第二章控制系统参数设定的改进与完善

第二章控制系统参数设定的改进与完善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)，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和改变渝入电功率的手段，即能保持合适的极距又保持最佳的热平衡。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。2.1南平铝业240KA电解控制系统的主要功能:南平铝业240KA电解槽控制系统长沙业翔开发的“现场总线（CAN总线）型智能模糊控制系统”，其主体技术经部级鉴定达到国际先进水平，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)与状态仿真和诊断(SCC级)向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(及工作站)的主要功能上位机(及工作站)采用以高档工控微机为核心计算机系统。运行于windows98(以上版本)操作系统的32位应用软件能提供友好、简洁、美观的图形操作界面，并实现如下功能:(1).数据交换:既能与槽控机交换数据，又能通过网卡实现与全厂计算机局域网络的联结。(2).监控与管理:提供丰富友好的操作界面和简捷的操作方式，提供多种表格和动态曲线显示方式，实时地显示各联机控制槽的运行信息和槽控机的工作状态信息，能制作和联机输出多种类型的报表，以满足槽况分析和生产管理要求。(3).参数查/改与控制模式选择:提供多极权限的槽控机设定参数的修改与知识库查看与修改功能，和槽控机控制模式的选择功能。(4).异常事件与故障报警:对阳极效应及重要事件的实时声音或语音报警。(5).槽况诊断与操作维护决策支持:通过启动槽况诊断专家系统，实现槽况诊断并获得槽况维护的建议。2.2氧化铝浓度控制的改善Al2O3浓度控制技术是基于80年代法国提出了一种在铝业界有重要影响的专利技术,该技术采用“欠量下料”与“过量下料”交替进行的下料方式。研究表明槽电阻是随Al2O3浓度和极距的变化而变化的,一般情况下，因为阳极消耗速度与铝水增高速度差不多，故视极距为不变，所以槽电阻就是Al2O3浓度的代用特性值，且槽电阻是一个能被随时检知的参数。所以对铝电解生产过程进行自适应控制主要是采用跟踪槽电阻变化反应槽内浓Al2O3浓度，从而达到根据Al2O3浓度控制Al2O3的加料过程。但这些基于槽电阻斜率的计算与估计的下料控制方法忽略了浓度跟踪期内其他影响因素所引起的槽电阻变化，即假定了槽电阻与氧化铝浓度之间存在固定的U型曲线关系，这只有在槽况正常时才能成立。由于各个铝厂电解槽设计特性，电解槽的热场、磁场等物理场特性、槽结构、配套设备的性能、Al2O3等原料的理化性能和采用的工艺技术条件等诸多方面的不同会使,电解槽的槽况产生变化而偏离正常状态，使槽电阻与氧化铝浓度之间的U型曲线关系发生漂移。下图3-1是邱竹贤教授在实验室研究的得出的氧化铝浓度在不同分子比条件下的曲线。由图可见，在所有的Al2O3浓度对槽电阻图2-1电解槽的Al2O3浓度对槽电阻关系曲线(950士2℃)l-CR=2.0;2-CR=2.2;3-CR=2.4;4-CR=2.6关系曲线中都存在一个极小值。在较低或较高的Al2O3浓度范围内，槽电阻较大;而在适宜的Al2O3浓度范围内，槽电阻有极小值。这表明，控制电解槽中Al2O3浓度，可以使槽电阻降低，从而达到节能降耗的目的。对这种情况的解释是:Al2O3浓度对阳极气膜电阻和电解质电阻有两种相反的作用同时存在，何种作用为主，就取决于Al2O3浓度范围。Al2O3浓度小，则气膜电阻较大，而Al2O3浓度对电解质电阻增加作用较小，故以气膜电阻作用为主，表现为槽电阻随Al2O3浓度增加而降低;Al2O3浓度大，Al2O3浓度对电解质电阻的影响成为主要作用，表现为Al2O3浓度增加，槽电阻增加。两种作用消长的结果，使得在适当的对于分子比为2.6、2.4、2.2和2.0四种电解质而言，由于槽电阻极小值所对应的Al2O3浓度分别为4%、3.7%、3.5%和3.0%因此对于降低槽电阻有利的Al2O3浓度范围就在这些Al2O3浓度值附近。由图还可得出，随着电解质分子比降低，槽电阻极小值逐渐增大，并且对应槽电阻极小值的Al2O3浓度值也逐渐降低。产生这种现象的原因是:随着分子比降低，电解质的导电率降低，因此槽电阻极小值当然会逐逐渐增大。由于Al2O3浓度对槽电阻增大优势，这取决于Al2O3浓度范围。在同一Al2O3浓度时，例如3.5%，对CR一2.6的电解质而言，气膜电阻的作用为主;而对CR一2.0的电解质，以电解质电阻的作用为主，故分子比降低时，对应槽电阻极小值的Al2O3浓度值也有所减小。槽电阻除了受Al2O3浓度和分子比影响外，还要受槽温、极距和添加剂的影响。工业铝电解槽通常控制在槽电阻极小值左侧的某一Al2O3浓度范围内，此时，Al2O3浓度对槽电阻关系曲线的斜率变化较明显，有利于过程控制，并且由于Al2O3浓度较低，电解质电阻较小，Al2O3溶解速度较快，不生成沉淀，又能避免阳极效应的发生，可以取得优良的生产指标。综上所述可知,采用新工艺后必须对控制系统中氧化铝浓度控制的计算量化因子改进,以适应新的工艺的要求,否则采用新工艺后如不对氧化铝浓度的控制进行改善,则要么出现炉底沉淀,要么效应系数大幅上升，无法保证槽子的稳定运行。总体说来氧化铝浓度的控制有如下三个的要点：（1）氧化铝浓度工作区应设置在既不易产生阳极效应，又不易产生沉淀的一个较小的变化范围内。为了利用槽电阻斜率来推断氧化铝浓度，在氧化铝浓工作区内槽电阻对氧化铝浓度的斜率应当足够大，以克服各种干扰的影响。在所采用的新工艺技术条件下，能满足上述要求的氧化铝浓度工作区为1.5~3.5%。(2).下料控制分为三种基本模式，即浓度工作区校验、常态下料控制和非正常下料控制。浓度工作区校验模式采用较大程度的欠量、过量下料以使电解槽受到类似于系统辨识的“激励信号”的作用，以便更可靠地利用槽电阻斜率来判断氧化铝浓度，然后调整下料速率使氧化铝浓度进入理想的工作区;在这之后，进入常态下料控制模式，控制器在一个较小的范围内调节下料速率，尽可能保持电解过程的物料平衡和热平衡稳定，以获得高电流效率;当出现各种异常事件时(如阳极效应、系列停电、电流异常、采样故障、人工作业等)，转入非正常下料模式。(3).为了确保浓度控制精确、可靠，控制器应对槽况进行综合分析，然后根据槽况综合分析的结果选择适应的下料控制模式，在必要时调整控制器的动、静态特性以便使电解槽稳定地运行于设定的氧化铝低浓度工作区。南平铝业240KA电解槽由于原来氧化铝控制浓度偏高平均在3.11-3.5%左右,对于240KA电解槽的工艺电解优化,及提高电流效率存在不足,严重制约了240KA电解槽的进一步节能降耗,因此有必要对240KA电解槽的氧化铝浓度的计算机控制程序进行调整，同时根据不同的槽温等工艺状态下优化出一套较成熟的控制参数。通过对计算机程序的完完善调整,以达到对240KA电解槽低浓度的控制,对于240KA电解槽的工艺优化及提高电流效率,240KA电解槽的稳定生产，进一步节能降耗建立基础。下表就是试验前后的氧化铝浓度各项检测数据对比表及对比图。表2-1电解一工段试验前后氧化铝浓度对比比较值比较项目槽台数比较百分率比较调整前调整后调整前调整后数据总数804425825425平均浓度(%)3.11%2.2%3.112.2%浓度小于3%43237454%88%浓度大于3%3725146%12%浓度大于4%139817.5%1.9%浓度大于5%5340.65%0.9%浓度大于6%1400.17%0图2-2一工段氧化铝浓度试验结果对比图一工段氧化铝浓度对比图0%20%40%60%80%100%小于3％大于3％大于4％大于5％大于6％浓度范围百分率试验前试验后表2-2电解二工段试验前后氧化铝浓度对比比较值比较项目槽台数比较百分率比较调整前调整后调整前调整后数据总数806432806432平均浓度(%)3.5%2.17％3.5％2.17%浓度小于3％22636229％85％浓度大于3％4964260.5％9.7%浓度大于4％206825.8％1.85%浓度大于5％85210.4％0.46%浓度大于6％3110.38％0.