。再?gòu)恼；垭妷河?jì)算公式（2）可知，正?；垭妷阂廊贿€是4.1V。而若假定系列電流從200 kA降低到190kA時(shí)，通過提升陽(yáng)極保持槽電壓4.1V不變，從槽電阻計(jì)算公式（1）可計(jì)算出，槽電阻將從12.5微歐姆升高到約13.2微歐姆；從正常化槽電壓的計(jì)算公式（2）可計(jì)算出，正?；垭妷簩?.1V升高到約4.24V。 從槽電阻和正?；垭?/p>

7、壓的計(jì)算公式可知，改變表觀反電動(dòng)勢(shì)的設(shè)定值會(huì)改變槽電阻的計(jì)算值，但對(duì)正常化槽電壓的計(jì)算值的影響較?。ㄇ疤崾菍?shí)際的電流與基準(zhǔn)電流接近，假如實(shí)際的系列電流等于基準(zhǔn)電流，則無影響）；改變基準(zhǔn)電流的設(shè)定值不會(huì)影響槽電阻的計(jì)算值，但會(huì)改變正常化槽電壓的計(jì)算值。因此，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不要隨意對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的表觀反電動(dòng)勢(shì)和基準(zhǔn)電流的設(shè)定值進(jìn)行更改，否則會(huì)使槽電阻曲線在表觀反電動(dòng)勢(shì)修改時(shí)刻、或正?；垭妷呵€在基準(zhǔn)電流修改時(shí)刻產(chǎn)生躍變，使歷史記錄數(shù)據(jù)失去統(tǒng)一的比較標(biāo)準(zhǔn)。 圖2-1 是設(shè)定參數(shù)（表觀反電動(dòng)勢(shì)和基準(zhǔn)電流）及槽電壓、系列電流發(fā)生改變時(shí)，對(duì)槽電阻和正?；垭妷寒a(chǎn)生影響的示意圖。 由于在基準(zhǔn)電流和反電動(dòng)勢(shì)一

8、定的情況下，槽電阻和正常化槽電壓具有相同的內(nèi)涵，因此后面的討論將統(tǒng)稱為槽電阻（或電阻）?；鶞?zhǔn)電流表觀反電動(dòng)勢(shì)槽電阻系列電流槽電壓正常化槽電壓改變基準(zhǔn)電流設(shè)定值（僅引起正?；垭妷鹤兓?；改變反電動(dòng)勢(shì)（引起槽電阻變化，但對(duì)正?；垭妷河绊戄^?。?；改變系列電流（引起槽電壓變化，但對(duì)槽電阻和正常化槽電壓沒有影響）；、通過非系列電流因素來改變槽電壓（引起槽電阻和正?；垭妷合鄳?yīng)地變化）。圖2-1 設(shè)定參數(shù)（表觀反電動(dòng)勢(shì)和基準(zhǔn)電流）及槽電壓、系列電流對(duì)槽電阻和正常化槽電壓影響示意圖2.2 槽電阻的濾波與噪聲解析（槽穩(wěn)定性分析）無論槽況如何穩(wěn)定，從現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)視屏幕上看到的原始槽電阻的實(shí)時(shí)采樣曲

9、線是一種上下波動(dòng)的曲線。對(duì)于正常槽況，相鄰1秒鐘的正?；垭妷翰蓸又档牟▌?dòng)幅度也可能達(dá)到1030mV。現(xiàn)場(chǎng)操作人員稱這種現(xiàn)象為電阻波動(dòng)（或電阻針振、電阻擺動(dòng)）。用自控專業(yè)術(shù)語(yǔ)，則將這種現(xiàn)象稱為槽電阻噪聲（或簡(jiǎn)稱槽噪聲）?，F(xiàn)代控制系統(tǒng)一方面要對(duì)針對(duì)噪聲進(jìn)行濾波或平滑處理，以防止噪聲對(duì)電阻調(diào)節(jié)和氧化鋁解析的干擾；另一方面，對(duì)噪聲本身進(jìn)行解析，獲得關(guān)于槽況波動(dòng)的信息。當(dāng)槽噪聲（電阻波動(dòng)）超過一定幅度時(shí)，認(rèn)為電解槽處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此槽噪聲分析又稱為電解槽穩(wěn)定性分析。2.2.1 槽電阻噪聲的基本類型沿襲傳統(tǒng)的觀念，將槽電阻中與Al2O3濃度和極距的慢時(shí)變過程無關(guān)的高頻成分視為噪聲噪聲可粗略地分為采樣噪

10、聲、槽噪聲和異常階躍三大類。 （1）采樣噪聲這是指槽電阻采樣與計(jì)算過程中所引入的與電解槽運(yùn)行特性無關(guān)的噪聲，來源主要有下列四個(gè)方面：槽電壓和系列電流信號(hào)的模擬與量化誤差。對(duì)于先進(jìn)控制系統(tǒng)，該項(xiàng)誤差較小，一般僅在10-4V的數(shù)量級(jí)。因這種誤差具有白噪聲性質(zhì)、方差較小且基本恒定，故不會(huì)影響對(duì)來自鋁電解過程的干擾噪聲（即下面將要討論的槽噪聲）的解析，且易于用低通數(shù)字濾波消除其對(duì)過程臨控的干擾。槽電壓和系列電流采樣通道中的隨機(jī)電噪聲。有人采用300Hz的高速采樣研究了這類噪聲1。研究結(jié)果表明，若采用時(shí)間常數(shù)大于50ms的RC濾波器或類似性能的數(shù)字濾波器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，則該項(xiàng)噪聲可被有效地抑制。對(duì)

11、于先進(jìn)控制系統(tǒng)，該項(xiàng)噪聲也僅在10-4V的數(shù)量級(jí)。槽電壓系列電流采樣不同步而引入的噪聲研究表明1，這兩個(gè)信號(hào)的采樣時(shí)差只要不大于用作預(yù)處理的濾波器的時(shí)間常數(shù)（50ms），則該項(xiàng)噪聲可被抑制?，F(xiàn)代控制系統(tǒng)在采樣硬件與軟件的設(shè)計(jì)上均會(huì)保證兩信號(hào)的同步采樣，使該項(xiàng)噪聲可以忽略。系列電流波動(dòng)引入槽電阻中的偽噪聲理論上，槽電阻不隨系列電流的變化而變化，但事實(shí)上系列電流波動(dòng)可能會(huì)給槽電阻中引入偽噪聲。系列電流與槽電壓的采樣同步性越差，或者表觀反電動(dòng)勢(shì)設(shè)定值與真實(shí)的反電動(dòng)勢(shì)差異越大，則系列電流波動(dòng)引入槽電阻中的偽噪聲便越大。上一節(jié)的討論已指出，使用正常化槽電壓來表示槽電阻時(shí)，表觀反電動(dòng)勢(shì)設(shè)定值的改變對(duì)正?；?/p>

12、槽電壓的影響不大。這也就是說，系列電流波動(dòng)引入槽電阻中的偽噪聲不會(huì)因?yàn)楸碛^反電動(dòng)勢(shì)的設(shè)定值與真實(shí)反電動(dòng)勢(shì)有差異而明顯增大。我們?cè)鴮?duì)160kA預(yù)焙槽的該種噪聲進(jìn)行過估算，估算表明2，當(dāng)Al2O3%在18%范圍內(nèi)變化時(shí)，表觀反電動(dòng)勢(shì)偏離設(shè)定值（1.60V）的最大幅度為0.1V；當(dāng)系列電流I在工作電流（160kA）附近波動(dòng)時(shí)，槽電阻對(duì)系列電流的偏導(dǎo)數(shù)的最大幅度約為3.910-3kA-1。當(dāng)以表達(dá)時(shí)（V0為正?；垭妷海﹦t約為0.625mVkA-1因此，假如系列電流波動(dòng)范圍為8kA，故知從理論上考慮，引入的偽噪聲的最大幅值不超過5mV。可見偽噪聲是相當(dāng)小的。但系列電流波動(dòng)不僅在槽電阻中引入偽噪聲，而且

13、因引起電磁場(chǎng)分布的變化故可導(dǎo)致槽電阻真實(shí)的噪聲增大。因此有必要對(duì)系列電流波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行分析，以便一方面在解析槽噪聲時(shí)能考慮系列電流波動(dòng)的影響，另一方面在設(shè)計(jì)用于電解槽控制目的的槽電阻低通數(shù)字濾波器時(shí)，能充分考慮到系列電流波動(dòng)所引入的快時(shí)變?cè)肼暋?（2）槽噪聲這是指取決于電解槽運(yùn)行特性的噪聲。研究表明，槽噪聲可分為兩種基本的類型3,4，一種是由陽(yáng)極故障、氣泡排出的干擾等引起的波動(dòng)周期為數(shù)秒或更快的高頻噪聲；另一種是由鋁液層波動(dòng)引起的波動(dòng)周期為數(shù)十秒的低頻噪聲（低頻只是相對(duì)而言）。為了現(xiàn)場(chǎng)操作人員容易理解，在我們開發(fā)的控制系統(tǒng)中，將波動(dòng)周期小于30秒的高頻噪聲定義為“電阻針振”，而將波動(dòng)周期大

14、于30秒（但小于120秒）的低頻噪聲定義為“電阻擺動(dòng)”。槽噪聲分析是電解槽穩(wěn)定性分析的主要內(nèi)容，下面將專門討論。 （3）異常階躍這是指由各種人工作業(yè)，料面塌陷，以及陽(yáng)極脫落、掉塊以及其他一些非正常因素引起的槽電阻大幅度躍升或跌落，直觀的表現(xiàn)是槽電阻-時(shí)間曲線的連續(xù)性中斷?？刂葡到y(tǒng)需要識(shí)別槽電阻的異常階躍，以便在其后利用槽電阻-時(shí)間曲線進(jìn)行陽(yáng)極效應(yīng)預(yù)報(bào)、氧化鋁濃度估計(jì)和正常態(tài)的極距調(diào)節(jié)時(shí)，不會(huì)因此而出現(xiàn)誤判。有些控制系統(tǒng)將異常階躍的分析也歸入槽噪聲分析中。2.2.2 槽電阻濾波的基本原理通常情況所說的濾波，是指對(duì)槽電阻進(jìn)行低通數(shù)字濾波，去除其中頻率較高（即快時(shí)變）的組分，以避免其對(duì)極距和Al2O

15、3濃度這兩個(gè)相對(duì)而言為慢時(shí)變狀態(tài)參數(shù)的判斷和控制產(chǎn)生干擾。為達(dá)到這一目的，一般采用具有慣性濾波性能的一階遞歸式低通數(shù)字濾波器，其結(jié)構(gòu)形式是： （2-1）式中，y(k)為濾波器輸出（即濾波值），x(k)為輸入（即原始采樣值）；k代表采樣點(diǎn)的時(shí)序；為濾波系數(shù)（0 j 1）。該式的直觀含義是，本次（k時(shí)刻）的濾波值，是上次（k-1時(shí)刻）的濾波值與本次的采樣值的加權(quán)平均值。用這樣類型的濾波公式進(jìn)行信號(hào)處理，又稱為平滑處理。達(dá)到加強(qiáng)濾波效果的目的，常采用多個(gè)這樣的數(shù)字濾波器級(jí)聯(lián)的方式。濾波系數(shù)及濾波器的級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)一般用試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)確定。顯然，濾波系數(shù)越大，或?yàn)V波器級(jí)聯(lián)的個(gè)數(shù)越多，則濾波（平滑）的程度便越高，

16、但因之而引起的濾波值與實(shí)際值之間的滯后程度也越大。上述的慣性濾波器雖然直觀易懂，但并非最好的濾波器。數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)有多種理論方法，在此不做詳細(xì)討論，讀者可參見我們的相關(guān)研究工作2, 5。一個(gè)先進(jìn)的控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)解析的需要進(jìn)行不同程度和不同類型的濾波。例如，通過分別設(shè)計(jì)使用高通、帶通和低通數(shù)字濾波器對(duì)槽電阻采樣系列進(jìn)行處理，可以實(shí)現(xiàn)高頻噪聲（電阻針振）、低頻噪聲（電阻擺動(dòng)）和低頻信號(hào)的分離 2,5。圖2-2是這種分離過程的示意圖。槽電阻采樣序列（圖中最上方的電阻采樣值曲線）經(jīng)過一個(gè)高通數(shù)字濾波器處理，得到的輸出序列就是圖中所示的高頻噪聲曲線（該曲線可用于計(jì)算高頻噪聲強(qiáng)度）；槽電阻采樣序列經(jīng)過一

17、個(gè)帶通數(shù)字濾波器處理，得到的輸出序列就是圖中所示的低頻噪聲曲線（該曲線可用于計(jì)算低頻噪聲強(qiáng)度，低頻噪聲曲線呈現(xiàn)較明顯的波動(dòng)周期時(shí)，往往由槽中鋁液的運(yùn)動(dòng)引起）；而槽電阻采樣序列經(jīng)過一個(gè)低通數(shù)字濾波器處理后，所得到的輸出序列就是圖中所示的低頻信號(hào)曲線，該曲線提供給下料控制模塊（即氧化鋁濃度控制模塊）和槽電阻控制模塊（即極距控制模塊），用于進(jìn)一步解析槽內(nèi)氧化鋁濃度和極距的變化情況。圖2-2 高頻噪聲、低頻噪聲和低頻信號(hào)的分離2.2.3 槽噪聲解析（槽穩(wěn)定性分析） 傳統(tǒng)的槽噪聲解析不區(qū)分噪聲的種類，因此也就不區(qū)分電阻（或電壓）波動(dòng)、電阻（或電壓）擺動(dòng)、電阻（或電壓）針振等術(shù)語(yǔ)的含義?！半妷簲[動(dòng)”是較常

18、用的對(duì)槽噪聲的稱呼。電壓擺動(dòng)（實(shí)質(zhì)上是指電阻擺動(dòng)）的傳統(tǒng)檢查方法是，對(duì)一定周期（如2min）內(nèi)的取樣電阻值的波動(dòng)幅度（或稱電壓擺動(dòng)強(qiáng)度）進(jìn)行計(jì)算（計(jì)算該周期內(nèi)采樣電阻的最大值與最小值之差）；若電壓擺動(dòng)強(qiáng)度超過設(shè)定值則認(rèn)為當(dāng)前周期中存在電壓擺動(dòng)；然后根據(jù)歷史的狀況做出“電壓擺動(dòng)起始”、“電壓擺動(dòng)在持續(xù)中”、“電壓擺動(dòng)暫?！?、“電壓擺動(dòng)結(jié)束”或“無電壓擺動(dòng)”等進(jìn)程判斷，并進(jìn)行記錄和報(bào)警。進(jìn)程判斷的基本程序是：l 若當(dāng)前周期發(fā)現(xiàn)電壓擺動(dòng)，而前一周期沒有“電壓擺動(dòng)持續(xù)中”、“電壓擺動(dòng)暫?！睒?biāo)志，則控制系統(tǒng)做出“電壓擺動(dòng)起始”（或“電壓擺動(dòng)確認(rèn)”）標(biāo)志； l 若當(dāng)前周期發(fā)現(xiàn)電壓擺動(dòng)，而前一周期已有“電壓

19、擺動(dòng)持續(xù)中”或“電壓擺動(dòng)暫?！睒?biāo)志，則控制系統(tǒng)維持“電壓擺動(dòng)持續(xù)中”標(biāo)志；l 若當(dāng)前周期沒有電壓擺動(dòng)，而前一周期有“電壓擺動(dòng)持續(xù)中”標(biāo)志，則控制系統(tǒng)做出“電壓擺動(dòng)暫?！皹?biāo)志；l 若當(dāng)前周期沒有電壓擺動(dòng)，而前一周期有“電壓擺動(dòng)暫?！睒?biāo)志，則檢查電壓擺動(dòng)暫停已有多長(zhǎng)時(shí)間，如果未經(jīng)過一定時(shí)間（如20min），則繼續(xù)維持“電壓擺動(dòng)暫停標(biāo)志”；如果經(jīng)過了一定時(shí)間，則做出“電壓擺動(dòng)結(jié)束”或“無電壓擺動(dòng)”標(biāo)志。 依據(jù)電壓擺動(dòng)的起始、持續(xù)、暫停和結(jié)束做出不同標(biāo)志的目的一是為了現(xiàn)場(chǎng)操作人員了解電壓擺動(dòng)的發(fā)展階段，以便于制訂正確的槽況維護(hù)決策；二是使其他解析與控制模塊采取正確的處理措施（詳見后續(xù)章節(jié)中的討論）。例

20、如，在電壓擺動(dòng)暫停（即電壓擺動(dòng)消失后不久）階段，要防止控制系統(tǒng)（槽控機(jī)）或人工急于降低槽電壓而引起電壓擺動(dòng)重現(xiàn)。 前面在討論噪聲分類時(shí)以指出，分析槽噪聲的一種更細(xì)致的方法是將槽噪聲（我們定義為電阻波動(dòng)）分為高頻噪聲（我們定義為電阻針振）和低頻噪聲（我們定義為電阻擺動(dòng)）兩類來分別進(jìn)行解析。這樣，就需要將高頻噪聲和低頻噪聲分解出來，分別計(jì)算它們的強(qiáng)度（即電壓針振強(qiáng)度與電壓擺動(dòng)強(qiáng)度），并分別對(duì)它們進(jìn)行起始、持續(xù)、暫停和結(jié)束的進(jìn)程判斷。它們的總強(qiáng)度定義為電阻波動(dòng)強(qiáng)度（相當(dāng)于傳統(tǒng)噪聲解析中所稱的電壓擺動(dòng)強(qiáng)度）。 歐洲一專利4提出的高、低頻噪聲強(qiáng)度計(jì)算方法是，采用每秒一次（即1Hz）的采樣速率采集原始槽電

21、阻；將相鄰若干個(gè)采樣值的之間的最大波動(dòng)幅度作為高頻噪聲強(qiáng)度；計(jì)算低頻噪聲強(qiáng)度相對(duì)較復(fù)雜些，首先計(jì)算機(jī)每隔一定時(shí)間（如10秒）計(jì)算一次該時(shí)間間隔內(nèi)的平均電阻，并存貯從過去tk時(shí)刻至當(dāng)前t0時(shí)刻的k+1個(gè)平均槽電阻值（ARk，ARk-1，AR0），然后按下式計(jì)算一個(gè)低頻噪聲的衡量值： 其中，ARi是在ti時(shí)刻處計(jì)算的平均槽電阻。幾種理想化平均槽電阻曲線及對(duì)應(yīng)的噪聲衡量值（NOISE）舉例在圖2-3中。圖2-3 低頻噪聲計(jì)算與實(shí)例4圖2-3中最上方曲線的低頻噪聲值為零，是因?yàn)殡娮璧淖兓瘜儆诋惓ｋA躍，不屬于低頻噪聲；中間那條曲線的低頻噪聲為零，是因?yàn)殡娮璧淖兓徛?，相?dāng)于是上節(jié)中所指的低頻信號(hào)（見圖2

22、-2），而不是低頻噪聲；最下方的那條曲線的低頻噪聲大于零，這條曲線相當(dāng)于圖2-2中所標(biāo)識(shí)的低頻噪聲曲線。計(jì)算高頻噪聲與低頻噪聲強(qiáng)度的另一方法是，先分別使用高通濾波與帶通濾波從原始的槽電阻采樣曲線中分別將高頻噪聲曲線與低頻噪聲曲線分解出來（見圖2-2），然后再分別計(jì)算高、低頻噪聲曲線在一定時(shí)間（即一個(gè)解析周期）內(nèi)的波動(dòng)幅度。如果將每個(gè)周期中計(jì)算出來的高頻噪聲強(qiáng)度（或低頻噪聲強(qiáng)度）連成曲線，就分別得到了高頻噪聲強(qiáng)度曲線（或低頻噪聲強(qiáng)度曲線）。由于電阻波動(dòng)的不穩(wěn)定性，這種原始的曲線一般波動(dòng)較大，因此可以采用與（2-1）式表達(dá)的慣性濾波器向類似的方法對(duì)曲線進(jìn)行平滑處理，從而得到比較平滑的高頻（或低頻）

23、噪聲強(qiáng)度曲線?？刂葡到y(tǒng)用經(jīng)過平滑的噪聲強(qiáng)度來判斷槽噪聲狀態(tài)的進(jìn)程，就能防止控制系統(tǒng)對(duì)槽噪聲的判斷過于敏感。過于敏感不好，那樣會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)對(duì)于一些噪聲強(qiáng)度處于臨界位置且不穩(wěn)定的電解槽，一會(huì)判定擺動(dòng)（或針振）起始，一會(huì)又判定其暫?；蛲Ｖ?，這會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)頻繁轉(zhuǎn)換一些控制參數(shù)，從而影響對(duì)電阻的正?？刂坪脱趸X濃度的正?？刂?。除了使用針振（或擺動(dòng)）強(qiáng)度來描繪電解槽的穩(wěn)定性外，鋁廠一般還同時(shí)使用另一個(gè)衡量槽子穩(wěn)定性的參數(shù)，那就是電阻針振（累計(jì)）時(shí)間和電阻擺動(dòng)（累計(jì)）時(shí)間。以電阻針振時(shí)間為例，體現(xiàn)在日?qǐng)?bào)（或者班報(bào)）上就是本日（或本班）的電阻針振累計(jì)時(shí)間。該時(shí)間是由槽控機(jī)將本日（或本班）中本臺(tái)電解槽處于“

24、電阻針振起始”或“電阻針振在持續(xù)中”狀態(tài)的時(shí)間累加起來。如果本日（或本班）的累計(jì)時(shí)間超過了對(duì)應(yīng)的規(guī)定值，便認(rèn)為該槽處于不穩(wěn)定狀態(tài)。控制系統(tǒng)消除電壓針振（或擺動(dòng)）的常規(guī)方法是提升槽電壓，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參見第三章“正常電阻控制（常態(tài)極距調(diào)節(jié)）”。2.3 陽(yáng)極效應(yīng)的檢出與處理 陽(yáng)極效應(yīng)（AE）的發(fā)生是以槽電阻取樣值超過了AE判別值為標(biāo)志的。上節(jié)在介紹槽噪聲解析中指出，控制系統(tǒng)（槽控機(jī)）要根據(jù)噪聲發(fā)生的狀況（進(jìn)程）做出進(jìn)程標(biāo)志?？刂葡到y(tǒng)在進(jìn)行AE判斷時(shí)也要依據(jù)AE的起始、持續(xù)、暫停和結(jié)束做出不同標(biāo)志，一方面以便現(xiàn)場(chǎng)操作人員了解AE的發(fā)展階段；另一方面以便其他解析與控制模塊采取正確的處理措施。 （1）AE的

25、檢出 AE檢出的一般程序是：l 槽控機(jī)檢查電阻取樣值是否達(dá)到了AE判別值（一般以正常化槽電壓達(dá)到了8V以上為判別標(biāo)準(zhǔn)）；若是，則將該電阻標(biāo)識(shí)為AE標(biāo)志電阻(簡(jiǎn)稱AE電阻)；l 若本次解析周期中AE電阻個(gè)數(shù)超過了規(guī)定個(gè)數(shù)，則可初步判斷該槽處于AE狀態(tài)（即“AE起始”狀態(tài)）；但為證實(shí)，計(jì)算機(jī)還需經(jīng)過連續(xù)兩個(gè)以上解析周期的檢查，若發(fā)現(xiàn)AE電阻累計(jì)個(gè)數(shù)達(dá)到了設(shè)定值，則可確認(rèn)AE的發(fā)生（即“AE確認(rèn)”狀態(tài)）。l 確認(rèn)AE后，槽控機(jī)及上位機(jī)通過多種方式（屏幕顯示、聲音報(bào)警、語(yǔ)音報(bào)警等）輸出AE發(fā)生的信息，并轉(zhuǎn)入AE處理程序。l 如果AE電阻的累計(jì)個(gè)數(shù)未達(dá)設(shè)定值，AE電阻又自行消失，而且在其后的若干個(gè)解析周

26、期中未見復(fù)發(fā)，則這種情況稱之為“電壓（或電阻）閃爍”。計(jì)算機(jī)只存貯和打印“閃爍”信息，不對(duì)槽進(jìn)行處理。(2) AE的處理目前，我國(guó)依然采用人工插入木棒的方法熄滅AE（詳見第2篇第3章“鋁電解槽的主要操作”中的“熄滅陽(yáng)極效應(yīng)”）。槽控機(jī)的AE處理程序停止進(jìn)行正常的下料控制和電阻控制，主要任務(wù)是對(duì)AE過程的槽電阻進(jìn)行跟蹤，并在AE持續(xù)一定的時(shí)間后啟動(dòng)“AE加工”，即啟動(dòng)槽上的全部下料器連續(xù)打殼下料若干次，使規(guī)定的料量進(jìn)入電解槽（操作人員也可通過槽控機(jī)的手動(dòng)按鈕來進(jìn)行AE加工）。若AE處理程序在連續(xù)的若干個(gè)解析周期內(nèi)未發(fā)現(xiàn)AE電阻，則確認(rèn)“AE結(jié)束”，在AE結(jié)束后計(jì)算并儲(chǔ)存AE平均電阻、AE峰值電阻

27、、AE持續(xù)時(shí)間等信息，同時(shí)恢復(fù)到正常的控制過程。由于人工熄滅AE難以滿足快速熄滅AE（如數(shù)十秒鐘內(nèi)熄滅AE）的要求，且存在木料消耗、勞力消耗、飛揚(yáng)與揮發(fā)損失大、影響環(huán)境等問題，因此鋁工業(yè)一直期望有效的自動(dòng)熄滅AE方法。曾被研究的自動(dòng)熄滅AE的方法包括下列三類： 下降或傾斜陽(yáng)極； 噴射壓縮空氣或能在高溫下分解產(chǎn)生強(qiáng)烈氣體的物質(zhì)； 分流或短路。 以上方法同時(shí)都必須與有效的加料方法結(jié)合起來。 方法中的下降陽(yáng)極法是基于：(i)隨著陽(yáng)極的下降，陽(yáng)極側(cè)部浸潤(rùn)面積增大，而AE時(shí)通過陽(yáng)極側(cè)部傳導(dǎo)的電流本來就比正常時(shí)大，所以電流密度迅速降低；(ii)由于陽(yáng)極下降的運(yùn)動(dòng)過程引起磁場(chǎng)分布變化，從而引起鋁水波動(dòng)，波動(dòng)

28、的鋁水與越來越接近的陽(yáng)極短路。下降法容易實(shí)現(xiàn)，因此從一開始，預(yù)焙槽的自控系統(tǒng)中一般采用此法。法國(guó)彼施涅鋁業(yè)公司為其現(xiàn)代化預(yù)焙槽開發(fā)的AE熄滅程序即采用此法。其基本原理是6：先給出一系列使陽(yáng)極平面下降的命令，隨后又給出一系列使之上升的命令（見圖2-4）。此過程被稱之為一個(gè)循環(huán)。AE熄滅程序容許使用有限個(gè)循環(huán)，并跟隨一個(gè)槽電阻調(diào)節(jié)周期，以達(dá)到成功熄滅AE的目的。在進(jìn)行上述步驟的同時(shí)，對(duì)電解槽采取過量下料。據(jù)稱，該法成功率達(dá)90%。圖2-2 法鋁陽(yáng)極效應(yīng)熄滅步驟但使用下降陽(yáng)極法的其他一些鋁廠發(fā)現(xiàn)該法成功率并不高，且有造成電解質(zhì)外溢的危險(xiǎn)，特別是當(dāng)伸退不規(guī)整時(shí)，陽(yáng)極下降的幅度受到限制，致使效果不佳?？?/p>

29、見，同為下降陽(yáng)極法，由于具體程序、槽況及其管理方式的不同，效果各異。針對(duì)一些鋁廠發(fā)現(xiàn)的下降陽(yáng)極法的缺點(diǎn)，不少研究提出了一種可簡(jiǎn)稱之為“升降陽(yáng)極法”的改進(jìn)方案。升降陽(yáng)極法的特點(diǎn)是，在處理AE時(shí)，不是單純下降陽(yáng)極，而是根據(jù)AE時(shí)槽電壓的高低，先提升陽(yáng)極若干mm或提升至槽電壓達(dá)預(yù)定的高值止；陽(yáng)極在高位置保持若干秒；于陽(yáng)極提升和保持期間打殼下料；加料后再降陽(yáng)極至提升前的位置下方若干mm處。 此法先提升陽(yáng)極的理由是，首先提升陽(yáng)極則使電解質(zhì)在高電壓下急驟受熱，Al203溶解度增加；并且，提升陽(yáng)極使附著在陽(yáng)極周圍的結(jié)殼落入電解質(zhì)中從而使電解質(zhì)液面升高，形成易于熄滅AE的狀態(tài)，這相當(dāng)于降低了陽(yáng)極，因而減小了下

30、降陽(yáng)極所需的距離，可防止電解質(zhì)溢出槽外；還因Al203得到了充分溶解，而能防止已熄滅的AE在短時(shí)間內(nèi)再次發(fā)生；此外，先提升陽(yáng)極，增大極距還有使極間電流分布均勻的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于陽(yáng)極有病變或陰陽(yáng)極短路的電解槽，當(dāng)AE發(fā)生時(shí)電壓一般較低而且不穩(wěn)定，因此提升陽(yáng)極加大極距對(duì)于清理陽(yáng)極表面，維持正常極距是有益的。 方法中的傾斜陽(yáng)極法由挪威奧達(dá)爾松達(dá)爾鋁業(yè)公司開發(fā)7，并于1981年起分別在150kA、220kA預(yù)焙槽上應(yīng)用。該法是基于：(i)由于陽(yáng)極傾斜產(chǎn)生傾角，因此陽(yáng)極底掌的氣泡隨之易于逸散；(ii)與下降陽(yáng)極法一樣，擺動(dòng)也引起磁場(chǎng)分布變化，從而引起鋁水波動(dòng)，個(gè)別陽(yáng)極與鋁水接觸短路。據(jù)報(bào)導(dǎo)，這種方法若與采用壓

31、縮空氣的方法給合使用，能減小所必須的陽(yáng)極擺動(dòng)傾斜角，為自焙槽提供了一種有效的可交替使用的熄滅AE方法。但此法主要缺點(diǎn)是使槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。 方法，噴射壓縮空氣或能在高溫下分解產(chǎn)生強(qiáng)烈氣體的物質(zhì)的方法，是基于強(qiáng)烈的攪動(dòng)而活化陽(yáng)極表面，以及攪動(dòng)的鋁水與陽(yáng)極表面接觸短路。由于噴射壓縮空氣的鋼管容易被凝固的電解質(zhì)堵塞，所以效果不佳，加之強(qiáng)烈的攪動(dòng)會(huì)干擾槽況，噴入的空氣中的氧會(huì)造成金屬的氧化損失，所以噴射壓縮空氣法僅在一些自焙槽的自控系統(tǒng)中見到應(yīng)用。前蘇聯(lián)等一些專利提出幾種改進(jìn)方法，一種是噴射含炭粉(煤粉)的壓縮空氣8.9，炭粉的存在可減小空氣中氧對(duì)鋁液的氧化作用；另一種是噴射對(duì)電解過程無害的鹽類(如合成脂

32、肪酸)10,11，利用鹽類高溫分解產(chǎn)生的強(qiáng)烈氣體，攪動(dòng)熄滅AE。方法，即分流或短路法，其原理是降低電流密度。此法能減小熄滅AE時(shí)的能量損失，減小熄滅AE操作對(duì)槽況的干擾，但此法必須與正確的加料和適度地下降陽(yáng)極結(jié)合起來才有較好的效果12，它的主要缺點(diǎn)是：使槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，投資增加，且分流或短路開關(guān)的設(shè)計(jì)較復(fù)雜，維護(hù)費(fèi)用大。2.4 陽(yáng)極效應(yīng)預(yù)報(bào)現(xiàn)代鋁電解生產(chǎn)正普遍采用“低溫、低分子比、低Al2O3濃度”這種臨近AE狀態(tài)的生產(chǎn)技術(shù)條件，為避免計(jì)劃外的AE發(fā)生，AE預(yù)報(bào)顯得十分重要。跟蹤槽電阻是當(dāng)今被普遍采用的AE預(yù)報(bào)方法?；咀龇ㄊ牵翰垭娮杞?jīng)過低通濾波（又稱平滑）后，計(jì)算濾波電阻的斜率（即變化速率），

33、然后將濾波電阻值及其斜率（或累計(jì)斜率）值分別與限定值比較，作出判斷。由于各鋁廠所用系統(tǒng)的信號(hào)采樣方式（如采樣周期）不同，電解槽槽型不同以及軟件開發(fā)上的差異，所以數(shù)學(xué)模型的具體形式有所不同。下面例舉幾個(gè)模型，以資比較。 (1) 美國(guó)國(guó)際鋁業(yè)公司的AE預(yù)報(bào)模型13對(duì)原始的15秒為采樣間隔的槽電阻取樣值（r）進(jìn)行下列計(jì)算：電阻平滑：斜率計(jì)算： 斜率平滑：第一次：；初值： 第二次：；初值：若下列兩判別式成立則預(yù)報(bào)AE：(i)、 (NRN目標(biāo)槽電阻)(ii)、 (2) 用分段線性回歸計(jì)算槽電阻斜率的AE預(yù)報(bào)方法使用分段線性回歸的槽電阻斜率計(jì)算法原用于進(jìn)行“按需下料”的Al2O3濃度控制14，顯然，也可用

34、于AE預(yù)報(bào)。顧名思義，分段線性回歸即分時(shí)段對(duì)槽電阻取樣值進(jìn)行對(duì)取樣時(shí)間的線性回歸處理。假如在0至tn時(shí)刻的時(shí)段內(nèi)獲得：(t1，r1)，(t2，r2)(tn，rn)共n組電阻取樣值，去除異常取樣值后保留N個(gè)有效值。設(shè)這N個(gè)有效取樣值r與時(shí)間t之間呈現(xiàn)下列一元線性回歸關(guān)系： 式中，K便是槽電阻對(duì)時(shí)間的變化速率；為計(jì)算值與測(cè)量值的偏差，設(shè)其服從正態(tài)分布，即N(0,)。按一元線性回歸原理可求出常數(shù)r0、K以及相關(guān)系數(shù)S2，分別為： 表示對(duì)N個(gè)數(shù)據(jù)求和假如在回歸計(jì)算的時(shí)段內(nèi)槽電阻的變化速率（即斜率）較小，那么槽電阻波動(dòng)引起的隨機(jī)誤差會(huì)導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)S2降低，也即回歸的可信度降低。此外，采樣間隔過寬，N值過

35、小也會(huì)降低S2。當(dāng)槽電阻變化顯著時(shí)，隨機(jī)誤差的影響作用相對(duì)降低，S2增大。因此，對(duì)應(yīng)于一定的采樣間隔和回歸計(jì)算的時(shí)段長(zhǎng)度若K和S2分別達(dá)到相應(yīng)的設(shè)定高值，則可以預(yù)報(bào)AE。（3）以槽電阻斜率和累積斜率為主要判據(jù)、并輔以其他輔助判據(jù)的AE預(yù)報(bào)方法15 這里，槽電阻斜率是指一個(gè)解析周期（如2min）內(nèi)的濾波電阻的變化速率。而濾波電阻相當(dāng)于圖2-2中所示的低頻信號(hào)，它是去除了異常階躍并濾除了高、低頻噪聲后的電阻濾波值。槽電阻累積斜率是指一定時(shí)間間隔（如8min）內(nèi)濾波電阻的累積變化速率。我們?cè)诠I(yè)電解槽上對(duì)AE發(fā)生前的濾波電阻曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，AE發(fā)生前濾波電阻的上升速率有很大的差別。較典型的情況

36、之一是，從AE要發(fā)生的前2030min開始，濾波電阻呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)，對(duì)于此種情況，通過判斷槽電阻斜率是否達(dá)到某一極限就可以進(jìn)行有效的AE預(yù)報(bào)（有效的AE預(yù)報(bào)是指AE預(yù)報(bào)后，AE發(fā)生的趨勢(shì)可以通過大下料進(jìn)行遏制；無效的AE預(yù)報(bào)是指，AE預(yù)報(bào)得太晚，即使進(jìn)行大下料也無法遏制AE的發(fā)生）。較典型的情況之二是，從AE發(fā)生前4060min起，濾波電阻開始慢慢爬升，爬升到一定程度后AE突發(fā)。對(duì)于這種情況，單純通過判斷槽電阻斜率是否達(dá)到某一極限是無法進(jìn)行有效的AE預(yù)報(bào)的，要么預(yù)報(bào)得太晚，要么濾波電阻根本就沒有達(dá)到極限值A(chǔ)E就已經(jīng)發(fā)生了。根據(jù)上述情況，我們將電阻斜率和電阻累積斜率這兩個(gè)參數(shù)結(jié)合起來進(jìn)行AE

37、預(yù)報(bào)。例如，給這兩個(gè)參數(shù)一個(gè)合適的“權(quán)重”，如果加權(quán)之和達(dá)到某一設(shè)定的極限值，則預(yù)報(bào)AE。將斜率和累積斜率結(jié)合起來使用能夠顯著提高不穩(wěn)定槽況下的AE準(zhǔn)確率，這是因?yàn)殡娊獠鄄环€(wěn)定時(shí)，電阻斜率計(jì)算受到的噪聲干擾較大，因此單純使用斜率預(yù)報(bào)AE容易造成誤報(bào)或漏報(bào)。而對(duì)斜率進(jìn)行累積則能使被累積斜率值中包含的正負(fù)誤差相抵。有一些信息可以作為AE預(yù)報(bào)的輔助判據(jù)，例如近期（如近6小時(shí)）槽內(nèi)物料平衡的理論偏差（稱為物料衡算偏差）。該參數(shù)是按照物料平衡的原理從近期累積的下料量（計(jì)算方法：累積的總下料次數(shù)乘以每次的下料量）與理論的氧化鋁消耗量來計(jì)算得到的。理論消耗量與累積下料量與的差值越正（說明近期欠量程度大），則AE出現(xiàn)的可能性越大，因此可以降低預(yù)報(bào)AE的“門檻”（即降低AE預(yù)報(bào)用電阻斜率極限值或電阻累積斜率極限值），以便提高AE預(yù)報(bào)的有效性。另一個(gè)對(duì)AE預(yù)報(bào)也有輔助意義的參數(shù)是槽電阻針振。由于當(dāng)有發(fā)生AE的趨勢(shì)時(shí)，陽(yáng)極底掌會(huì)逐