摘要　通過工業(yè)試驗(yàn)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(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的解析，建立了氧化鋁濃度模糊控制模型，實(shí)現(xiàn)了鋁電解槽按需下料，極大地降低了陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)。同時(shí)開發(fā)出槽況自診斷、極距調(diào)整、設(shè)定電壓自修正、陽(yáng)極效應(yīng)預(yù)報(bào)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(guó)內(nèi)外眾多單位一直致力于鋁電解自動(dòng)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(shí)下料控制，到近期國(guó)外的自適應(yīng)控制，一直到現(xiàn)在國(guó)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(jī)或單片機(jī)所構(gòu)成的二級(jí)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(jī)”、誤動(dòng)作等現(xiàn)象。以前也有采用PLC進(jìn)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(shí)時(shí)性較差，數(shù)據(jù)處理及傳輸速度慢等缺點(diǎn)，不能適時(shí)地對(duì)鋁電解槽作出控制決策。為了解決以上問題，我們采用美國(guó)GE90系列的MicroPLC作為主控制器，實(shí)行一對(duì)一分布控制，1臺(tái)槽控箱配1臺(tái)PLC，并結(jié)合有關(guān)鋁電解專家經(jīng)驗(yàn)，采用專家模糊控制模型，開發(fā)出二級(jí)分布式鋁電解槽智能模糊系統(tǒng)，使系統(tǒng)軟件、硬件達(dá)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(jí)分布式控制方案，硬件組成如圖1所示。

每臺(tái)槽控箱控制1臺(tái)電解槽，同時(shí)每臺(tái)槽控箱都有獨(dú)立的PLC作為主控制器，負(fù)責(zé)對(duì)系列電流、槽電壓和各種開關(guān)量輸入信號(hào)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(shí)間間隔以及極距，達(dá)到電解槽內(nèi)物料平衡和熱量平衡。

過程監(jiān)控級(jí)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(duì)信息的加工、處理，實(shí)現(xiàn)槽況診斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DDC級(jí)的參數(shù)修改、優(yōu)化，同時(shí)也為人工操作和維護(hù)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(jí)基礎(chǔ)上擴(kuò)展一級(jí)MIS(管理信息系統(tǒng))級(jí)，并實(shí)現(xiàn)與全廠計(jì)算機(jī)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(diǎn)講述以下幾個(gè)模型。

2.1　R-C曲線的試驗(yàn)測(cè)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(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作，在沁陽(yáng)國(guó)家大型鋁電解試驗(yàn)基地140kA電解槽上多次試驗(yàn)以后，測(cè)試出槽電阻R與氧化鋁濃度C的關(guān)系曲線，即動(dòng)態(tài)R-C曲線，其特征曲線如圖3所示。

A點(diǎn)附近為低濃度區(qū)，發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)的幾率較高；B點(diǎn)附近為高濃度區(qū)，易產(chǎn)生沉淀。曲線由B點(diǎn)往A點(diǎn)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(yáng)極效應(yīng)，增加電耗；若曲線反行程，由A點(diǎn)往B點(diǎn)推進(jìn)，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(dá)到最低點(diǎn)附近有一死區(qū)，即變化不敏感區(qū)，此時(shí)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(cè)得的同時(shí)受操作工藝的影響會(huì)發(fā)生漂移，尤其是陽(yáng)極移動(dòng)，造成曲線偏移，因此在曲線試驗(yàn)測(cè)試過程中我們盡量避免諸如抬母線、邊部加工、換陽(yáng)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(shí)變、大滯后系統(tǒng)，電解槽內(nèi)存在高溫強(qiáng)腐蝕性電解質(zhì)熔體，所以到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)電解槽內(nèi)許多參數(shù)無法長(zhǎng)時(shí)間在線測(cè)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(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)，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(yǔ)言變量值定義為“大欠量、欠量、正常、過量、大過量”5個(gè)檔級(jí)值。模糊控制規(guī)則是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和已測(cè)得的過程知識(shí)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(gè)低高低的變化過程中，從而控制突發(fā)陽(yáng)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(gè)方面：

(1)由R、ΔR、(間接)判斷出槽內(nèi)氧化鋁濃度和變化趨勢(shì)以及變化速率。

(2)模糊推理出各種加料狀態(tài)切換點(diǎn)的斜率。

(3)由高濃度到低濃度的行程中，陽(yáng)極效應(yīng)預(yù)報(bào)及其處理。

(4)減少了在高氧化鋁濃度情況下運(yùn)行，避免了沉淀。

2.3　效應(yīng)預(yù)報(bào)及處理模型

通過在沁陽(yáng)國(guó)家大型鋁冶煉工業(yè)試驗(yàn)基地140kA鋁電解槽上試驗(yàn)研究，開發(fā)了一套效應(yīng)預(yù)報(bào)及處理模型。該模型效應(yīng)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確可靠，能提前20～40min預(yù)報(bào)，其預(yù)報(bào)成功率達(dá)100％；同時(shí)，利用該模型可將“突發(fā)陽(yáng)極效應(yīng)”消滅在萌芽之中。效應(yīng)預(yù)報(bào)曲線如圖4所示。該曲線是在陽(yáng)極效應(yīng)等待過程中測(cè)量計(jì)算的。

2.4　氧化鋁濃度跟蹤控制模型

電解槽運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間(24h或更長(zhǎng))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(duì)槽電阻及電阻斜率進(jìn)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(duì)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(yáng)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(duì)不同槽況作出相應(yīng)的陽(yáng)極極距調(diào)整。

3　系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)基于專家經(jīng)驗(yàn)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(yáng)極效應(yīng)預(yù)報(bào)模型，在國(guó)家大型鋁電解試驗(yàn)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(jì)指標(biāo)。

(2)槽控箱中主控制器PLC是集計(jì)算機(jī)和工業(yè)過程控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)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(tái)PLC控制單臺(tái)電解槽并與上位監(jiān)控機(jī)構(gòu)成二級(jí)分布式控制系統(tǒng)在鋁電解行業(yè)屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。

(3)在SCC級(jí)計(jì)算機(jī)上通過人機(jī)界面在線修改、傳送控制軟件，同時(shí)通過SCC級(jí)計(jì)算機(jī)界面可監(jiān)視槽控箱軟件運(yùn)行情況，這是其它槽控箱無法比擬的。

(4)通過SCC級(jí)計(jì)算機(jī)人機(jī)界面可以在線修改槽控箱工作參數(shù)(近90個(gè))，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(yáng)國(guó)家大型鋁冶煉試驗(yàn)基地的140kA鋁電解槽上試驗(yàn)，克服了槽齡長(zhǎng)、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(yàn)槽槽底比較干凈，電解槽由長(zhǎng)期不穩(wěn)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定運(yùn)行，效應(yīng)系數(shù)降低到平均0.25左右，最長(zhǎng)可控制在10d內(nèi)不發(fā)生陽(yáng)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(xiàng)，單臺(tái)就比原有控制系統(tǒng)節(jié)電達(dá)160kWh/t，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值.