摘要 通過工業(yè)試驗研究，摸索出了鋁電解槽表觀電阻與氧化鋁濃度之間的關(guān)系曲線。在此基礎(chǔ)上，通過對試驗數(shù)據(jù)的解析，建立了氧化鋁濃度模糊控制模型，實現(xiàn)了鋁電解槽按需下料，極大地降低了陽極效應(yīng)系數(shù)。同時開發(fā)出槽況自診斷、極距調(diào)整、設(shè)定電壓自修正、陽極效應(yīng)預(yù)報等模型，并成功地應(yīng)用于基于PLC控制的一種新型鋁電解槽控箱中。
引言
國內(nèi)外眾多單位一直致力于鋁電解自動控制技術(shù)的開發(fā)、研究工作，從早期的槽電壓或槽表觀電阻的恒區(qū)域調(diào)節(jié)、定時下料控制，到近期國外的自適應(yīng)控制，一直到現(xiàn)在國內(nèi)的氧化鋁濃度模糊控制[1>，在軟件功能方面，已逐步趨于完善，而在硬件方面一直沿用的是自制工控機或單片機所構(gòu)成的二級分布式控制系統(tǒng)。這樣的控制系統(tǒng)，其可靠性不高，往往出現(xiàn)“死機”、誤動作等現(xiàn)象。以前也有采用PLC進行控制的，但較多為集中式控制，隨著大型預(yù)焙槽的發(fā)展，由于其實時性較差，數(shù)據(jù)處理及傳輸速度慢等缺點，不能適時地對鋁電解槽作出控制決策。為了解決以上問題，我們采用美國GE90系列的MicroPLC作為主控制器，實行一對一分布控制，1臺槽控箱配1臺PLC，并結(jié)合有關(guān)鋁電解專家經(jīng)驗，采用專家模糊控制模型，開發(fā)出二級分布式鋁電解槽智能模糊系統(tǒng)，使系統(tǒng)軟件、硬件達到了完美組合。
該控制系統(tǒng)采用DDC(直接數(shù)字控制)、SCC(過程監(jiān)控)兩級分布式控制方案，硬件組成如圖1所示。
每臺槽控箱控制1臺電解槽，同時每臺槽控箱都有獨立的PLC作為主控制器，負(fù)責(zé)對系列電流、槽電壓和各種開關(guān)量輸入信號的采集，數(shù)據(jù)解析，模糊推理，判斷槽中氧化鋁濃度，并通過調(diào)節(jié)下料時間間隔以及極距，達到電解槽內(nèi)物料平衡和熱量平衡。
過程監(jiān)控級通過RS422通信總線與槽控箱中的PLC通信，從中獲取相關(guān)信息，通過對信息的加工、處理，實現(xiàn)槽況診斷，從而實現(xiàn)對DDC級的參數(shù)修改、優(yōu)化，同時也為人工操作和維護決策提供可靠的依據(jù)。
多區(qū)域的SCC均可連接起來，構(gòu)成一局域網(wǎng)，在原有二級基礎(chǔ)上擴展一級MIS(管理信息系統(tǒng))級，并實現(xiàn)與全廠計算機網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)，便于領(lǐng)導(dǎo)決策。
2 軟件介紹
控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖見圖2。
因軟件模型較多，在此不能一一介紹，現(xiàn)重點講述以下幾個模型。
2.1 R-C曲線的試驗測試
為了能夠建立起正確而且可靠的氧化鋁濃度控制模型，我們進行了大量的試驗研究工作，在沁陽國家大型鋁電解試驗基地140kA電解槽上多次試驗以后，測試出槽電阻R與氧化鋁濃度C的關(guān)系曲線，即動態(tài)R-C曲線，其特征曲線如圖3所示。
A點附近為低濃度區(qū)，發(fā)生陽極效應(yīng)的幾率較高；B點附近為高濃度區(qū)，易產(chǎn)生沉淀。曲線由B點往A點變化，槽電阻逐漸上升，斜率加大，槽中氧化鋁濃度降低，雖然電流效率較高，但極易發(fā)生陽極效應(yīng)，增加電耗；若曲線反行程，由A點往B點推進，隨著Al2O3濃度的增大，槽電阻逐漸減小，斜率也慢慢減小，曲線趨于平緩，達到最低點附近有一死區(qū)，即變化不敏感區(qū)，此時槽中易出現(xiàn)沉淀，導(dǎo)致電解槽槽溫升高，槽底壓降增大，從而增加電耗，降低了電流效率。
此曲線測得的同時受操作工藝的影響會發(fā)生漂移，尤其是陽極移動，造成曲線偏移，因此在曲線試驗測試過程中我們盡量避免諸如抬母線、邊部加工、換陽極等非正常作業(yè)，保證了曲線的準(zhǔn)確性。
2.2氧化鋁濃度模糊控制模型的開發(fā)
由于電解槽屬非線性、時變、大滯后系統(tǒng)，電解槽內(nèi)存在高溫強腐蝕性電解質(zhì)熔體，所以到目前為止，國內(nèi)外對電解槽內(nèi)許多參數(shù)無法長時間在線測量，因此我們采用3種算法綜合解析槽電阻、槽電阻斜率以及R-C曲線，并結(jié)合電解專家經(jīng)驗和現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗，研制出了一整套氧化鋁濃度模糊控制模型。
該模型將下料速率作為輸出變量，下料速率的模糊語言變量值定義為“大欠量、欠量、正常、過量、大過量”5個檔級值。模糊控制規(guī)則是根據(jù)專家經(jīng)驗和已測得的過程知識生成的。通過控制氧化鋁的下料速度，使槽中氧化鋁濃度處于一個低高低的變化過程中，從而控制突發(fā)陽極效應(yīng)的發(fā)生和沉淀的出現(xiàn)，保持槽內(nèi)物料平衡。
該模型的主要功能體現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)由R、ΔR、(間接)判斷出槽內(nèi)氧化鋁濃度和變化趨勢以及變化速率。
(2)模糊推理出各種加料狀態(tài)切換點的斜率。
(3)由高濃度到低濃度的行程中，陽極效應(yīng)預(yù)報及其處理。
(4)減少了在高氧化鋁濃度情況下運行，避免了沉淀。
2.3 效應(yīng)預(yù)報及處理模型
通過在沁陽國家大型鋁冶煉工業(yè)試驗基地140kA鋁電解槽上試驗研究，開發(fā)了一套效應(yīng)預(yù)報及處理模型。該模型效應(yīng)預(yù)報準(zhǔn)確可靠，能提前20～40min預(yù)報，其預(yù)報成功率達100％；同時，利用該模型可將“突發(fā)陽極效應(yīng)”消滅在萌芽之中。效應(yīng)預(yù)報曲線如圖4所示。該曲線是在陽極效應(yīng)等待過程中測量計算的。
2.4 氧化鋁濃度跟蹤控制模型
電解槽運行較長時間(24h或更長)以后，需要重新確定槽中氧化鋁濃度，這樣就需停止給槽下料，保持固定極距，對槽電阻及電阻斜率進行解析，判斷目前電解槽中的氧化鋁濃度，以決定下一步的加料速度和加料狀態(tài)的切換。這對消耗電解槽中過量氧化鋁是十分有用的。
2.5 極距控制模型
該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
調(diào)整極距的目的是保持電解槽的熱平衡。該極距調(diào)整模型主要有3種情況的極距調(diào)整：第1種是槽電阻不在正常設(shè)定值范圍，極距調(diào)整量依據(jù)偏差范圍來定。第2種是特殊作業(yè)情況下，專門的極距調(diào)整模型，包括出鋁、換陽極、抬母線，以及其它異常操作，在此不作詳細(xì)討論。第3種是特殊槽況下的極距調(diào)整，針對不同槽況作出相應(yīng)的陽極極距調(diào)整。
3 系統(tǒng)特點
(1)基于專家經(jīng)驗和控制思想，采用模糊控制算法編制的氧化鋁濃度控制模型和陽極效應(yīng)預(yù)報模型，在國家大型鋁電解試驗基地140kA預(yù)焙電解槽上得到成功應(yīng)用，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。
(2)槽控箱中主控制器PLC是集計算機和工業(yè)過程控制系統(tǒng)的優(yōu)點于一體的可廣泛應(yīng)用于多種過程控制的通用設(shè)備，它能在任何惡劣環(huán)境下安全可靠工作。這種用單臺PLC控制單臺電解槽并與上位監(jiān)控機構(gòu)成二級分布式控制系統(tǒng)在鋁電解行業(yè)屬國內(nèi)首創(chuàng)。
(3)在SCC級計算機上通過人機界面在線修改、傳送控制軟件，同時通過SCC級計算機界面可監(jiān)視槽控箱軟件運行情況，這是其它槽控箱無法比擬的。
(4)通過SCC級計算機人機界面可以在線修改槽控箱工作參數(shù)(近90個)，使槽控箱適應(yīng)各種槽型。
(5)槽控箱箱內(nèi)布置合理、緊湊，槽控箱為單柜掛墻式小箱體結(jié)構(gòu)。
4 控制效果
通過在沁陽國家大型鋁冶煉試驗基地的140kA鋁電解槽上試驗，克服了槽齡長、操作條件差、槽況不穩(wěn)等不利因素，取得了令人滿意的效果。試驗槽槽底比較干凈，電解槽由長期不穩(wěn)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定運行，效應(yīng)系數(shù)降低到平均0.25左右，最長可控制在10d內(nèi)不發(fā)生陽極效應(yīng)，氧化鋁濃度控制在1.0％～3.5％之間，僅效應(yīng)電耗一項，單臺就比原有控制系統(tǒng)節(jié)電達160kWh/t，收到了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，具有較高的推廣應(yīng)用價值.
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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