智能化控制系统在铝电解槽上的应用

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1、智能化控制系统在铝电解槽上的应用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】 把电子智能控制技术应用于铝电解生产，使得铝电解操作工人能够从繁重的体力 劳动中解放出来，同时控制系统的升级，能够很大程度的降低能耗，

2、提高电流效率， 增加产出率。【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

3、degree lower it and can consume, raising the electric current efficiency, increasing to produce a rate.【关键词】 控制系统 槽电压 系列电流 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前言冰晶石氧化铝熔盐电解制铝法自 1888 年用于工业生产以来

4、，电解槽便成为炼 铝的主要设备。从最初由直流发电机供电的小型预焙阳极电解槽到目前广为采用的 现代预焙阳极电解槽，一百余年来，电解槽的结构和容量有了重大变化，但最为惊 人的变化则是铝电解槽的控制技术。随着电子智能控制技术的应用，铝电解操作工 人已经能够从繁重的体力劳动中解放出来，同时控制系统的升级，很大程度的降低 了能耗，提高了电流效率，增加了产出率。一、电解槽控制系统的发展背景电解槽控制系统的主要原始参数是动态的槽电压和系统电流，电解槽智能控制 机（简称槽控机）通过对这两个原始参数的计算和分析，对电解槽进行各种控制。 电解槽控制系统由早期的集中式控制系统到分布式控制系统再到目前的两级分布式 控

5、制系统，槽控机的智能化特征越来越明显，因此掌握智能化电解槽控制系统相关 知识就变的格外重要了。过去我国预焙槽生产系列普遍使用的槽控机硬件体系是基于 STD 总线技术的 单片机体系，且采用插板式结构，这类槽控机在设计上存在的主要问题是集成度低， 使用电路板数量多，信号通路转接环节（插接件）连接及接触点太多，给运行过程 带来的主要问题是：接头插件在电解现场强腐蚀高灰尘的环境中易氧化腐蚀，导致 接触不良、信号中断和引发随机性故障，整机的稳定性和可行性降低；对维护水平 要求高且维护难度大；备件购置费用和系统的维护费用高。此外，这类槽控机与上 位机多采用位总线通信方式进行数据交换，这种通信方式落后，数据

6、交换速率低且 稳定性较差。针对以上问题，许多电解铝企业提出了槽控机集约化，控制系统智能 化的要求。1997 年青海铝业公司经过四年的试验把模糊理论正式引入铝电解控制， 使电解铝的控制水平大大提高，电流效率达到 90%左右，为后期的控制系统进一步 智能化打下了良好的基础，2002 年青海铝业公司又进行了槽控机整机改造的工程， 把分布式槽控机改造成为 CAN 总线网络智能槽控机，使电解槽达到真正的智能化 控制，电流效率达到94%，槽电压与设定电压偏差仅在 30毫伏以内，效应系数达到 0.3 天/次以下，减少了操作工的劳动强度，降低了人力资源占有率，为电解铝生产 的集团化、规模化奠定了基础。二、槽控

7、机智能模糊控制理论2. 1 模糊专家控制器的基本构成 模糊专家控制器是应用模糊专家控制技术开发出来的一种新型控制算法。 由规则库、论域自调整、推理机、数据库、数据处理、信号采集构成，其 基本结构如图 1 所示。模糊专家控制器基于“近似推理”原理的推理机具 有同时处理精确知识和模糊知识的优点，而它的“论域自调整”机制可根 据槽况的变化和控制模式的切换，自动调输入模糊变量和/或输出模糊变量 所对应的精确值的论域，从而简便而有效地达到在线自动调整控制器的工 作点和动、静态品质的目的。实际应用结果表明，其控制精度和稳定性好 具有显著的增产节能效果。模糊专家控制器图 1 铝电解槽模糊专家控制器结构图2.

8、 2 规则库的构造采用“ifv条件then结论”（条件和结论都可含模糊子句）的模糊产生式 表示法来统一地表达由推理机使用的各种规则。规则中不精确的子句意味 着模糊变量的存在。规则中模糊变量的语言值和隶属函数是依据模糊数学 理论，通过经验和实验确定的。大降 降 平 升 大升min槽电阻斜率max 缩小论域min 槽电阻斜率max图 2 槽电阻斜率的隶属函数及论域调整示意图 所有隶属函数被假定为具有三角形或梯形形状。以槽电阻斜率的模糊集所 对应的隶属函数为例，横坐标代表槽电阻斜率的精确值，论域为min,max, 当精确值超出论域时，则进行限幅处理（见图 2）。2. 3 论域自调整机制 由于电解槽，

9、尤其是设计较差的电解槽具有非线性、时变的特性，要求控 制器具有自调整和自学习能力，因此采用了“论域自调整算法”，即由推理 根据槽况的变化情况和控制模式的转变而修改输入模糊变量所对应的精确 值的论域和/或输出模糊变量所对应的精确值的论域，从而简便而有效地达 到在线自动调整模糊专家控制器的工作点和动、静态品质的目的。 以推理机根据下料控制模式的转变调整论域为例，当下料控制模式从浓度 校验模式转入常态下料模式时，可认为氧化铝浓度已经进入了设定的低浓 度工作区，为了精细地控制氧化铝稳定在最佳工作点附近，可适当缩小氧 化铝浓度工作区，为此推理机调整一些模糊变量所对应的精确值的论域一一例如，增大槽电阻斜率

10、的精确值的论域的下限，减小其上限，实际 上通过增大量化因子 K 缩小了槽电阻精确值的论域，使精确值对应量化值 增大，此过程如图 2 所示。用同样的方法可缩小下料速率的精确值论域， 以达到根据槽电阻斜率等变量的较小变化而细微地调整下料速率的目的。2. 4 推理机我们按照模糊专家系统的推理技术构造推理机（图 3）。推理机的推理过程 应用了一种“近似推理”算法来计算规则的前件与精确的断言的匹配度。 精确的前件与精确的断言的匹配度只能在 0 和 1 两者中取其一，否则根据 与模糊集相关联的运算来确定，获得一个 0 与 1 之间的值。当某条规则的 整个前件均经匹配，其中最小的匹配度便是该规则的匹配度。只

11、要该规则 的匹配度大于预先设定阈值，该规则就进入触发规则集。 为了消除从触发规则集中选取最终被执行的规则时的冲突，应用了下列策 略：一是将规则按规则集分类，每次从每一规则集中最多选择一条规则； 二是每一规则集中的规则都分配了一个优先级，因此如果触发规则集中来 自同一规则集的规则多于一条，则选取优先级高的规则，而若优先级相同， 则选取匹配度高的规则。N图三 推理机推理过程图三、电解槽智能控制系统控制内容及方法3. 1 控制槽电压(简称 RC)控制系统采集到的槽电压是跟随系列电流波动而时刻变化的，因此采集到的电压作为调整槽电压的根据是毫无意义的，而且电 流低落时，将出现大量提升阳极，使系列电压过高

12、，过高的电压又使电流低 落，从而出现恶性循环。因此，槽电压的控制是以不受电流波动影响的槽电 阻为依据的。槽电阻的计算公式为R=(V-C)/I式中 R槽电阻计算值；V 采样测定到的槽电压值；I采样测定到的槽电流值； C 反电动势，通常为固定值。智能控制系统采集到的电流、电压以后，首先进行解析，算出槽电阻值， 然后分成阳极效应电阻、坏电阻与正常电阻三类，并针对不同的情况采用 不同的方法处理。若槽电阻不属于上述三种情况，便继续作平滑处理，消 除数据上的干扰部分，反映出电阻变化趋势。平滑后的槽电阻与设定电压折算出的电阻相比较，如果上限或下限超过一 定的范围，则进行槽电压调整。3. 2加料控制包括正常加

13、料（简称NB）和效应加料（简称AEB）。铝电解智能控制系统对电解槽的加料控制，实质上是在电解槽热收支保持平衡的前 提下，用阳极效应（简称AE）发生的时刻及人为设定的NB间隔和AE间隔 对 NB 和 AE 等待时间进行调度。人们期待调度的标准模式是：按规定的NB间隔加料，AE在AE等待期间 发生，周而复始。但是由于实际中的设备情况和人们的管理，情况调度并 不能按人们期待的标准模式进行，有时出现： AE 等待中 AE 没有发生。智能控制系统视这种情况为加料过量，因此 重新开始加料后的 NB 间隔由计算机自动加长一个定值，以相对于同样 的时间内减少了加料量。同时，原设定的AE间隔也自动加一个周期。

14、重新开始定时加料后仅进行几次NB，AE就发生了，则此时刻AE的等 待时间为AE等待的极限值和全部NB间隔延长值之和。 AE在AE未进入AE等待期间前发生。控制系统认为突发AE,原因是 加料不足，或虽然加料量足但溶解不良。此时槽控机以AE为基准点重 开 NB， NB 间隔仍为设定值。另外对加料进行自适应调度，这种调度是以氧化铝浓度曲线为根据的。智 能控制系统将采样的电压进行解析，并换算成坐标点，然后与氧化铝浓度 曲线对比，就能较准确地反映出电解槽中氧化铝的多少。如果电解槽中氧 化铝少，则多加料，如果电解槽中氧化铝多，则少加料。这样可以消除氧 化铝沉淀，更高地提高电流效率。3. 3 出铝控制（简称

15、 TAP） 现场在出铝前，通过槽控机面板上的出铝按钮， 通知控制系统准备出铝。系统在扫描程序每运行一次结束时，都查询一次内 存中申请出铝槽号表来决定是否起动出铝程序。如果表中有申请槽号，则停 止 NB 和 RC 命令，调用出铝程序来监控出铝的全过程。扫描程序每执行完一次便起动一次出铝程序，出铝程序利用最近四次采集到 四电阻数据 R1、R2、R3、R4（R4 为最新值）的变化来检验出铝开始和出铝 结束，然后分23次将槽电压降回到目标值（或出铝前的电压值）。3. 4 阳极交换控制（简称 AC） 在阳极交换中，本应保持阳极大母线位置恒 定，但在提出残极时，电压会上升，如果操作者没与控制系统联系，系统

16、则 判为电压正常变化而下降阳极，势必造成新极设置位置不准及热收入下降， 故换极前，必须按一下槽控机面板上的“换极”按钮，以通知控制系统，系 统接到更换阳极命令后，将停止NB和RC控制，只对电解槽进行电压监视， 当检测到电压恢复原值后，视为阳极更换结束，恢复RC控制和NB控制， 因为阳极更换过程中要进入一定量的氧化铝，所以在恢复NB控制后要适当 减少 NB 次数，以抵消阳极更换中进入的氧化铝对加料的影响。3. 5 抬阳极母线的控制 抬阳极大母线时，由于卡具全部松化将导致电压上升 0.20.3V，而此时电压上升并非电解槽内部变化，不应进行电压调整，但抬 阳极大母线前不通知控制系统，系统就会误判断为电压调整，所以，操作工 应按一个槽控机面板上的“抬母线”按钮，此时，槽控机便停止RC控制， 只对槽电压进行监视