（机械工程专业论文）炭素阳极成型计算机集成控制系统研究.pdf

糍 at h e s i si nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g 删 y 18 4 1 芗芝芗 s t u d y o n c o m p u t e ri n t e g r a t i n gc o n t r o l s y s t e m i nc a r b o na n o d e m o d e l i n g b y ：o ut a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz o up i n g s e n i o re n g i n e e r ：z e n gf a n s h i n o r t e a s t e r nu n i v e 体i 锣 s e p t ，2 0 0 7 ，。，。fl “丫k 靠叶也一，。 厂j i 嚣 ；群瞄嚣蓼静口 本人声明，所呈交 的研究成果除加以标注 的研究成果，也不包括 ， 作的同志对本研究所做 ： 意。 学位论文作者躲两 日 期：- 布年月，p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 导师签名： 签字日期：一l h ，y 。i 纯。f 。 。， ：t “簪：希0 。 - 一 1 。 屯 一曩：。r ? 譬_ 弛”和。， f 舻 r。-，l，l， 1 了，k l- 。qlf0 乙 轧r h _ t t j。1 童1， ： 1 | t 量 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t 炭素阳极成型计算机集成控制系统研究 摘要 本文通过对炭素行业在电解铝工业中作用的描述，着重对中铝贵州分公司炭素厂 阳极成型工艺的介绍，并以贵州分公司炭素厂阳极二成型为例，分析了原系统存在的 弊端，运用了r o c k w e l l 公司的d c s 和s l c 以及网络通讯等软硬产品和技术手段，实 现了炭素生阳极制造系统各个子系统的计算机控制，并把第三方的控制系统全部集成 到该控制系统中；通过c o n 仰l n e t 网和e t h l 州e t 网技术成功实现对现场参数的采集和 计算机监控，建立数据库，对关键数据进行分析、处理，并设置防火墙，预留和外界 通讯的以太网交换接口。并对关键设备还进行了远程视屏监控。 本文通过对混捏机控制的分析研究，运用数学建模和相关软件解决了美国b & p 公司混捏机在炭素阳极成型制造系统中的控制技术难题，进步提高了阳极糊料的混 捏质量，提高乐生阳极炭块的体积密度，确保阳极炭块的理化指标。 本文通过对球磨机料位控制的数据分析，发现常规的p i d 控制很难满足工艺需求， 运用基于p l c 系统的模糊控制算法，解决了阳极球磨机的料位控制。 文章以中铝贵州分公司炭素阳极二成型为例，详细阐述了二成型计算机集成系统 的架构和数据通讯，对混捏机的控制进行了详细的分析和数学仿真，对球磨机料位的 模糊控制进行有针对性的阐述。 关键词：d c s 、计算机集成、数学建模、模糊控制 u ，：熏 s t u d yo nc o m p u t e ri n t e g r a t i n gc o n t r o ls y s t e m i nc a r b o n a n o d e m o d e l i n g a b s t ra c t t h ep 印e ri 1 1 n o d u c e se n l i h a t i c a l l ym o d e l i n gc 融f 0 rc a f b o na n o d eo f l ea l u m i n 啪 ( m i z h o ub m n c hc o m p 锄弘l r o u g ht 0n 圮c a r b o np r o f e s s i o n sd e s c r i p t i o nw 1 1 i c ha 彘c t si l l 圮e l e c n 0 l 如c 趾u m 曲啪i n d u 如呼1 ka r t i c l et a 】k e s 廿l e 咖d e2 n dm o d e l i n go ft 1 1 e g u i z h o i ub 捌hc o m p 锄yc a r b 彻- f a c t o 巧嬲n 圮e x 锄p l e ，n l ec 伽叩u 钯rc o n 仃0 l 觚d 圮 s y s t c mi i l t e 雩孵l t e dc o m p l e t e l ya n dt 也e l i r dp 盯够c o m m u l l i c a t i o ni n 廿l e 觚o d em o d e l i i l g s y s t e mo fg u i z h c i uh m c hc o m p 锄yc 砷o n 觚t o 锄a l y z e d l co r i g i n a ls y 咖m s m 2 i l p m 砸c e ，u t i l i z e dm es o m h a r dp m d u c t 觚dt 1 1 e t e c h i l i c a lm e 廿1 0 do fr 0 c k 、w n c or p l a t i o n t sd c sa n ds l c 嬲w e u 弱t 1 1 e 咖r kc o m m l m i c a t i o n t h ea r t i c l e 聆a l i z c s s u c c e s s 丘l l l yg a t k 晒i 唱t 0 肼瞰m l 酏盱锄dn l ec o m p u t e rm o i l i t o r i n g u 曲l et e c l l i l o l o g yo f 恤c o i l 仃i o l 二n e t 锄d 恤e a r l l l - n e t ，e s 讪l i s h e s 也cd a ：油鹤e ，趾a l y s i s 锄dp r ) c e s s e st 0 恤 e s s e n t i a l d i a _ t a m o l m t s t h ef i r e w a l l ，i n o u n t si i l t e d 犯ew l l i c h e x c h a n g e w i t l lo u _ t s i d e c o 删m u m c a t i o n a n da l s 0c a r r i e do nt 0t l l ee s s e n t i a le q u i p m e n “o n g d i s t a i l c e 佗g a r d c dt l l e r e e nm o i l i t 0 血g t l l i sp a p 盯协r o u g l lt 1 1 ea i l a l y s i sr e a r c hw i l i c hc o n t r o l st 0t l l ek n e a m n gm l l i n e ，h 弱 b e e n l v e d 也ep r o b l e mo fc o n 向0 l t c c h n o l o 野矗河h e a d i n gm a c m o f 枷c 舭b & p c o r p o r a t i o ni nc 觚b d n 觚o d em o d e l i i l gm 孤l l 血c t u 陀s y s t e m ，伍r o u g l lh 觚d l i i 培m 砒e m a t i c s m o d e l i n ga n dm a = n ，a b f 呐a r e f u m 蚜锄h a n c e dt 1 1 eq u 甜i t ) ro fm i 】( p i i l c h e s 矗wn 圮 a n o d et h i c k e n e r ，饥i l a n c e dt l l eb u l kd e i l s 时o fa d e f b o nb l o c l 【，朗s u r em ep h y s i c s 锄d d 圮觚s 姆t a 耀r e to f 锄0 d ec 孤b o nb l o c k 1 1 1 i sp a p e rt t l r o u g l lt 0a n a l y z i n gm ed a = t ao fi e v e lc o n t r 0 if o rm eb a l lm i l l ，d i s c 0 v e r e d w m c hm ep i dc o n 们lc o n v e n t i o n a li sv e 巧d i m c u l tt om e e tt t ：屺c 础n e e d ，u t i l i z e sb 弱e d0 n t 1 1 ep l c s y s t e m 丘亿巧c o n t r o la l g o r i t h m ，l 娜s o l v e dt h e 觚o d eb a l li i l i l ll e v c lc o i l n d l t h ep a p e rt a 】k e sm ea n o d e2 n dm o d e l i n go ft h eg u i z h o ub r 孤c hc o m p a n y c a r b o n f a c t o r y 嬲t h ec x 锄p l e ，e l a b o r a t e si n i l e t a i lt h ed a _ t ac o m m u i l i c a t i o na i l dt h e c o n s t r u c t i o no fc o m p u t e rn e g r a t i v es y s t e mf o r t h ea n o d e2 n dm o d e l i n g ，d e t a i l e da n a l y s i s t t i t i ，ki0 a n ds 洲a t e si i l a ：t l l 锄而c a lt ot 1 1 ec o n 加lo f 恤k n e 舭g m a c h 硫，e l d b o r a t c s 舵巧c o n 昀l o f m a t e r i a ll e v c lf o rt h cb a l lm i l l k 盯w 。r d s ： d c s ，c 。m p u t e ri n t e g r a t i 。n ，m a t h e m a t i c sm 。d e 吐n 蜀f i 圆r c 。n t i 田l 囊蠢 ，h 菇。 冁 i v 0 1 r 。q 雷，乒 量1 7 ： 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t 目录 第l章前言。一。一。一。l 1 1 研究背景1 1 1 1 背景分析一1 1 1 2 研究目的2 1 2 研究的技术手段分析3 1 2 1 计算机集成控制系统的技术手段分析一3 1 2 2 混捏机控制系统技术分析。4 1 2 3 球磨机料位模糊控制技术分析一6 1 3 论文的结构7 第2 章工艺概述。一一一。一8 2 1 炭素阳极成型总体工艺概况8 2 2 各系统介绍一9 2 2 1 石油焦破碎筛分输送系统9 2 2 2 残极、生碎输送筛分破碎系统一9 2 2 3 球磨系统1 0 2 2 4 配料系统l o 2 2 5 混捏系统1 l 2 2 6 冷却系统1 2 2 2 7 成型机系统1 2 2 2 8 收尘系统1 3 2 3 小结1 3 第3 章成型计算机集成控制一。一1 4 3 1 原状分析。1 4 3 2 解决的思路及措施1 4 3 2 1 控制策略1 4 3 2 2 控制系统完成的功能描述1 9 3 2 3 控制系统的其他方案2 1 3 3 小结2 2 第4章混捏机控制研充一。一。一。一。23 4 1 b & p 混捏机系统的现状分析2 3 4 2 存在的问题及解决的思路。2 5 4 2 1 存在的问题2 5 4 2 2 目标的开展2 5 4 3 研究的主要内容分析2 6 4 3 1 技术路线分析及选择2 6 4 3 2 模型分析的数学基础2 7 4 3 3 工艺技术分析2 9 4 4 效果分析41 v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t 4 5d 、结。4 2 第5 章球磨机料位模糊控制研罗乱一。一。一。一。一。4 3 5 1 系统工作原理描述4 3 5 2 球磨机料位控制系统的设计4 3 5 2 1 球磨机料位控制系统分析4 3 5 2 2 球磨机料位控制系统设计4 4 5 3 模糊控制器的设计4 5 5 3 1 模糊算法设计。4 5 5 3 2 模糊控制器的实现4 6 5 4 j 、结4 6 第6 章 结论与展望。一47 攻读学位期间发表的论文。一。一。一。一。一一5 l 攻读学位期间取得的科技成果。一一5 2 i 计 鬻 ，p 。 由 霹 o v i 一；i 。tf一 r；，呻量， 东北大学硕士学位论文第1 章前言 1 1 研究背景 1 1 1 背景分析 第1 章前言 现代铝工业是一个年轻的工业，世界各国都采用熔盐电解法生产铝。中国铝工业今 年来有很大的发展，已进入世界主要产铝国的先进行列，2 0 0 3 年铝产量达到5 5 0 万吨， 居世界各国原铝产量的首位。中铝股份公司成立以来，通过资产重组，成为我国原铝产 量的龙头企业。中铝贵州分公司地处中国西南部的贵州，贵州铝资源较丰富，其中3 0 为高品位矿石。中铝贵州分公司氧化铝年产量已达1 0 0 万吨，电解铝年产量4 0 多万吨， 炭素阳极制品年产量2 0 多万吨，拥有四条电解铝生产线和三条阳极生产线。 作为电解铝工艺所需要的炭阳极是铝电解的主体部件，它由阳极本体( 阳极炭块) 、 阳极导电金属棒、升降装置及其附件构成j 主要分为自焙阳极和预焙阳极两种。预焙阳 极是以石油焦、沥青焦为骨料，煤沥青为黏结剂制造而成，由于以预焙阳极炭块为本体 构成的预焙阳极操作比较简单，阳极电压降比自焙阳极低，易于实现机械化、自动化， 且消除了电解过程中的沥青烟害，有利于电解槽向大容量方向发展。因此，2 0 世纪末， 已普遍采用预焙阳极炼铝。中铝贵州分公司为了进一步扩大产能，在贵州分公司投资建 设新的电解铝厂，为了配合电解铝厂的四期工程，需要对预焙阳极增加产能，基于上述 原因的基础上，贵州分公司对炭素厂阳极二成型制造系统进行提产增效改造，通过对设 备的改造和关键设备的引进来达到目的。 中铝贵州分公司炭素阳极二成型车间是炭素阳极预焙阳极生块生产的主要工序，主 要的作业是对煅烧后的煅后焦和阳极废块进行破碎、筛分、按一定比例混合成型后制造 出生阳极炭块，工作流程分为破碎、筛分、球磨、配料、混捏、冷却、振动成型以及收 尘等。改造的主要工作是对原有的控制系统进行设备改造，并采用新的控制方式进行控 制；改变原来操作复杂、员工劳动强度大、故障率高、环境差的局面。在现有的基础上， 考虑引进的控制设备较多，分别是瑞士h 弱l e r 配料系统，美国b & p 混捏机控制系统， 德国e i r i c h 冷却机控制系统和成型机控制系统，各控制系统采用的控制器各有差别，于 是采用d c s + p l c 的控制系统布局，实现计算机集成控制。 通过对国内外混捏机的分析比较，得出混捏机在整个成型生产过程中起到举足轻重 的作用，如何实现混捏机的自动控制，直接影响阳极糊的质量和生阳极炭块的理化指标； 再者该混捍机是9 ( ) 年代从美围b & p 公司订购的，已绎过了外方承诺的服务期限，所以 1 y；0各 东北大学硕士学位论文第1 章前言 要使整套系统完全满足工艺的需求只能依靠我们自主开发完成，经过调研需要根据现场 的工艺参数实现控制模型的优化，建立适合生产需求的控制模型，才能提高混捏的品质， 达到生产的需求。 从工艺角度来讲，在物料的配比中粉子物料是极其关键的配料，球磨机系统是生产 粉子配料的关键设备，球磨机料位的控制直接影响粉子的品质好坏，原有的系统采用传 统的单回路控制，料位控制不稳定，波动大，粉子品质一直得不到提高；因此，改变传 统的控制，利用模糊控制原理，实现球磨机在线控制。 1 1 2 研究目的 通过对工艺的了解，在对比目前国内炭素生阳极成型系统的控制水平，通过课题的 研究、探讨和实践，主要达到以下的研究目的，笔者分三个方面进行阐述。 1 1 2 1 实现中铝贵州分公司炭素阳极二成型计算机集成控制的目的。基于中铝贵 州分公司炭素阳极二成型的工艺状况，采用美国r o c k w e n 公司的r s 5 0 0 的控制器作为 羲主控制器，主要对成型的所有子系统进行集中监控和管理，建立成型系统的数据库；采 乞用r d c k w c u 公司的小型工业控制器完成对子系统的控制，形成分布式控制，分散危险 9 性，进一步提高可靠性。采用网络通讯技术，主要用以太网解决主控制器r s 5 0 0 和 ，錾s l c 5 0 5 子系统之间的通讯，并把德国e i r i c h 公司的强力冷却机控制器集成到该系统中， 通过r s 2 3 2 转以太网的通讯模块把瑞士h 嬲l e r 配料系统进行集成；用c 0 n 们l n e t 网解 决两套r s 5 0 0 控制器的冗余通讯以及r 5 0 0 控制器和服务器之间的数据通讯，并且通过 c o n 缸d l n e t 网把美国b & p 混捏机控制系统进行集成。 1 1 2 2 由于该混捏机是由美国b & p 公司的产品，内部所建立的控制模型不能完全 满足实际的工艺需求，这就要求新的控制策略实现混捏机自动控制。经过我们大量的现 场数据取样，并经过数学统计，采用数学建模技术对美国b & p 混捏机控制模型进行研 究，通过对现场控制品质和数据的分析，实现控制模型优化，改变了相关的参数和控制 方式，使混捏机达到了主体工艺的需要，提高糊料的理化指标，保障生阳极块的质量。 1 1 2 3 球磨粉作为配料秤的重要配料，直接影响生块的体积密度。球磨机的料位 控制的好坏直接决定粉子的粒度大小。经过现场的数据分析，采用模糊控制技术实现了 球磨机料位实时在线控制，能有效的防止因干扰因素造成料位的波动，提高粉子的质量。 nr。0；且封 百；_ 羹飞嚣嚣 东北大学硕士学位论文第1 章前言 1 2 研究的技术手段分析一。、 一。岛 十囊 j 谭： j ：。 1 2 1 计算机集成控制系统的技术手段分析 首先，通过大量的分析比较，针对该系统的子系统多，要求的可靠性高、成本低等 特点，在选用p l c 控制器时，我们选用了美国r d c k w e u 公司的小型控制器s l c 5 0 5 系 列，并要求在c p u 模块上带有e m e r n e t 接口，这样就可以通过交换机使子系统的数据 传到服务器上。然后在选用主控制器上我们选用了冗余的p r o c e s s l o 西x 控制器，控制器 之间通过光纤实现冗余，控制器采用c o 蛐l n e t 网实现和两台冗余服务器的通讯，并且 采用两台交换机实现网络的冗余通讯。最后在选用软件上，采用了具有第三方通讯软件 功能的r 5 0 0 软件、q u i c l 【b u i l d c r 、r s l i 似系列的通讯处理软件。并把瑞士h a s l e r 配 料秤，美国b & p 混捏机、德国e i r i c h 冷却机和其他子系统通过以太网和c o n 们l n e t 进 行集成。对现场的关键设备实现远程无人监控，网络拓扑图如图1 1 所示。 l # 作台2 # i 住睹j 咀棚毒作i 齿己料，嗥i 瞄掩盘譬 图1 1 中铝贵州分公司炭素二成型控制系统网络拓扑图 f i g 1 - lt h en e t 、v o r k 锄a l y s i ss i t 吣c t 埘to fc 越b o n2 n df 0 珊a t i o n c o n 仃o l s y s t e mf o ral u m i n u mg u z h o us u b s i d i a r yc o m p a n y 利用美幽r o c k 、v e u 公司的p l c ( s l c 5 0 5 ) 和p r o c e s s l o g i x 实现系统的硬件控制， 东北大学硕士学位论文第l 章前言 利用l o g i x 5 0 0 、l 0 9 i x 5 0 0 0 和c o t r o l b u i l d e r 软件实现控制程序的编写，采用d e v i c e n e t 、 c o n 仃0 l n e t 和e t l l e 州e t 实现网络通讯，并利用r o c k w e l l 公司的第三方通讯软件 q u i c k b m l d e r 实现实时数据通讯，利用d i s p l a y b u i l d e r 、s 切，t i o n 等软件编写上位机监控界 面，解决整个系统计算机监控的技术难题。控制系统分为一级d c s + p l c 站和二级计算 机站，构成二级分布式计算机控制系统；控制系统在硬件上考虑冗余设计，以确保系统 的安全性，在主控室放置6 台计算机，实现对现场数据的采集、控制、显示和管理工作， ， 两台服务器互为冗余监视系统，提高了监视系统的安全可靠性，两台操作站从服务器读? i l 取数据，生阳极制造系统的所有操作均在操作站上进行。拶 士 1 2 2 混捏机控制系统技术分析 系统仿真作为一种特殊的实验技术，在2 0 世纪3 0 9 0 年代的半个多世纪中经历了 飞速发展，到今天已经发展成为一种真正的、系统的实验科学。随着计算机的出现和模 拟技术的应用，仿真作为一种研究、发展新产品、新技术的科学手段，在各行各业中逐 步发展起来，显示了巨大的社会和经济效益。仿真的基本思想是利用物理的或数学的模 型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识，它所遵循的基本原则是相似性原理。 自动控制系统的仿真是系统仿真的一个重要分支，它是一门涉及自动控制理论、计 算机数学、计算机技术、系统辨识、控制工程以及系统科学的综合性新型学科。他为控 制系统的分析、计算、研究、综合设计以及自动控制系统的计算机辅助教学等提供了快 速、经济、科学及有效的手段。自动控制系统的仿真就是以自动控制系统模型为基础， 采用数学模型替代实际控制系统，以计算机为工具，对自动控制系统进行实验、分析、 评估及预测研究的一种技术与方法。 自动控制系统计算机仿真基本过程，主要包括以下几个基本步骤：问题描述、模 ， 型建立、仿真实验、结果分析，其流程图如图1 2 所示。 目前，运用m a tl a b 软件进行系统分析和仿真越来越广泛，给控制系统的分析和 设计带来了极大的方便，逐步成为国内外控制领域内最流行的计算与仿真软件。 m a t l a b 软件非常适合控制系统的仿真，主要具有以下特点： ( 1 ) 强大的运算功能。m a t l a b 提供了向量、数组、矩阵、复数运算，求解高次微 分方程、常微分方程的数值积分等强大的运算功能，这些运算功能使控制理论及控制系 k 东北大学硕士学位论文第1 章前言 统中经常遇到的问题得以解决。 亡州一， 。 。卅j 一芋 ( 2 ) 特殊功能的t 0 0 l b o x 工具箱。m a n a b 的t 0 0 l b o x 工具箱包括控制领域里常 用的算法包，如模糊控制工具箱、鲁棒控制工具等，这些工具箱使得控制系统的计算与 仿真变得方便。 图1 2 过程仿真流程图 一? f i g 1 2m f 1 0 wc h a r to f ) c e s ss i n l u l 撕 ( 3 ) 高效的编程效率。m a n a b 提供了丰富的库函数，这些库函数都可以直接调。 用，而不必将其子程序的命令或语句逐一列出，大大提高了编程效率。 ( 4 ) 简单的编程语言。 ( 5 ) 方便友好的编程环境。m a ：n ，a b 提供了友好的用户界面和方便的帮助系统， 十分方便操作者的使用。 本文将针对美国b 奄尸混捏机的控制程序进行详细的分析，通过运用数理统计的知 识，对实际在线的数据进行统计分析、处理，发现其根本不能完成自动控制，其自动控 制的方式也达不到要求，必须改变其控制程序，通过实际生产的过程数据的要求，建立 数学模型进行优化控制，编写控制程序，并运用m a t l a b 软件进行模拟仿真，使之达 到工艺要求。并通过a b 公司编程软件l o g i x 5 0 0 编写控制程序，完成混捏机的优化控制。 东北大学硕士学位论文第1 章前言 1 2 3 球磨机料位模糊控制技术分析 自从1 9 6 5 年美国加里福利亚大学控制专家l - a z a d e h 教授提出模糊数学以来，使 模糊控制理论广泛地应用于自然科学和社会科学的各个领域。由于模糊逻辑本身提供了 由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的推理方法，因而能够解决许多 复杂而无法建立精确数学模型系统的控制问题，所以它是处理推理系统和控制系统中不 精确和不确定性的一种有效方法。从广义上讲，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思 维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制策略。它是模糊数学同控制理 0 论相结合的产物，同时也是智能控制的重要组成部分。主要有以下的特点： j ( 1 ) 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确模型，只需要提供现场操作人员 的经验知识及操作数据。 ( 2 ) 控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及大纯 j 滞后等问题。 ( 3 ) 以语言变量代替常规的数学变量，易于形成专家“知识”。 ( 4 ) 控制推理采用“不精确推理 。推理过程模仿人的思维过程；由于介入了人类 的经验，因而能够处理复杂甚至“病态 系统。 经典的模糊控制器利用模糊集合理论将专家知识或操作人员经验形成的语言规则 直接转化为自动控制策略( 通常是模糊规则查询表) ，其设计不依靠对象精确的数学模 型，而是利用其语言知识模型进行设计和修正控制算法。一般的企业技术人员通常采用 2 维的模糊控制规则。 结构分析方法在模糊控制领域的运用，使模糊控制不是停留在初期的对实践取得的 ， 满意结果上，而是将模糊控制研究推向更深的层次；模糊控制的解析结构分析大致采用 如下的步骤： ；。 f ( 1 ) 在模糊化过程中，定义一种典型的隶属函数。通常采用的类型有三角形、梯 形或正态分布形等。 ( 2 ) 建立一套推理规则。规则如下： i f “e 啪r i se ，a n d 二协e i s 民t h e n ；o u t p u t i su 蚋j( 卜1 ) 东北大学硕士学位论文第l 章前言 ( 3 ) 采用一种推理方式。 ，脚泓节v t ，l ! 一，= ( 4 ) 采用一种模糊判决方法计算出模糊控制器在以上条件下的输出表达式及其渐 进结果。 ( 5 ) 将模糊控制器的输出表达式同传统的控制表达式进行比较，建立等同于常规 控制策略的模糊控制结构。 通过对球磨机料位进行研究分析，发现料位受风机流量、钢球磨损度、分级机转速 的影响较大，必须建立数学模型，完成球磨机料位。本课题采用模糊控制理论，基于 p l c 控制器的基础上，完成球磨机料位的优化控制。 1 3 论文的研究内容 本文第一章前言，主要对该课题选题的理由进行了阐述，对本课题的研究目的 进行了详细的介绍，采用的技术手段和措施进行介绍。 本文第二章工艺概述，主要对炭素阳极在铝工业的作用进行了概述，详细介绍 了中铝贵州分公司炭素二成型的工艺状况，提出了一些在技术问题。 ， 本文第三章成型计算机集成控制系统，主要通过对r d c k w e n 公司系列产品的： 运用，详细介绍了中铝贵州分公司炭素二成型控制系统的计算机集成，包含网络架构、 控制器配置、数据通讯等方面。 肌 本文第四章混捏机控制研究，主要通过对m a t l 惦软件的学习，利用数学建 模的技术，实现二成型b & p 混捏机的实时在线监控，进一步提高了混捏机的控制水平， 满足了主体工艺的需求，提高了阳极炭块的理化指标。 本文第五章球磨机料位模糊控制研究，主要针对二成型球磨系统料位的控制难 题，分析了工艺变化参量的状况，运用基于p l c 的模糊控制解决了球磨机料位控制的 技术难题。 本文第六章结论与展望，主要对本文的技术在实际运用中的效果进行了简要的 阐述，并提出了本课以后研究的问题和方向。 东北大学硕士学位论文第2 章工艺概述 第2 章工艺概述 2 1 炭素阳极成型总体工艺概况 炭素阳极是铝电解的主体部件，它由阳极本体( 阳极炭块) 、阳极导电金属棒、升 降装置及其附件构成，主要分为自焙阳极和预焙阳极两种。预焙阳极是以石油焦、沥青 焦为骨料，煤沥青为黏结剂制造而成，由于以预焙阳极炭块为本体构成的预焙阳极操作 比较简单，阳极电压降比自焙阳极低，易于实现机械化、自动化，且消除了电解过程中 的沥青烟害，有利于电解槽向大容量方向发展。因此，2 0 世纪末，已普遍采用预焙阳极 炼铝。 预焙阳极在电解生产过程中，不仅承担着导电的作用，而且还参与电化学反应而消 耗。炭阳极作为铝电解的心脏，其质量和工作状况对铝电解生产是否正常及电流效率、 电能消耗、产品等级等经济技术指标影响十分巨大。一般来说，电解槽故障中有7 0 发 生在阳极。质量差的阳极，会造成电解槽的热平衡不稳定，电解质炭渣含量高，导电性 差，电流效率降低，电耗增加等。高质量的预焙阳极需较低的电阻率和较高的强度，因 此，应需具备较高密度和均质的预焙阳极，这样的预焙阳极具有较好抗氧化性，较低的 炭渣脱落度，以及较低净耗。 图2 1 炭索生l ；【j 极制造上兰流程图 f g 2 1t h ef l o 、vc h a 竹o fc a t b o na n o d em a n u f a c t u r e d l r 东北大学硕士学位论文 第2 章工艺概述 预焙阳极常见的故障主要表现为：阳极掉块( 脱钩) 、阳极长包( 凹凸现象) 、阳极 裂纹等，直接影响电解槽的槽温和电流分布，所以炭阳极的质量直接影响电解铝的质量 指标。 作为中铝的主要企业中铝贵州分公司，下属炭素厂二成型车间主要生产预焙阳 极生块，主要作业分为破碎、筛分、球磨、配料、混捏、冷却、振动成型和收尘等，分 系统多，工艺流程图示意图如图2 1 所示。 2 2 各分系统介绍 2 2 1 石油焦破碎筛分输送系统 石油焦系统主要是对煅烧后的石油焦进行破碎、筛分、分级，分成不同粒度的石油 焦，分别为焦粗( 1 0 一2 0 舳) 、焦中( 卜1 0 咖) 和粉子( 0 0 7 5 一o 1 衄) 用料，通过皮带和斗提 送到相应配料仓中，用于配料，工艺流程图如图2 2 所示。 。 图2 2 石油焦破碎筛分输送系统( 1 0 0 系) 流程图 f i g 2 2t 1 1 en o w c h a i to f s c r c 朗i n ge x p u l s i o ns y s 钯mf o rc o k e ( 1 0 0 s ) 2 2 2 残极、生碎输送筛分破碎系统 残极系统主要是对可以利用的残极料和生碎料进行破碎、筛分、分级，按照不同的 料类和不同的粒度分成残粗料、残中料和生碎料，通过皮带和斗提送到相应配料仓中， 用于配料，工艺流程图如图2 3 所示。 东北大学硕士学位论文 第2 章工艺概述 图2 3 残极生碎破碎筛分输送系统( 2 0 0 系) 流程图 f 追2 3t h ef l o wc h a no ft h eg a m l l o 吣s c 陀e n i n g e x p u l s i s y s t e mf o re x 协e m e l yl i v 豁b r e a l c s ( 2 0 0 s ) 2 2 3 球磨系统 球磨系统主要对来自1 0 0 系破碎筛分后的细粒焦炭( 存储在球磨前仓中) ，通过球 磨机进行粉碎，球磨机中装有不同直径的钢球，通过钢球和焦炭之间的碰撞，使物料达 到所要求的粉状，粒径在o 0 7 5 0 1 姗之间，在通过风机把粉子送入分级机，分级机把 合格的粉子物料送至粉子仓，不合格的物料返回球磨前仓。粉子在配料中占有重要作用， 直接影响炭块的体积密度和理化指标，其工艺流程图如图2 4 所示。 图2 4 球磨系统( 新老3 0 0 系) 流程图 f i g 2 4t h en o w c h a no f 砌l 鲥n d i n gs y s t e m ( 3 0 0 ) 2 2 4 配料系统 配料系统在整个成型制造过程起着非常关键的作用，它主要是把各种粒度的骨料和 粉料、黏结剂分别称餐和聚集的牛产过程。一般包括二三个方面的内律：第一，选择炭质 。， 0 ， 一z 东北大学硕士学位论文 j ，如r ；二。：? f o 蠢一0 j ， 笫2 章工艺概述 原料的品种及不同原料的使用比例；第二，确定骨料和粉料的粒度组成；第三，选择黏 ? ；1 f 、l 二：- 一i 结剂的种类和使用比例。要想获得最佳的容积密度和较低的电阻率及高强度等，配方的 科学性和精确性是必须的。一般的原理是：焦炭的粗粒级含量增加，预焙阳极和阴极炭 块的电阻率和收缩在焙烧时就会降低，而随着相对分子质量的增加，预焙阳极和阴极炭 块的机械强度、电阻率和容积密度就会增大。骨料中的各级中间粒级焦在预焙阳极发生 电化学氧化时出现很大程度的脱落，因此在数量及比例上应严格规定。由配料秤控制的 物料通过下料口直接送入流程进行下一步工序。 炭素阳极生产过程中，配料是一个很重要的步骤，其中包含4 部分：选定原料焦 炭和黏结剂( 这里主要指液体沥青) ；决定各种焦炭的配比；决定焦炭的粒度组成； 决定粘结剂对焦炭的配合量。在一般配料方中，就固体料而言，粗粒料通常占2 0 ， 中粒料占4 0 ，细粒料占4 0 ，就糊料的整体而言，固体料约占8 3 ，黏结剂沥青占1 7 左右。表2 1 是国外几个生产厂家现行预焙阳极固体粒料的配方情况。 表2 1 国外阳极生产固体颗粒配方表 1 a b l e2 1t h ef o l m u i at ：a b l eo f 锄o d ep 州u 鲥o ns o l i dp a r t i c l ei no v e 琏哪 2 2 5 混捏系统 阳极糊的混捏过程主要是把配料系统的物料混合搅拌使温度达到1 7 0 1 9 0 之间， 预热后的物料加入沥青一起进入混捏机内进行充分的混捏搅拌。混捏机通常用两段混 捏：在第一段，各种粒级的焦炭进行机械混合：在第二段，黏结剂沥青与骨料焦炭密切 混合，使沥青在整个混合物中均匀分布，而且很好的湿润骨料焦炭。湿润是一种附着现 象，是山圃液徊界面上的分子吸引件j f j 形成的。焦粒被湿润后，其表曲就会选择性的吸 附沥青成分：在配入的沥青中，有5 q 6 1 5 充填入焦孔：自从采用，液态沥青以后，部分 1 1 东北大学硕士学位论文第2 章工艺概述 生产厂把两级混捏改为一段混捏，加大了混捏机的容量、功率和控制性能，提高了混捏 的质量，混捏后的糊料温度大约控制在1 4 0 一1 4 5 之间。工艺流程图见图2 5 所示。 为了进一步提高炭块的质量和产能，中贵州分公司引进美国的b & p 混捏机。由于 该混捏机是九十年代采购的，已经过了b & p 公司的售后服务期，因此整个系统的控制 不得不自主解决，这在后面将专门讨论“混捏机控制优化 的技术问题。 图2 5 混捏、冷却系统流程图 f i g 2 5t h ef l o w c h a r to f m i x e rs y s t e m 锄dc 0 0 l e re n 西n es y s t e m 2 2 6 冷却系统 冷却系统主要的工作是把混捏后的糊料进行冷却，使糊料的温度控制在1 5 0 左右， 偏差在2 左右。目前采用的冷却方式有风冷、水冷和风+ 水冷三种方式。中铝贵州分公 司采用的是水冷方式，二成型引进的是德国e i c h 的卧式水冷冷却机。工艺流程图见 图2 5 所示。 目前这种冷却机在国内应用广泛，取得实际的效果。 2 2 7 成型机系统 成型机系统主要是把经过冷却后的糊料通过振动成型的方法制成所需尺寸的生阳 极炭块。振动成型法是目前通用的方法，它的原理是使成型台上的阳极糊在振动器和重 力的作用下得到密实，此项原理的进一步发展是带活动台的自动振动机，另外一种是带 旋转台的振动机。如果尘旋块中夹带的空气山j ：抽真空瓶排除了，则预焙块的总气孔度 会大大减小。所以，为了进一步改善炭块质最，采用真空振动成型法，可制造大犁炭块 1 2 ， ， 0 4 东北大学硕士学位论文第2 章工艺概述 ( 2 2 5 0 彻木7 5 0 咖，i c 9 0 0 姗，每块重达2 5 吨) 。成型后的炭块进一步冷却后经过输送带送 ：，i i +。 j ， 至焙烧进行焙烧。成型过程工艺参数见表2 2 。 表2 2 成型过程工艺参数表 t a b l e2 2t h ep 锄m e t e r l i s to f p r o c e s s i n g - p 啪m e t e ri nm o d e l i n g 2 2 8 收尘系统 收尘系统主要是对各个工段的粉尘和烟气进行收集处理，使之达到国家环保要求 2 3 小结 既。t 本章从中铝贵州分公司炭素阳极的发展入手，详细介绍了炭素阳极制品成型系统的 工艺流程，对石油焦、残极、生碎、球磨粉、收尘等子系统进行了详细的描述，对配料、謦专 混捏、冷却、成型机系统做了比较和阐述，为下章计算机集成系统在工艺方面做了铺垫。 东北大学硕士学位论文第3 章成型计算机集成控制 第3 章成型计算机集成控制 针对国内还没有自主开发的炭素生阳极成型控制系统，基本上均是引进国外的控 制系统，因此在基于中铝贵州分公司炭素二成型的现状调查上，把原有的分散的控制系 统利用r o c k 、e u 公司的小型s l c 控制器进行改造，然后运用r o c k w e u 公司的d c s 冗 余控制器p r o c e s s l o g i ) 【把分散的各个控制子系统进行集中控制调度和管理，各子系统和 b & p 混捏机的c o l l 加l l o g i x 采用以太网与服务器相连，p r o c e s s l