智能化控制系統(tǒng)在鋁電解槽上的應用

1、智能化控制系統(tǒng)在鋁電解槽上的應用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應用于鋁電解生產(chǎn)，使得鋁電解操作工人能夠從繁重的體力勞動中解放出來，同時控制系統(tǒng)的升級，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

4、備。從最初由直流發(fā)電機供電的小型預焙陽極電解槽到目前廣為采用的 現(xiàn)代預焙陽極電解槽，一百余年來，電解槽的結構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。隨著電子智能控制技術的應用，鋁電解操作工 人已經(jīng)能夠從繁重的體力勞動中解放出來，同時控制系統(tǒng)的升級，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)是動態(tài)的槽電壓和系統(tǒng)電流，電解槽智能控制 機（簡稱槽控機）通過對這兩個原始參數(shù)的計算和分析，對電解槽進行各種控制。 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)再到目前的兩級分布式 控制系統(tǒng)，槽控機的智能化特征越

5、來越明顯，因此掌握智能化電解槽控制系統(tǒng)相關 知識就變的格外重要了。過去我國預焙槽生產(chǎn)系列普遍使用的槽控機硬件體系是基于STD總線技術的 單片機體系，且采用插板式結構，這類槽控機在設計上存在的主要問題是集成度低， 使用電路板數(shù)量多，信號通路轉接環(huán)節(jié)（插接件）連接及接觸點太多，給運行過程 帶來的主要問題是：接頭插件在電解現(xiàn)場強腐蝕高灰塵的環(huán)境中易氧化腐蝕，導致 接觸不良、信號中斷和引發(fā)隨機性故障，整機的穩(wěn)定性和可行性降低；對維護水平 要求高且維護難度大；備件購置費用和系統(tǒng)的維護費用高。此外，這類槽控機與上 位機多采用位總線通信方式進行數(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。針對以

6、上問題，許多電解鋁企業(yè)提出了槽控機集約化，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，電流效率達到90%左右，為后期的控制系統(tǒng)進一步 智能化打下了良好的基礎，2002年青海鋁業(yè)公司又進行了槽控機整機改造的工程， 把分布式槽控機改造成為CAN總線網(wǎng)絡智能槽控機，使電解槽達到真正的智能化 控制，電流效率達到94%，槽電壓與設定電壓偏差僅在30毫伏以內(nèi)，效應系數(shù)達到 0.3天/次以下，減少了操作工的勞動強度，降低了人力資源占有率，為電解鋁生產(chǎn) 的集團化、規(guī)?；於嘶A。二、槽控機智能模糊控制理論1模糊專家控制器的基本構成模

7、糊專家控制器是應用模糊專家控制技術開發(fā)出來的一種新型控制算法。由規(guī)則庫、論域自調整、推理機、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理、信號采集構成，其 基本結構如圖1所示。模糊專家控制器基于“近似推理”原理的推理機具 有同時處理精確知識和模糊知識的優(yōu)點，而它的“論域自調整”機制可根 據(jù)槽況的變化和控制模式的切換，自動調輸入模糊變量和/或輸出模糊變量 所對應的精確值的論域，從而簡便而有效地達到在線自動調整控制器的工 作點和動、靜態(tài)品質的目的。實際應用結果表明，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構圖2. 2 規(guī)則庫的構造采用“if條件then結論”（條件和結論都可

8、含模糊子句）的模糊產(chǎn)生式 表示法來統(tǒng)一地表達由推理機使用的各種規(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 理論，通過經(jīng)驗和實驗確定的。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 對應的隸屬函數(shù)為例，橫坐標代表槽電阻斜率的精確值，論域為min,max， 當精確值超出論域時，則進行限幅處理（見圖2）。2.3論域自調整機制2.由于電解槽，尤其是設計較差的電解槽具有非線性、時變的特

9、性，要求控 制器具有自調整和自學習能力，因此采用了 “論域自調整算法”，即由推理 根據(jù)槽況的變化情況和控制模式的轉變而修改輸入模糊變量所對應的精確 值的論域和/或輸出模糊變量所對應的精確值的論域，從而簡便而有效地達 到在線自動調整模糊專家控制器的工作點和動、靜態(tài)品質的目的。以推理機根據(jù)下料控制模式的轉變調整論域為例，當下料控制模式從濃度 校驗模式轉入常態(tài)下料模式時，可認為氧化鋁濃度已經(jīng)進入了設定的低濃 度工作區(qū)，為了精細地控制氧化鋁穩(wěn)定在最佳工作點附近，可適當縮小氧 化鋁濃度工作區(qū)，為此推理機調整一些模糊變量所對應的精確值的論 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，使精確值對應量化值 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， 以達到根據(jù)槽電阻斜率等變量的較小變化而細微地調整下料速率的目的。2.4推理機2.我們按照模糊專家系統(tǒng)的推理技術構造推理機（圖3）。推理機的推理過程 應用了一種“近似推理”算法來計算規(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) 與模糊集相關聯(lián)的運算來確定，獲得一個0與1之間的值。當某條規(guī)則的 整個前件均經(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 的匹配度大于預先設定閾值，該規(guī)則就進入觸發(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)則時的沖突，應用了下列策 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)則都分配了一個優(yōu)先級，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)先級高的規(guī)則，而若優(yōu)先級相同， 則選取匹配度高的規(guī)則。NN圖三推理機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而時 刻變化的，因此采集到的電壓作為調整槽電壓的根據(jù)是毫無意義的，而且電 流低落時，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影響的槽電 阻為依據(jù)的

12、。槽電阻的計算公式為R=(V-C)/I式中 R槽電阻計算值；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，首先進行解析，算出槽電阻值， 然后分成陽極效應電阻、壞電阻與正常電阻三類，并針對不同的情況采用 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，則進行槽電壓調整。2加料控制 包括正常加料（簡稱NB）和效應加料（簡稱AEB）。鋁電解 智能控制系統(tǒng)對電解槽的加料控制，實質上是在電解槽熱收支保持平衡的

13、前 提下，用陽極效應（簡稱AE）發(fā)生的時刻及人為設定的NB間隔和AE間隔 對NB和AE等待時間進行調度。人們期待調度的標準模式是：按規(guī)定的NB間隔加料，AE在AE等待期間 發(fā)生，周而復始。但是由于實際中的設備情況和人們的管理，情況調度并 不能按人們期待的標準模式進行，有時出現(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間隔由計算機自動加長一個定值，以相對于同樣 的時間內(nèi)減少了加料量。同時，原設定的AE間隔也自動加一個周期。 重新開始定時加料后僅進行幾次NB，AE就發(fā)生了，則此時刻AE的等 待時間為AE等待的極限值和全部NB間隔延長值之和。AE在AE未進

14、入AE等待期間前發(fā)生?？刂葡到y(tǒng)認為突發(fā)AE，原因是 加料不足，或雖然加料量足但溶解不良。此時槽控機以AE為基準點重 開NB，NB間隔仍為設定值。另外對加料進行自適應調度，這種調度是以氧化鋁濃度曲線為根據(jù)的。智 能控制系統(tǒng)將采樣的電壓進行解析，并換算成坐標點，然后與氧化鋁濃度 曲線對比，就能較準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，通過槽控機面板上的出鋁按鈕，通知控制系統(tǒng)準備出鋁。系統(tǒng)在掃描程序每運行一次結束時，都查詢一次內(nèi) 存中申請出鋁槽號表來決

15、定是否起動出鋁程序。如果表中有申請槽號，則停 止NB和RC命令，調用出鋁程序來監(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）的變化來檢驗出鋁開始和出鋁 結束，然后分23次將槽電壓降回到目標值（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，本應保持陽極大母線位置恒定，但在提出殘極時，電壓會上升，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，勢必造成新極設置位置不準及熱收入下降， 故換極前，必須按一下槽控機面板上的“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，只對電解槽進行電壓監(jiān)視， 當檢測到電壓恢復原值后，視為陽極更換結束，恢復RC控制和NB控制， 因為陽極更換過程中要進入一定量的氧化鋁，所以在恢復NB控制后要適當 減少NB次數(shù)，以抵消陽極更換中進入的氧化鋁對加料的影響。3. 5抬陽極母線的控制 抬陽極大母線時，由于卡具全部松化將導致電壓上升 0.20.3V，而此時電壓上升并非電解槽內(nèi)部變化，不應進行電壓調整，但抬 陽極大母線前不通知控制系統(tǒng)，系統(tǒng)就會誤判斷為電壓調整，所以，操作工 應按一個槽控機面板上的“抬母線”按鈕