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，