200KA铝电解槽工艺与控制技术的改进

200kA预焙铝电解槽工艺与控制技术的改进第三电解厂祁宗斌摘要：介绍了铝电解槽智能模糊控制系统的技术原理和应用效果，并主要从电解工艺控制技术条件的角度出发，和联系智能模糊控制技术控制阳极效应系数的情况，对电解技术条件的影响，做了系统的阐述，对大家提高控制精度, 减少和避免控制误区具有一定的指导意义和推广应用价值。

关键词：技术条件电解槽效应系数模糊控制1.引言预焙铝电解槽控制工艺是一种复杂的系统的调控过程，且具有控制的滞后性和不确定性，因此把现场操作和上位机控制有机的结合起来具有非常现实的意义。

现场操作主要体现在技术条件的合理摆放和稳定程度上，而上位机的智能模糊控制主要体现在降低阳极效应的实际应用效果上。

我国自80年代以来在控制系统硬件开发方面的进步很快，但在控制软件的开发应用方面，主要是借鉴国外在80-90年代设计的高效能预焙铝电解槽上所开发应用的点式下料和自适应控制技术[1，2]。

由于我们目前大量应用的铝电解槽与国际上设计优良的预焙铝电解槽相比，在槽型设计和运行的外界条件等方面均存在较大差距，所以现有工人操作水平和素质和目前的技术水平很难保证高效率的技术条件和生产状况，因此实现现场操作和模糊控制技术的有机结合是实现优良工艺技术条件的前提，该法在200kA预焙槽上实施后，使优良工艺技术条件得以稳定实现，从而在技术指标和经济效益两个方面均获得良好的效果，证明该法具有广泛的推广应用价值。

2方法原理2.1 总体方案铝电解生产采用数十至数百台电解槽串联成一个系列进行。

根据铝电解槽生产工艺过程的特点，采用如下的方案：（1）为确保实现高度分布式控制，系统采用“DDC（直接数字控制）—SCC（过程监控）”的两级分布式控制方案。

（2）每一台电解槽配备一台的模糊控制槽控机作为DDC级，它具备独立进行槽电压和系列电流采样的能力。

其控制任务是，通过以调节下料速率（即下料时间间隔）和移动阳极（即调节极距）为手段，对铝电解槽的物料平衡和热平衡的快速变化过程实时地进行控制。

因为可在线实时获取的能反映槽况变化的信息只有由系列电流和槽电压的采样信号计算得到的表观槽电阻（简称槽电阻），而槽电阻与反映物料平衡变化的主要参数——氧化铝浓度，以及反映热平衡变化的主要参数——电解质温度之间没有确定的对应关系，所以本设计采用能很好地应用专家操作与控制经验的专家模糊控制方法来建立用于DDC级的实时控制子系统——专家模糊控制器。

（3）每一个区域（数十台电解槽）配备两台互连的486或586工控微机作为SCC级。

该级的任务是，对DDC级（专家模糊控制器）的运行过程进行监视，并力图从整体上“把握”和控制铝电解槽工况（即槽况）的变化趋势。

为此，SCC级应该能尽可能多地收集各种能反映槽况变化的信息，并通过对信息的加工和处理，实现槽况诊断，进而实现对DDC级的设定值的优化计算和为人工操作与维护提供决策支持。

为达到这种目的，在SCC级中设计了一个基于物理场（泛称“三场”）的计算机动态仿真原理的在线仿真子系统，用于对反映电解槽热平衡的重要特征参数——电解质温度和槽膛内形（槽帮厚度，伸腿长度，伸腿高度）等进行在线动态仿真计算；设计了一个基于神经1网络专家系统技术的槽况诊断子系统，用于对槽况进行诊断和作出槽况维护与处理决策，并设计了一个组织与监视子系统用于实现组织协调，数据交换，人机交互，过程监视以及报表处理等功能。

由于在线仿真子系统的运算量大，故独立使用一台工控微机，它与另一台包含槽况诊断子系统和组织与监视子系统的工控微机之间通过RS232C通讯口互联。

（4）各个区域的SCC级均可联接到一个以alpha小型机为核心的局域网中，即在该系统的SCC 级之上可以扩展一个MIS（管理信息系统）级，并实现与全厂计算机网络的联网。

此局域网投入运行后，可将各区域SCC中在线仿真子系统统一移至在线仿真工作站，从而使系统的整体结构与联结方式更为合理。

基于以上方案设计的两级分布式智能模糊控制系统的应用软件的基本构成如图1所示。

2.2 实时控制子系统（专家模糊控制器）DDC级的实时控制子系统（即专家模糊控制器）是本系统的核心。

为了能有效地表达和应用专家的知识和经验，获得好的控制效果，我们采用模糊集成控制的原理，把专家控制器与模糊控制器相结合开发出专家模糊控制器。

其设计采用了如下方案：（1）推理决策与控制由推理机和模糊控制这两大部分共同完成。

其中推理机主要实现槽况分析、系统工作点（设定值）与控制器动态性能的自调整等功能；而模糊控制模块则具体完成下料速率调节（物料平衡控制）和极距调节（热平衡与极距控制）。

（2）推理决策与控制规则的表达综合运用了两种方式，一种是“如果 <条件> 则 <结论>”的产生式规则形式，用于表达各种特定或异常工况下的模糊控制规则，包括推理机应用的启发性与确定型知识；另一种是采用带修正因子的控制规则自修正模糊控制的规则表达形式，用于表达常态工况下模糊控制规则，以便通过引入可自动调整的控制规则修正因子，实现对模糊控制规则的在线自调整。

（3）由于电解槽的控制可分为极距调节与下料控制两个相对独立的部分，因此模糊控制相应地划分为两个模块，通过推理机实现这两个部分的相互协调。

根据工艺要求，下料控制和极距控制均采用“多模模糊控制器”的结构形式，由推理机根据推理结果选择合适的控制模式。

其中，下料控制分为“氧化铝浓度工作区校验”、“常态下料”以及“特定下料”这三种控制模式；极距控制分为“粗调”、“细调”以及“特定调节”这三种控制模式。

（4）专家模糊控制器的推理机根据电解槽所处的操作条件和槽况分析的结果，综合运用四种方式来自动调整系统的工作点与控制器的动态性能：一是调整模糊控制模块的设定值；二是选择不同的控制模式；三是调整控制规则表达式的修正因子；四是调整模糊变量的量化因子。

（5）借助于上、下位机间的通信接口，可利用上位机（SSC级）中的人机接口对专家模糊控制器的规则库和数据库进行调整，因而为DDC级的知识获取与应用提供了很强的灵活性。

2图1 智能模糊控制系统应用软件的基本构成2.3 在线仿真子系统本子系统建立在物理场的计算机仿真原理上，它收集和量化所有能反映物理场变化的信息，利用动态仿真数学模型对未知的物理场特征参数进行求解，并在需要时以二维动态图形显示仿真结果。

最有价值的结果包括槽内温度分布和炉膛内形。

32.4 槽况诊断专家子系统本子系统建立在神经网络技术的基础上，其主要特点如下：（1）为了能综合地分析和诊断槽况，本子系统的设计保证其能尽可能多地利用可以获取的信息（包括在线和离线测量，观测信息，以及动态仿真的结果）。

离线测量和观测信息通过计算机终端输入。

显然，这些信息具有种类多、不完整、不精确、不确定的特点。

由于神经网络在知识的表达、学习、总结、提炼以及并行处理等方面具有高效率,因此采用它来构造本子系统的知识库。

（2）由于用于本子系统的知识可分为两种类型：一种为槽况诊断知识，另一种为决策形成知识，因此网络相应地划分为两个以串联方式连接的四层子网络。

第一个子网有25个输入节点（对应于25种原始信息）和10个输出节点（对应于10个槽况描述变量）；第二个子网有10个输入节点（对应于第一个子网的10个输出节点）和10个输出节点（对应于10个决策变量，它们用于为实时控制子系统计算设定值的调整量，并形成人工操作与维护的建议）。

（3）本子系统的启动运行周期可由用户设定。

由于其主要任务是监视和控制槽况的慢变趋势，因此合适的周期是24小时左右。

它既可由实时控制子系统周期地启动，也能由用户随时启动。

启动后，它可自动从数据库调入所需数据并进行预处理（包括计算一些变量在当前周期内的平均值，对输入变量进行模糊化和归一化处理等）,然后进行诊断并形成决策。

3实际应用效果智能模糊控制的试验系统于1995年6月起在160kA预焙槽上投入运行调试，并配套进行了下料设备改造、工艺技术条件优化及工艺操作制度调整等相关改造工作，取得了显著的增产节能效果。

1997年3月至7月在30台槽上的考核结果是：45（1）实现了表1所示的工艺技术条件与技术经济指标。

（2）实现了下列控制精度：∙ 氧化铝浓度波动偏差2(wt)%∙ 正常槽温波动范围±3℃；∙ 阳极效应预报成功率90%；（4）系统运行稳定可靠，具有安全自保护功能：∙ 能进行故障自诊断；∙ 具有故障报警功能；∙ 故障停机检修率≯0.5次/年。

从表1可见，与系列生产槽相比，指标考核槽的的电流效率提高4.52个百分点，直流电耗降低418kWh ，在青海铝厂1996.3～1997.7的试验考核期间取得235.4万元的直接经济效益。

预计在全厂（20万吨产能）推广应用后，年直接经济效益可达8400多万元。

4 关于技术服务与技术产品出售 以智能模糊控制系统为主体的智能模糊控制技术是一项能挖掘已有生产设备操作运行潜力、投资很小、效果显著、先进成熟的实用节能技术，其主体技术产品为模糊控制槽控机和全套应用软件。

该技术于1997年10月通过了国家经贸委的新产品新技术鉴定验收（鉴字[1997]040号），鉴定专家确认该项成果具有重大经济效益和社会效益且达到了国际先进水平。

该技术能广泛应用于预焙槽厂的老系列技术改造和新建生产系列中，并且以模糊控制槽控机为主体的硬件体系可直接用于自焙槽，应用软件也只需作适当改造便可用于自焙槽。

本技术由中南工业大学和青海铝厂（以下共称我方）共同拥有，为了在我国铝工业节能降耗和技术进步中做出更大的贡献，我方技术人员密切合作进行模糊控制槽控机的升级工作，近期设计制作了新一代模糊控制槽控机的样机。

我方愿竭诚为各铝厂进行控制系统升级改造和新建生产系列提供优良的技术服务和最新最好的技术产品。

我方可为各铝厂（以下称需方）制作和提供以模糊控制槽控机和智能模糊控制软件为主体的全套控制系统，并提供如下技术服务：（1）若需方一次性购买我方模糊控制槽控机30台以上（价格1.7～2.0万元／台，可根据购买数量和付款方式协商定价），我方在交货时提供全部技术资料，包括：系统使用说明表1 主要工艺技术条件与技术经济指标 项 目 位0台考核槽列生产槽 电解质温度 ℃48 55 分子比 .40 .58 氧化铝浓度 w t )％.84 .00 阳极效应系数 .28 .2平均电流强度A 55.6 55.6槽平均电压.198 .12电流效率3.57 9.5直流电耗W h /t 3372 3790书；详细的槽控机电气原理安装图纸；外部器件的详细说明资料；应用软件清单，软件各参数的详细说明，软件所用函数的使用说明及各函数库，确保技术对需方透明。

（2）可负责整个控制系统设备的制作和有关设备的外购工作，负责或指导安装，并全面负责系统的调试。