自动控制技术知识

铝电解智能模糊控制技术

1、前言

近几十年,在铝电解生产过程中越来越多地使用计算机控制技术,计算机控制系统已经成为现代大型铝电解槽生成过程控制和管理必不可少的自动化装备,并成为当代铝冶金技术发展水平的重要标志。在铝的电解过程中,氧化铝浓度的控制是相当重要的。在这个过程中都强调要“四低一高”的作业特点,如果氧化铝的浓度过高的话,会造成槽底沉淀、降低电流效率、增加电阻和阴极压降、可能危及铝液层的稳定;而当氧化铝浓度过低的时候,又容易发生阳极效应,使槽电压急剧升高,破坏槽子的能量平衡。因此为了获取高的电流效率,必须维持槽内氧化铝浓度处于较低浓度且又要避免阳极效应发生这样一个较窄的范围。

众所周知,铝电解过程是一个十分复杂的生产过程,由于系统的非线性和各种不可预测因素太多,因此关于铝电解槽的数学模型至今未取得满意的结果,并且由于在槽内部发生的一些复杂的电化学和物理化学反应,电解槽电解质熔体中的氧化铝物料平衡受到氧化铝加料速度、扩散速度、融解速度和消耗速度以及其他槽况干扰因素的影响,使得槽内氧化铝浓度的变化表现出非线性、时变、时滞等特征。到目前为止,还没有一种很准确的在线测量电解槽内的氧化铝浓度和温度的仪器和设备,因而对于氧化铝浓度的控制就没有一个统一的方法。现在在控制模型方面,比较成熟和常用的方法是采用以槽电阻辨识氧化铝浓度为控制基础的连续或准连续按需下料控制技术,取代传统的

定时下料技术。总的来说,目前在电解铝厂中采用的氧化铝浓度控制技术包括如下几种:模糊控制专家系统、自适应浓度控制方法、槽电阻斜率计算方法以及跟踪控制法等。

2、240KA电解控制系统的主要功能:

目前我公司240KA电解槽控制系统长沙业翔开发的“B/S、C/S 型智能模糊控制系统”，模糊控制技术的特色主要有:

1).在对控制对象行为的仿真与解析上，着眼于电、磁、热、流与电化学过程的藕合作用，具有模型化的整体性。

2).在控制算法上，以模糊控制为主体的多种智能控制方法的集成运用，提高了系统的控制质量和工作可靠性。

3).在系统结构上，采用过程优化控制(DDc级【直接数字控制】)与状态仿真和诊断(SCC级【过程监控】)相结合的两级分布式配置，以实现双向支持、功能互补，提高了系统的控制功能。

4).在控制策略上，采用了多模式控制，多档级的下料速率调节，以及设定值在线自修正等，加强了系统的鲁棒性，改进了智能控制效果。

5).在信息获取与加工技术上，采用在线采集(有限信息)与动态仿真相结合，提高了加工深度，扩大了信息资源并提高了信息的可靠性。该系统分上下位机两部分：

一、下位机槽控箱的主要功能

(1).信号采集:在线同步采集槽电压、系列电流;接受并处理与人工作业工序相关的各种手动信号。

(2).槽况解析:实时地解析槽况的变化趋势;对不稳定及异常槽况(如电阻针振、电阻摆动、阳极效应趋势、阳极效应发生、下料过程的电阻变化异常、极距调节过程的电阻变化异常等)的预报、报警和自处理。

3).下料与电阻控制:由模糊控制器实现对下料速率的调节(即对氧化铝浓度的控制)，和对正常槽电阻的控制(即对极距与热平衡的控制)。

(4).人工操作工序监控:对换阳极、出铝、抬母线及边加工等人工操作工序进行监控。

(5).设定参数的自修正功能:能自动地根据槽况实时解析的结果修正目标控制电阻、控制非调节区宽度、基准下料速率、阳升/阳降电阻率等设定参数。

(6).提供多种可供选择的控制模式:操作人员可根据需要选用一种合适的电压控制模式和下料控制模式。

(7).数据处理与存储:为上位机监控程序进行数据统计和记录，并制作和储存报表数据。

(8).与上位机的数据交换:在联机状态下能通过通讯接口与上位机交换数据。

(9).故障报警与事故保护:诊断、记录和显示自身的运行状态和故障部位，并采取相应的保护措施。

二、上位机软件基本组成：

（1）上位机软件系统主要由接口机、客户端、服务管网程序和

后台数据库组成。

（2）接口机为主要组成部分，由主程序、语音、报表、历史曲线、系统分析等几个部分组成。

（3）主程序部分是上位机系统的核心，主要完成实时监控报警，动态数据采集存储，控制参数输入及一些增强服务模块。

（4）语音部分完成语音报警的功能。

（5）报表部分完成各类报表的格式编辑，报表生成及报表打印。

（6）历史曲线保存各种历史曲线，以作为分析槽况的曲线表。

3、氧化铝浓度控制的优化选择

氧化铝浓度控制的好坏是电解槽能否稳定运行的决定性因素。理论研究表明，在1.5%氧化铝浓度以内，容易发生阳极效应，氧化铝浓度超过5%时，容易形成沉淀，增大槽电阻影响电流分布，从而降低电流效率增加电耗。目前，国外电解槽趋势向于在低Al2O3浓度（1.5～3%）下进行电解，其主要优点是Al2O3很快地溶解，熔体中无悬浮的Al2O3固体颗粒，对熔体的粘度，导电度以及防止在槽底产生氧化铝沉淀都有良好的作用，有利于稳定生产，提高电流效率。氧化铝浓度范围的选择与电解质组成、下料方式以及下料控制策略密切相关。随着中间点式下料和氧化铝智能模糊控制技术的发展，才使得低氧化铝浓度而又均衡成为可能。真正做到“勤加工，少下料”，促进氧化铝物料在槽内的扩散溶解与分布合理性，改善物料平衡状态提高电流效率创造条件。由下图氧化铝浓度和电阻的关系曲线可看出，槽

电压与氧化铝浓度的关系表明在氧化铝浓度 3.5%～4.0%左右存在槽电压最低值，但氧化铝浓度与电流效率的关系却存在很大的争议。

氧化铝浓度和电阻的关系曲线

为了适应低分子比和低电解温度时氧化铝饱和溶解度低（分子比2.35，温度945℃时为7%）以及各种按需下料控制策略对电阻斜率的要求（低氧化铝浓度时，槽电阻对氧化铝浓度的变化反映敏感），氧化铝浓度工作区不得不设置在较低的范围以利于氧化铝浓度控制和减少生成沉淀的可能性。但过低的氧化铝浓度显然升高了槽电压或降低了极距，这对能耗或电流效率指标不利。因此新近的观点认为，对于氧化铝浓度的控制，只要能稳定地控制在既不容易产生效应，又不会导致沉淀产生的区域，便达到了控制目的。

4、模糊控制

随着社会的发展，要求数学研究与解决的问题日益复杂，并且具有模糊性(客观事物间的差异的中间过渡中的不分明性和人类语言对之的描述，如“大”与“小”，“快”与“慢”)，很难以精确化。不兼容原理指出:当一个系统的复杂性增大时，则使其精确化的能力就将减少，在达到一定限度后，复杂性与精确性将相互排斥。模糊控制以模糊集合理论(采用隶属函数描述那些介于“属于”和“不属于”的中间过渡过程，使得每个元素不仅以“0”或“1"属于某一集合，

而且还以一定的介于“0”或“1”之间的程度属于某一集合。)为出发点，建立了大脑和计算机间的桥梁，它将人类专家的模糊信息形式存储的经验和知识转化成计算机可以接受的“if-then”规则形式，使得计算机可以模拟大脑处理模糊信息，进行推理和判断以控制被控对象。

5、铝电解控制过程分析

铝电解槽内除了本身的电、磁、热、流场的复杂地交互作用以及复杂的物理化学与电化学反应使其状态变化十分复杂外，还因其受到周期进行的人工作业工序(如出铝、更换阳极、边部加工等)的干扰，以及难以检测的控制误差的积累而使其呈现出复杂的时变特性。直到目前，控制系统能够直接连续自动采集的电解槽信号只有两个，即槽电压(U)和系列电流(I):能够直接利用机械装置对过程实施的控制也只有两种，即极距调节和打壳下料，分别控制槽电压(或槽电阻)和电解质熔体中的氧化铝浓度。氧化铝浓度目前尚不能在线检测，但它和槽电阻有不对称的U型关系，周期地改变下料速率，即将下料方式安排为“欠量下料’，与“过量下料”周期交替地进行，使氧化铝浓度在一定的范围内变化(即dR/dt不等于0)，并假设在未移动阳极的期间内槽电阻的变化仅由氧化铝浓度的变化所引起，那么式中 d R/d t 是槽电阻随时间的变化速率，它的大小反映了槽电阻的变化率，槽电阻R在一定时间内的累积斜率则反映了氧化铝浓度的变化率。氧化铝浓度C应设置不易发生阳极效应、不易产生沉淀的区间。为了利用dR/dt来判断氧化铝浓度C，在C工作区槽电阻R对氧化铝浓度的导数应

足够大，能满足浓度工作区1.5%-3.5%为最佳浓度控制。上述分析表明，铝电解槽是一个多变量、非线性、大滞后、时变的惯性系统，具有模型的不确定性;铝电解过程的控制就是利用上述槽电阻与极距和氧化铝浓度的关系，并兼顾过程中其它各种因素影响，确定具体的极距和下料的控制策略，缺乏精确的数学模型。因此，把智能控制技术应用于铝电解生产，比常规的控制方法更有优越性，为探索更先进的铝电解过程控制策略奠定了重要的基础，并在生产实际中取得了很好的控制效果和经济技术指标。

6、模糊控制系统的核心

随着铝电解工艺条件的不断深入研究，其核心归结到以下两个方面:氧化铝浓度控制和电解温度控制。因此现代铝电解工艺对控制系统提出如下要求:

(1).控制铝电解槽的物料平衡。氧化铝的添加情况是引起物料平衡变化的主要因素，因此最重要的是控制好氧化铝的添加速率(即下料间隔NB)，使氧化铝浓度的变化能维持在预定的一个很窄的范围内。

(2).控制好铝电解槽的热平衡和极距。主要目的是以移动阳极作为调整极距来增减热收入的，如果能使阳极动作控制在理想的条件下这样就即能保持合适的极距又能保持最佳的热平衡。

由于铝电解槽是一个复杂的非线性、时变、大滞后的被控对象，其中，出铝、换极、槽况维护等间隙性工序必须由人工操作，而且这些间隙性工序对电解生产的平稳进行有很大影响。描绘铝电解槽状态

的参数可分为下列两类:

(1).第一类为“快时变”参数:变化速率相对较快，且对输入和外界干扰的变化较敏感。主要参数是描绘电解槽物料平衡状态的参数—氧化铝浓度，反映热平衡状态的参数—电解质温度，以及引起能量输入变化的参数—极距。

(2).第二类为“慢时变”参数:变化速率相对较慢，对输入和外界干扰的变化不太敏感，其较大范围的变化往往由“快时变”参数的快速和持续的变化所引起。重要参数有:电解质成分、电解质水平、铝液水平、炉底压降，以及描绘槽膛内形的参数等。

第一类参数是描绘或改变物料平衡或改变物料平衡的主要参数，因此必须由控制系统实时和准确地进行控制。由于这类参数是直接或间接引起的槽电阻变化的主要原因，因此对特定输入序列下槽电阻的响应特征进行推理分析，可“辨识”出这些参数的取值及变化情况，从而达到控制这些输入的目的。

第二类参数的变化情况在很大程度上取决于第一类参数的控制

好坏。由于过程的复杂性，若只有控制第一类参数的实时控制子系统，则系统便不能掌握和控制过程的整体变化趋势。因此，了解该类参数的取值与变化情况对于槽况综合分析十分重要。该类参数中，有些是长期以来是由人工定期测定或取样分析的，有些则不便人工检测。而一些不便检测的参数(如槽膛内型)对反映其变化十重要。而其中一些重要的过程状态参数，如电解质温度、氧化铝浓度等目前无法实现在线连续检测。因此，不能建立完整的电解槽数学模型。目前，仅有槽

电压和系列电流可在线采集，能实时地反映槽状态变化的参数只有由槽电压和系列电流计算得到的表观槽电阻和由它计算得到的槽电阻

斜率和累计斜率等参数。

根据我们的实践经验总结出;控制系统控制的好坏跟我们的操作管理者有直接关系，控制程序只是提供一种策略，但能否将一种策略控制好，就要看我们“人机配合”的如何。

我坚持认为操作质量是基础、是基石，计算机控制是桥梁、是关键。从我们的历史曲线来看，我们距离控制目标太远，从我们的效应受控率和氧化铝浓度分析结果来看，与先进企业相比还是太远。我认为浓度控制不只是计算机控制，这一复杂多变的系统计算机程序无法顺利完成，它需要以现场稳定的工艺技术条件和操作质量为基础。改善浓度控制有三个问题需要解决。

（1）规范现场操作，减少对电解槽的人为干扰。如缩短换极时间、做好阳极保温、盖好槽罩、堵好火眼以维持热平衡，防止卡头、堵料、冒料以使计算机信息真实。

（2）管理人员要保持好工艺技术条件，保持炉底和炉帮状况稳定，使电压信号与浓度变化信号匹配为计算机浓度控制创造条件。目前氧化铝高浓度的运行槽，其根本原因可以追朔为设备故障和热槽两个方面，真正的高浓度不是控制程序引起的。

（3）调整计算机控制参数，缩短过量加工时间，缩短出铝有效时间，延长换极附加电压。跟踪我们浓度控制程序发现，当计算机检测到浓度偏低运行效应预报处理程序的过量加料，目前我们把最大过量时间

设置到60分钟。

7、针振和电压摆动智能处理

铝电解槽的针振和电压摆，是由于槽内铝液上下波动而引起的槽电压高频波动（针振）和低频波动（电压摆），且波动的幅度超过设定值。它是判断电解槽是否平稳的最敏感标志，也是铝电解生产中最突出的异常现象，直接影响到电解槽的正常生产和程序的正常监控，所以它是电解生产管理中的重中之重。

其原因有很多方面，其中典型的几种简述如下：

（1）表现为出铝后针振或电压摆，一般问题出在四个角极上。铝水平过低时易引起针振或电压摆。

图1.1 出铝后电压针振曲线

（2）低分子比、低槽温是造成针振或电压摆

图1.2 间隙性电压针振曲线

（3）换极造成针振或电压摆

图1.3 换极后电压针振曲线

8、换极作业后热平衡的保持和附加电压的设置

① 实践得知在换极后半小时内，槽温先下降2～5℃，在0.5～2h 内槽温基本回复到起始温度，可在随后的2～5h 内，槽温又逐步下降5～8℃，在4～5h 接近下降的极大值，过5h 后渐渐又回升；

② 影响换极的热量损失的直观因素有：空极时间、空极面积、槽温高低，空极时间越长热损越大；空极面积越大热损越大（边部极换极时使端部小头也裸露，以致于空极面积大于中部极）；槽温越高热损越大(与周边空气温度差值增大)；

③ 对于计算机控制系统在换极作业设置的45min 、70mv 的附加能量补偿，只能在2h 内使槽温回复到基点，但不能阻止槽温在随后的时间急剧下降。虽然在2月分调整为120 min 、60-100mv ，但任不能满足能量补偿。

经过理论计算，换一块阳极为保持热平衡，平均每小时需额外补偿的电压为31mv

即：V ＝It

Q ＝241024036001049.638???? ＝0.031v

＝31mv

因此要将每小时31mv 的补偿电压及时得到补偿，一种办法即在有换极日提高设定电压30mv 左右；另一方面在换极时补偿，通过分析计算建议换极后补偿电压设定在70---100mv ，时间在180---360min 为宜，具体要因槽而异，综合分析电解槽热平衡体系进行有效实践即

可取得良好效果。对于炉底较差的电解槽，自然对换极的影响较大，只靠换极补偿电压可能解决不了问题，要及时处理炉底并适当提高设定电压可以有效解决。

9、NB调整思路及方法

NB间隔调整是上位机控制中最常用的手段，为能有效的控制下料量和电阻之间的浓度关系，取得最佳的控制效果，现将NB间隔调整方法及思路根据所列历史曲线为参照做一说明。

一、调整的原则:

1.针对下料量不足，电阻走低的槽子。

2.长期走台阶式欠量而电阻仍然走低的槽子。

3.电阻平缓下料一般的槽子。

4.电阻长时间走高的槽子。

二、调整方法：

图1

以图一为例：通过对曲线的观察，我们发现长期走阶梯式升高欠量，而电阻并未随欠量的走向而升高，而是整体向下的趋势，这时我们应

应将NB间隔（下料速率）拉大，易调整值在4-6之间，使单位时间的下料量明显加少，达到浓度控制的目的。当电阻达到可控范围内时逐步将NB间隔下调，单位控制在2左右。

图2

以图2为例：欠量较多，电阻比较平稳，电阻曲线没有随欠过量明显变化的，可适当上调NB间隔，调整单位1-2即可，可使槽子更加趋于可控，当走势良好时便可调回原NB。

图3

以图3为例：此时下料比较正常，电阻也在可控范围，但电阻值有整体不断升高的趋势，此时可将NB间隔下调，降低单位时间的下料量，

进行浓度调整，调整范围易在1-2之间，当电阻平缓时便可恢复NB。图4

以图4为例：欠过量走势较均衡，欠量比较大，而电阻整体趋势向下，此时浓度偏高，已将NB间隔上调，调整范围易在2-4之间，当电阻出现波浪式走势之前，应将NB在1-2范围内下调，恢复正常控制。图5

以图5为例：之前下料较为正常，欠量时间偏多，但电阻趋势不好，直观上沉淀较多，应在调整系统参数（适当缩短过量周期，拉大欠量

周期）基础上，拉大NB间隔，调整力度可以加大，范围易在10以上，可根据具体槽况进行分析。但沉淀消失时应及时回调。

三、调整思路

1．不用人工干预的尽量避免过多的调整，应让槽子自己适应。

2．要观察槽子下料及电阻的整体趋势，分清哪些槽要微调，哪些要大幅度调整。

3．大槽子转型控制需要时间，要判断走势，不要频繁调整。