（机械工程专业论文）铝电解浓相输送技术开发.pdf

、f ji 0i ， 稿。-， -1，j 灞k遣砖。蓬蜒 是十 1，-， r 。； 甜鼬爷瓤瓤 l ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g d e v e l o p m e n t o ft h e e l e c t r o l y t i ca l u m i n u m d e n s ep h a s e c o n v e y i n gs y s t e m b y y u a nj u ns h e n g s u p e r v i s o rp r o f e s s o rs o n gw e i g a n g n o r m e a s t e mu n i v e r s i t ) r o c t o b e r2 0 0 7 ，l】1 一 独创性声明 论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而 使用过的材料。其他对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 本论文数据及结果带有保密性质，不希望未受权的人在其它地 方公开查阅或使用，否则保留法律追究的权利! 本人签名：衷翠生 日 期：加1 j2 ，口 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： 导师签名： 签字日期： ，nrl 1 ，电土 东北大学硕士学位论文摘要 铝电解浓相输送技术开发 摘要 氧化铝、氟化铝浓相输送系统是铝电解生产中十分重要的环节，其运行状况 直接影响电解铝生产的数量和质量，由于设计制造及控制技术等方面的原因，中 铝贵州分公司电解厂三系列氟化铝添加系统一直未能投入使用制约了电解生产 控制水平的提高。从国外引进的电解一、三系列浓相输送控制系统由于技术落后、 监控系统源代码不开放而无法维护、无备品备件等原因导致系统通讯故障频发， 目前已不能满足生产的需要，成为影响电解铝生产的重大隐患。 针对以上问题，本文主要进行了工作。 首先在对一、三系列浓相输送系统充分调研的基础上，通过阅读、分析及综 合大量文献，对该厂浓相输送监控系统进行了设计研究，对其控制策略进行了研 究、仿真，实验证明其有良好的控制效果。 其次设计了基于模糊控制理论的氧化铝浓度控制系统，该系统具有模糊参数 自修正、下料故障报警等功能。同时，该系统的应用带来了许多铝电解工艺的新 观念，如：出铝、换极后的物料平衡，a e 等待等。 设计采用w i n c c 作为主要开发工具进行上位机监控软件。由于设计过程中 很好地结合用户的实际需求，开发的监控软件具有操作方便、运行稳定、控制效 果良好和易维护的优点。 本课题在投资很小的情况下，充分利用现有设备，实现了氟化铝的准确添加， 采用w i n c c 开发平台很好地解决了原监控系统技术落后、通讯速度慢等问题， 最大限度地满足了浓相输送系统实时监控和网络扩展的需要，具有较大的实际意 义。 关键词：浓相输送；监控系统；模糊控制；w i i l c c - i i - f分，； ，“、i， l 1 、 也 东北大 d 舢2 0 3a i l d 舢f 3d e n s ep h 勰ec o n v e y i n gs y s t e ma c t e d 觞e l e c 仃0 l y s i sm a t 面a ls u p p l y s y s t e m ，p l a yav e 巧i i n p o n m tr o l ei l lp r o d u c tl i n e i t sm 1 1 1 1 i n g 僦e s 晰l l 妇c t l y l l a _ v e e 丘e c to nt 1 1 eq 啪t i t ya n dq u a l i t yo ft ：h ep r o d l l c t i o n f o rd e s i g na i l dm 锄u f a c t u r i i l g t e c l l i l i q u e s ，a i l dc o n 乜o lo ft l l er e 2 l s o l l s ，a l u i 】血眦f l u ) r i d ea d d e ds y s t e mi i ls i n e l t e r s s e r i e st 1 1 i r do fc h 越c og u i z h o ub r a n c hh a sb e e nu n a b l et op u ti 玎【t 0u s e ，l i i l l i t i i 培t h e l e v e lo fp r o d l l c t i o nc o m r 0 1 t h es e r i e si i ia i l ds e r i e sid e n s ep h 2 u s ec o n v e y i n gs y s t e m ， b o 蜓灿丘i o ma b r o a d ，c o u l dn o tm e e tm en e e do fp r o d l l c t i o na tp r e s e n t ，w 1 1 i c hb e c a n l e 廿l e 伊a v el l i d d e n 协d u b l ei 1 1e l e c t r o l y s i sa l 1 1 i n u mp r o d u i m o n i i lo r d e rt 0s o l v e 廿l e a b o v ep r o b l e m ，t l l i sp 印e ri n c l u d e s 廿1 ef o l l o 丽n gw o r km a i l l l y f i r s t l y ，am o n i t o r i n ga 1 1 dc o n 的ls y s t 锄f o r 廿1 eg u iz 1 1 0 ue l e c 仃o l y s i s 舶1 i n u m p l a n t si sd e s i g n e di n 廿：1 i sd i s s e 似i o i l b a s e do nm ed e l i c a t ei i l v e s t i g a t i o na n dr e s e 卸c h w o r kf o ri t st h e “r ds e r i e sa i l dt t l ef i r s ts e r i e sd e n s ep h 缌ec o n v e y i n gs y s t e m 肌d a n d i y z i l l g 觚ds u n l i n a r i 血gl o t so f l i t e “l t u r e s a n dt h e n t ：h i sp a p e rd e s i 伊l sa na l l m l i l l 眦d e n s i 够c o m r o ls y s t e mb a s e do n 向z z y c o m r o lt l l e o r y t h es y s t c mh 嬲t h e 如i l c t i o no f 如z 巧p a r 锄e t e rs e l f t a u g h ta i l d b r e a l 【d o w nt 0r e p o r tt 0t h ep o l i c ee t c m e a i m 棚1 e ，t h ea p p l i c a t i o no f 也es y s t e m b r o u g 虹m a n ya l 啪i i l m ne l e c t r o l y s i sn e wi d e a so fm ec 础，s u c ha sw a i t i n go f a e t h ec o m r o ls t r a t e g yi si 1 1 v e s t i g a t e da i l ds h o ，1 1g o o dc o n t r o le 任e c t si ns i i 】：l u l a t i o n a n de x p e r i m e n t s i i la d d i t i o 玛d e v e l o p i n gp r o c e s so ft l l em o l l i t o r i n g 锄dc o n n o l s y s t e ms o 胁a r ef o rt 1 1 eu p p e rc o m p u t e r ，b a u s e do nw i n c cp l a t f o n i l ，i si n 舡d d u c e d t h e s o m a r et a l 【e sm l la c c o 眦to ft h eu s e r sd e m a i l d t h e r e f o r e ，i th a s 伊e a tr o b l l s 协e s s a i l dg o o dc o m r o le a e c t sa n di se 嬲yt oo p e r a t ea n dm a i n t a i l l e d m a k e 缸uu s eo fe x i s t i n ge q u i p m e n tt 0a c l l i c v e 也ea c c u r a c yo f l ea l u m i 删m f l u o r i d ea d d e da 1 1 dt os 眦l i i l a 巧am o l l i t o r i n ga i l dc o n 臼o ls y s t e mi si i l l p l e m e n t e da t l e s si n v e s t i i l e n tb ya d o p t i n gw m c cd e v e l o p i n gp l a t f o 肌nh a ss u c c e s s m l ys o l v e d t ：b es l o wc o m m u i l i c a t i o ns p e e dp r o b l e m 锄dn l el a g g 捌n e s so f 也et e c l l i l i q u e s 、i t l l t 1 1 ef o 彻e ro n e np r 0 v e dt h j sc u s t o m e r 面e n t e ds y s t e mc 趾m e e tt h er e a lt i i n e m o i l i t o r i n ga i l dn e 咖r ke x t e i l s i o nd e m a n do fd e l l s ep h a s ec o i e y i l 培s y s t e mt 0t 量1 e m o s te x t e n t hh 嬲an o t a b l ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nm e 锄i r 培 k e y w o r d s ：d e n s ep h 嬲ec o n v e y i l l g ；m o i l i t o r i n gs y s t e m ；f u z z yc o n t r o l ；w h c c i i j 0、i， l ， 摘要i i a b s t l a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的背景及意义1 1 2 气力输送系统研究概述2 1 2 1 气力输送的研究进展2 1 2 2 气力输送方式3 1 2 3 影响气力输送的因素。6 1 2 4 浓相输送控制研究现状7 1 2 5 气力输送研究新进展7 1 3 本文主要研究内容8 第2 章铝电解槽氟化铝浓相输送控制技术l o 2 1 氟化铝浓相输送结构分析1 0 2 2 氟化铝浓相输送控制技术l l 2 2 1 压力容器内仓优先设计准则1 1 2 2 2 工作状态信号远程监控1 5 2 2 3 氟化铝定容器参数自修正1 6 2 2 4 氟化铝配料精度的提高1 6 2 2 5 报表统计的完善1 7 2 3 本章小结。1 9 第3 章基于模糊控制的氧化铝浓度控制2 0 3 1 模糊控制策略2 0 3 1 1 模糊控制系统构成2 0 3 1 2 模糊控制器原理2 1 3 1 3 模糊控制器的设计2 2 3 2 系统总体构成2 5 3 3 模糊控制氧化铝浓度2 5 3 3 1 模糊控制参数自修正2 7 东北大学硕士学位论文目录 3 3 2 下料器故障报警2 7 3 3 3 铝电解槽模糊专家系统2 7 3 3 4a e 模块一2 9 3 3 5 工艺改进2 9 3 4 本章小结3 0 第4 章数据库与监控系统技术开发31 4 1 系统结构的选择31 ，4 1 1 系统硬件结构31 4 1 2 系统软件结构3 2 4 2 电解一系列浓相输送实时动态数据库的开发3 3 4 3 电解三系列浓相输送p l c 控制程序的开发：3 4 4 4 浓相输送控制系统的开发3 8 4 4 1 监控程序结构3 8 4 4 2 设计目标3 8 4 4 3 组态软件w i r l c c 3 9 4 5 电解三系列报表系统的开发4 9 4 6 本章小结5 0 第5 章工程实践验证51 5 1 铝电解槽氟化铝浓相输送控制技术的实践验证5 1 5 2 综合效益评价5 3 第6 章结论5 5 参考文献5 6 致谢5 9 个人简历6 0 v 、。k；， 铝电解浓相输送系统是铝电解生产中的原料供给系统，是电解铝厂生产中十 分重要的环节之一，其运行状况稳定与否直接关系到铝电解槽氧化铝浓度及分子 比的控制，并对电解生产的稳定性及各项技术指标产生重要影响。中铝贵州分公 司电解铝厂先后从瑞士a l e s a 铝业公司引进了两套控制系统采用当时较为先进 的西门子s 5 系列可编程序控制器的浓相输送系统，并于1 9 9 2 年和1 9 9 7 年分别 在电解三系列1 6 0 k a 及电解一系列1 8 6 k a 预焙铝电解槽的生产中投入使用；由 于技术更新，产品已升级换代，现有设备无备品备件，监控系统源代码不开放， 系统通讯故障频发等多种原因，这两套系统已越来越不能满足生产的需要，成为 影响电解铝生产的重大隐患。 另一方面，自二十世纪九十年代以来，以i n t e r n e t 为代表的计算机信息产业 和数据通讯网络蓬勃兴起、迅速发展，对工业自动化领域形成强大的冲击，新型 集散控制系统( d c s ) 、现场总线( f b ) 、工业局域网、企业网等工业计算机网 络大量涌现，数字化、智能化、网络化的潮流势不可挡i l 吲。为顺应企业信息内 部网( i n t r a l l e t ) 发展的需要，要求浓相输送的监控系统具备实时数据库能够共享， 并具有良好的扩充性，可实现信息管理集中化，监控系统网络化。为此，中铝股 份有限公司贵州分公司电解铝厂于2 0 0 6 年开始进行“铝电解浓相输送系统技术 开发项目”的开发工作，先后独立自主及与哈尔滨工业大学共同协作完成了“铝电 解槽氟化铝浓相输送控制技术”及“铝电解槽浓相输送数据库与监控系统技术开 发”两个子项。 投入使用以来的生产运行及测试结果、相关工艺研究结果表明，本项目通过 浓相输送氟化铝控制技术创新开发，结合1 6 0 k a 预焙铝电解槽生产氟化铝添加 应用技术的探索、研究、应用，较好地实现了浓相输送氟化铝的自动控制和按需 添加，开辟了浓相混合输送氟化铝新途径；同时，基于技术在国际上处于领先地 位的西门子工业组态软件w l i l c c 、编程软件s t e p 7 开发完成的铝电解槽浓相输 送数据库与监控系统不仅满足浓相输送生产的监控、报表要求，而且改变了原系 统无法维护，随时可能因系统故障造成系列停产的危险局面，彻底消除了生产中 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的重大隐患，为铝电解槽实现均衡稳定、安全可靠生产，取得较好的技术经济指 标，奠定了扎实的基础。项目开发的整体技术水平达到了国际先进、国内领先水 平，并对本行业同类系统的技术改造有很高的借鉴价值。 1 2 气力输送系统研究概述 1 2 1 气力输送的研究进展 气力输送最早开始于1 9 世纪初，第一个气力输送系统出现在1 8 4 7 年的法国， 当时该系统用于除尘，后来英国人给出了另一种主要用于炼钢的气力输送系统， 这一系统在当时起了很大作用【l 】 气力输送是一项利用气体能量输送固体颗粒的古老而有效的技术，至今已有 1 0 0 多年的历史。理论与实践都证明粉体的气力输送具有机械输送等其它输送设 备所不具备的优越性，如设备简单、布置灵活、易于收尘等等。近几十年，粉体 气力输送技术有了突飞猛进的进步，在稀相悬浮式气力输送方面，研究水平已达 到较高层次，在某些参数计算及其输送机理方面都已达成了共识。但同时，稀相 悬浮式气力输送的不足之处也引起了人们的注意，如所需功率较大、管内料速快、 造成管道磨损十分严重、气固分离量大等。这些弊端给气力输送研究人员提供了 又一研究课题开发一种能耗低、固气比大、气固分离量小、性能更优越的输 送技术，这就是浓相气力输送技术【2 】 。 目前，粉末物料的气力输送十分广泛应用在国民生产许多行业中，如有色行 业的氧化铝输送，建筑行业的水泥输送，食品行业的面粉输送等等。粉末物料输 送技术一般有敞开式( 机械输送) 和封闭式( 气力输送) 两大类【3 】。敞开式输送 技术由于其效率低、能耗高、原料损失大、环境污染严重、设备损耗大、自动化 程度低，目前已经成为各行业节能降耗和改善生产环境的主要问题。而封闭式输 送属无泄漏输送技术，多采用气力使粉末物料和各种添加剂在充分流态化状态下 进行传送，可以做到原料损失小、无二次污染。气力输送是一项综合技术，涉及 流体力学、材料力学、自动化技术、制造技术等领域，属高新技术项目，是适合 散料输送的全封闭型管道输送技术，具有布局灵活，便于物料输送和回收、高效 及节能的特点，并且适合于采用计算机控制，提高自动化程度1 4 j 。 有色行业铝电解的生产控制系统，主要由氧化铝输送及电解槽的控制两大部 分组成。而氧化铝的输送自动控制系统一般包括由散料库到车间日用仓再到各电 解槽料箱，其中前者为氧化铝远距离输送控制，并且在输送过程中，还要求将氧 化铝自动分配到各槽料箱中去。实现这两部分输送的自动化对于提高铝厂劳动生 产率十分必要。我国目前的各铝厂氧化铝输送基本采用皮带输送、稀相输送和天 车加料结合的方法，这种方法效率低、能耗高、原料损失大、环境污染严重、设 - 2 二 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 备损耗也大，还经常破坏电解槽的工艺制度。鉴于以上原因，各铝厂均正在或准 备在对铝电解工艺进行计算机自动控制【5 】，否则，无法满足浓相、超浓相输送的 工艺要求。 低速浓相输送装置的出现解决了物料在输送过程中易破碎或堵塞和磨蚀管 道等难题，降低了耗气量【6 】。但是这些投入使用的浓相输送系统由于对物料的输 送量无法进行连续调节，致使输送系统经常破坏下一生产过程的工艺制度。而粉 末物料的浓相输送过程，是一个比较复杂的可压缩的气力输送过程，必须从流体 力学、两相流理论等对其进行详细的分析、测量、建模与计算，才有可能做到对 其输送物料的流量精确控制【7 1 。所以要想找到一个通用性很强的反应输送特性和 阻力特性的公式很难，对于不同的场合、不同的输送介质，有必要做专门的实验 获得相应的规律。另外，对于已经得出的经验公式来说，精度还有待于提高，对 经验公式中的一些重要参数要根据具体的流动特征进行必要的修正。但即便这样 的模型建立起来也存在很大误差，并且一旦物料发生变化或工艺管道变更则模型 必须重新建立。 因此，虽然粉末物料的无泄漏输送技术在国内有些行业得到了一些应用，但 由于其在输送、控制方式和效率上尚未达到实际使用的要求，致使该项技术没有 得到普遍的应用，并没有使企业实现真正的节能降耗和改善生产环境。 1 2 2 气力输送方式 在铝电解生产中，氧化铝输送是非常重要的一个环节。尤其是在大型预焙槽 生产中，难以使用人工加料，氧化铝输送的顺利与否将直接影响电解槽的正常生 产。氧化铝的物理性能，对于保证电解过程正常进行和提高烟气净化效率，关系 非常大。一般说来，要求氧化铝具有较小的吸水性，能够较多较快地溶解在熔融 冰晶石中，飞扬损失少，能够严密地覆盖在阳极炭块上，防止阳极氧化，具有良 好的保温性能。在干法净化中，要求氧化铝具有较好的活性及足够的比表面积， 从而能够有效地吸收耶气体，这些物理性能取决于氧化铝晶体的晶型、粒度和 形状。不同的输送形式对氧化铝料的物理性能特别是粒度和形状有很大的影响。 物料的输送从动力来源看，可以分为机械式输送和气力式输送两大类。机械 式输送又可分为斗式提升机垂直提升，皮带式输送机和小车轨道式输送机等几种 形式。这几种输送形式广泛应用于各种工业生产中，技术上比较成熟可靠，输送 过程中，对氧化铝的质量影响较小，使氧化铝不易破损，对电解生产较为有利。 但机械式输送也有其难以克服的缺点。输送设备投资大，运行、维修费用高，运 输过程中氧化铝的飞扬损失较大，对设备的工艺配置也有较高的要求，从而影响 设备的灵活配置，输送设备基建投资费用也比较高。从电解铝生产的整个发展过 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 程看，机械式输送有被气力式输送逐渐取代的趋势。 气力输送就是利用高速气流在管道中运送粉、粒状物料。工艺配置比机械式 输送灵活，容易实现氧化铝的长距离输送，且设备的投资、运行、维修费用与机 械式输送相比较更为经济实用，还便于实现计算机自动控制，更加适合于大型预 焙槽生产。由于气力输送设备的全封闭性，也使整个输送过程不会出现粉尘飞扬 的现象，不会造成环境污染。 物料的气力输送按固气比不同可分为：稀相输送、浓相输送和超浓相输送。 当气流中颗粒浓度在0 0 5 ：l 以下，固气混合系统的空隙率占 o 9 5 时，称为稀相 输送；当气流中颗粒浓度在o 2 ：1 以上，固气混合系统的空隙率占 j ；过阶段3 0 分钟，船2 石备y 。 此策略有以下几个特点： ( a ) 在2 旺1 1 0 分钟内平均凇可； ( b ) 加为连续值； ( c ) 希望控制的理想曲线为平( 正常) 升( 欠) 一降( 过) ，如图3 5 。 、 图3 5 理想控制线 f i g 3 5 i d e 甜c o n t r o lc u r v e ( 2 ) 模糊规则 。 总共有二套模糊规则。一个为阻差一斜率规则主要用于判断a e 趋势，修 改中间过渡时的n b 。缺点是无法判断曲线运行在左边还是右边。另一个为过一 。 欠规则。输入为三阶段( 正常、欠、过) 的曲线形状，输出为浓度的高低( n b 的大 小) 和下料器的好坏。例如： i f 正常；平a i l d 欠= 升a i l d 过= 降协e n 浓= 正常 i f 欠= 降l e n 浓度= 高 其中，平、升、降、正常、高均为模糊子集。 2 6 东北大学硕士学位论文第3 章基于模糊控制的氧化铝浓度控制 系统在初始运行时，以初始n b 开始，模糊控制不断地走这4 个阶段。不断 寻找“最佳”的 僻。不断靠近“低”浓度，又不发生彳e ，直至走出“平一升一降”的 理想曲线。运行结果统计表明，每天每台槽走出6 8 次全过程，其电流效率就达 到一个非常高的水平，也表明了控制效果的好坏。 3 3 1 模糊控制参数自修正 随着槽况的变化，相同的控制参数控制不同的槽。得到的效果也不同。为了 达到好的控制效果，因槽而异，特设计了模糊控制参数的自修正模块。使其适应 不同槽的不同时期的不同状况。举例来说，正常槽和病槽控制参数就应该不一样， 下料器由四点下料变成一点下料时参数应变。而一旦下料器修好则参数又应变回 来。参数自修正模块采用规则系统，分为两级，第一级推出浓度的高低。第二级 由浓度的高低推出修改的参数，参数的修改有优先级，每次取优先级大的参数修 改，同时降低其优先级，这样，下一次同样的情况将选另一级参数进行修改。本 模块在午夜1 2 点、发生彳e 或肛等待失败等情况下触发推理，自动修改参数， 提高模糊控制的品质，适应情况的变化。 3 3 2 下料器故障报警 在过欠模糊规则中，其中一个输出是下料器坏，只要隶属度足够大，就可 认为是下料器有问题，将此信息上传至监控站。监控站进行语音报警。此外。根 据槽运行曲线及控制效果，采用规则系统。判断下料器是否有故障。例如：如果 连续几次过欠的正常凇均小于某一个数。且仍有彳e 趋势则下料器有问题这样， 一旦下料器发生故障，如无料、堆料等，通过语音报警，工人就可迅速处理。不 影响生产。 3 3 3 铝电解槽模糊专家系统 按照铝电解规程，每天上午工区长要根据对各槽的了解情况，决定各槽一天 a 1 2 0 3 下料量、出铝量、设定电压等。在一定程度上。工区长水平的高低、经验 的多少，决定了所作决策的正确性。为此，我们专门收集了各班组长、工区长、 车间主任、总工程师的经验，形成了铝电解槽模糊专家系统。每天由专家系统代 替工区长作出决策。 一个标准的模糊规则如下： i f 符号件1 = 符号1a n d 模糊件2 = 模糊子集2 a i l d 符号件3n o 产符号3 也e n 符号件4 = 符号4a n d 模糊件5 = 模糊子集5 - 2 7 东北大学硕士学位论文第3 章基于模糊控制的氧化铝浓度控制 w t h 可信度= e f 图3 6 是专冢系统框图 f i g 3 6 d i a g r 锄o f e x p e r ts y s t e m 其中，符号件表示取值为符号，模糊件取值为某一个模糊子集，n o t 是否定 词，可信度取o l 之间的数。输入件表示输入信息，输出件表示输出信息，中 间件表示推理的中间结果。如： i f 电解温差= 较高a 1 1 d 温度趋势= 大升a n d 分子比差= 较高 廿l e n 日a l f 3 量= 很多a i l d 槽况预报= 热趋势 w m 可信度= o 9 ( 1 ) 输入 ( a ) 实际值。如t = 9 4 5 ( b ) 模糊子集。如t - 比较高 ( c ) 符号，如槽况信息= a 1 f 3 每个输入均有一可信度，可供输入的因素有电解温差、两水平差、分子比差、 温度趋势、情况信等，全部是人类专家在作推理用的信息 ( 2 ) 推理 推理采用m a x m i i l 方法 ( 3 ) 评判 评判采用最大隶属度法、加权平均法和面积重心法三者之一。结果将输出( 实 际值、可信度) 和( 符号，可信度) 序对。 ： ( 4 ) 输出 主要输出日a 1 f 3 下料量、设定电压增量、出铝增量、槽况预报和么e 模块 _ 2 8 - 由于引入了优化专家系统，使同一套规则可适应不同的槽及同一槽的不同状况。 比如，槽龄的长短，规则系统也不一样，同样是a l f 3 下料量，其模糊子集“多” 的概念也不一样。通过修改参数，很好地解决了这一问题。 3 3 4a e 模块 传统的彳e 思想是每台槽每隔小时自动进入效应等待，的大小由人根据 每台槽自身情况手工设定。有许多因素影响a e 管理，如炉底沉淀。比电阻高低， 阳极质量。氧化铝质量供电情况等。而来一次彳e ，可清洗阳极底掌。消耗炉 底沉淀，净化电解质液，增加电解质量，检测氧化铝浓度等，应视具体情况而定。 在模糊专家系统中，取消了传统的小时自动进入a e 等待。每天，专家系 统根据槽运行情况。决定每台槽是空料无a e 还是停料等a e ( 1 ) 空料无a e ( 模拟a e ) 空一段时间料若在空料期间有彳e 趋势则退出进入正常模糊控制。这 是对槽进行的一种温和的处理。 ( 2 ) 停料等彳以按需彳目 停止下料，直至来a e 或时间到等价于原来的效应等待，但效应间隔不是 由人定，而是由专家系统根据槽况自动定。 ( 3 ) a e 排队原理 为了避免同时安排多个槽进入停料等彳e 状态，在监控站设计了一个a e 排 队策略。监控站总共有个许可。每一天在专家系统推理结果中有停料等a e 的槽其可信度大的前个取得许可其它进入等待队列。若某台槽来了么e 或 时间到。就将许可交还给监控机，监控机安排等待队列中可信度最大的进入停料 等彳e 。以此类推直至全部安排完毕。 3 3 5 工艺改进 模糊控制系统的使用对原有铝电解的工艺带来了许多新的观念。 ( 1 ) 出铝、换极来4 e - 由于浓度控制在很低的范围，一旦出铝或换极，便导致彳e 频频发生。因此， 方面在出铝、换极前要多下料，另一方面通过参数自修正，使其浓度控制不要 2 9 东北大学硕士学位论文 第3 章基于模糊控制的氧化铝浓度控制 太低，免诱发效应。 ( 2 ) 出铝、换极后的物料平衡 同样由于在低浓度处运行依传统的作法，在出铝、换极后要根据经验计算 相当于加了多少料以此来空料若干分钟结果也导致出铝、换极后来彳e 。解 决的办法是在空料的若干分钟内，使用模糊控制进行监控，一旦有4 e 趋势，立 即转入正常控制，以此减少出铝，换极后效应。 ( 3 ) 么e 等待 传统的作法会每隔几十个小时就让一台槽进入效应等待而不论其状况如 何。模糊控制的引入，专家系统对槽况的判断、预测、处理，不必使用么e 来判 断槽的好坏。各槽根据需要来么e ，不需要则不安排a e 。 3 4 本章小结 针对控制对象复杂性、非线性等特点，本文提出了使用模糊控制系统来控制 氧化铝浓度的方法，它不但可以获得最佳控制规则，而且响应速度快。模糊专家 系统，既能像模糊逻辑那样表达近似与定性知识，又具有专家系统的经验。实际 运行结果表明，该控制器能够对氧化铝在一定范围内进行协调优化时实控制。 - 3 0 ， 东北大学硕士学位论文第4 一章铝电解浓相输送数据库与监控系统技术开发 第4 章数据库与监控系统技术开发 4 1 系统结构的选择 4 1 1 系统硬件结构 在充分考虑结构简单、经济实用、开发周期短等设计原则，并结合一、三系 列原浓相输送监控系统的实际情况后，本项目在一、三系列分别采用了两种不同 的计算机硬件构成方案。 ( 1 ) 电解一系列结构 、 下位机包括布线不作任何改动，沿用原p l c 和订y 通讯转换器，硬件上采 用一台工控机取代v 舣3 3 0 0 和两台4 8 6 监控站。两个p l c 本地站通过两个串口 与工控机相联。结构如图3 1 。 工控机 编程器 东区就地控制站 西区就地控制站 图4 1 一系列系统配置图 f i g 4 1t h es y s t e mc o n f i g u r a t i o nm 印o f s e r i e so n e ( 2 ) 电解三系列结构 电解铝厂三系列原浓相输送监控系统由主控室及两个现场i o 站组成，所有 现场的输入输出信号均进入现场i o 站中的3 2 点输入输出模块，每个i o 站中 还有一个4 点的模拟量采集模块，用于采集配料秤送来的下料量数据。另外通过 - 3 1 - 东北大学硕士学位论文笫4 章铝电解浓相输送数据库与监控系统技术开发 远程适配器模块，主控室中s 51 5 0 uc p u 和现场i o 站的输入输出模块进行数 据通讯，通讯距离分别为4 0 0 m 和2 0 0 m 。主控室中还有一台w f 4 7 0 监视器，负 责完成系统的监控任务。一台p c 机作为打印服务器通过串口接收来自p l c 的数 据。 因浓相输送控制系统的两个现场控制室设备目前运行状态良好，并有备件， 经分析论证，综合考虑成本、生产等各种因素，在本项目的开发过程中，决定采 用如下方案： 两个i o 现场站不做任何变化，将主控室中的s 5p l c 全面升级为s 7 ，利 用s 悯i c 通讯接口模块m 4 6 3 2 实现s 7 与两个i o 现场站之间的数据交换， c p u 选型为s i m a t i cs 7c p u 4 1 4 2 d p 。 由于浓相输送监控系统设备的运行工况为2 4 小时不间断运行；s 5 主控室所 处地点磁场特别强；温度变化大；故上位机选用具有较强稳定性和较高可靠性能， 能够长时间不间断的在过热的环境下工作的研华工控机。显示器选用1 7 寸液晶 显示器。为尽可能提高数据传送速度，满足系统监控系统的实时性要求，上位机 和s 7p l c 采用p r o f i b u s 总线方式进行通讯。 重新开发报表系统，通过以太网与上位机相联。 该方案的另一优点是：因通讯接口模块蹦4 6 3 2 与原远程通讯适配器模块的 连接插头完全一样，位于主控室的原监控系统可作为备用系统，两套系统间的切 换非常方便。既方便了新系统的调试，又最大可能地保证了生产的安全性。 在工控机内安装一块网卡，将该工控机接入局域以太网，可实现监控系统实 时数据库的共享。另在工控机上安装服务器密钥，在局域网上任何一台计算机上 安装w i i l c c 组态软件，即可构成多用户系统，进入监控系统画面，完成各种操 作。方便管理者对生产和现场操作人员进行实时监控。工控机既作为w 洫c c 服 务器，同时又是现场操作站。打印服务器通过集线器与w i n c c 服务器连接，完 成打料量报表的显示和打印。结构如图3 2 所示。 4 1 2 系统软件结构 本次设计以w i 卜m o w sn t4 0 厂w 玳d o w s2 0 0 0 为操作系统，用西门子 w i n c c 工业控制组态软件作为开发平台，a n s ic 及v b 6 0 编程语言为辅助开发 工具，同时在电解三系列采用e x c e l 内嵌的v b a 编程语言开发报表系统，开 发浓相输送上位机监控系统。 3 2 图4 2 三系列系统配置图 f i g 4 2t h es y s t e mc o n f i g u r a t i o nm a p o f s e r i e st h r e e 4 2 电解一系列浓相输送实时动态数据库的开发 为更有效地监控、管理浓相输送系统，全面掌握输送系统工艺及设备的运行 情况，以及为工艺管理和设备故障处理提供相关参数和数据，我们在详细分析 a l e s a 浓相输送控制程序，以及总结浓相输送系统几年运行管理和设备故障处 理经验的基础之上，采用西门子s t e p 5 软件及编程语言作为开发工具，分别在 东、西区就地控制站的两套可编程序控制器( s 5 1 5 5 up l c ) 中，按照工艺和设 备上的需求，开发了浓相输送实时动态数据库。浓相输送实时动态数据库的结构 如图4 3 所示。 ( 1 ) 压力容器( p v ) 数据库 可有效地监视与管理浓相输送关键设备压力容器及相关设备的输送物 料的运行情况，及时发现压力容器及相关设备出现的异常与故障。压力容器包括 东、西区不同规格的共1 4 个。 - 3 3 - 东北大学硕士学位论文第4 章铝电解浓相输送数据库与监控系统技术开发 ( 2 ) 电解槽物料输送数据库 其中包括状态、控制、信息三类不同的数据库。该数据库满足了对1 3 8 台电 解槽输送氧化铝、氟化铝过程监视与控制的要求。 ( 3 ) p l c 输入输出开关量数据库 东、西区就地控制站p l c 输入输出开关量数据库的内容包括：东、西区p l c 的全部3 6 0 0 多个输入输出开关量，在每一个p l c 程序循环周期，将这些数据传 送到数据库。该数据库内容是其它数据库主要的来源依据。 ( 4 ) p v 输送记录数据库 按照输送时间、输送p v 号、平衡阀动动次数、加料时间、输送时间、排气 时间、输送料仓号、输送物料种类、输送过程是否中断、输送结果等项内容，实 时记录输送系统中发生的每一次输送过程，并实时传送到数据库中。该数据库是 查询报表系统的原始数据库。 ( 5 ) 报警信息数据库 报警信息数据库主要内容有受控阀件报警、工作中止报警、加料异常报警、 p v 报警、其它相关设备报警等。该数据库是上位机报警系统的数据来源。 浓相输送实时动态数据库 压力容器 数据库 电解槽输 送数据库 输送记录 数据库 输送状态 数据库 输送控制 数据库 输送信息 数据库 报警 数据库 报警信息 数据库 设备报警 数据库 i o 变量 数据库 图4 3 动态数据库 f 培4 3p y i l 锄i cd a t a b 嬲e 4 3 电解三系列浓相输送p l c 控制程序的开发 系统信息 数据库 西门子s 5 1 5 0 u 可编程序控制器，其采用的编程语言为s t e p 5 ，该语言分 为l 、c s f 、s t l 三种编程方式，三系列浓相输送系统采用的是功能最为完善 3 4 东北大学硕士学位论文 第4 章铝电解浓相输送数据库与监控系统技术开发 的s 1 1 语句表方式。s t e p 5 将程序分为组织块o b ( o 玛a 毗撕0 nb l o c k ) 、程序 块p b ( p r o 鲜匝b l o c k ) 、功能块f b ( f u n 嘶o nb l o c k ) 、数据块d b p 疵lb l o c k ) 。其 中o b 是整个程序的开始，p b 是将各项控制任务组合在一起，f b 是实现各种具 体的功能，d b 是用于存放各种参数、地址等，如图4 4 、图4 5 所示。 图4 4 组织块o b l f i g 4 4o 唱a n i z a l i o nb l o c ko b l 图4 5 数据块d b 8 l f i g 4 5d a c ab l o c kd b 8 1 各种块之间的调用关系如图4 6 所示。 3 5 - 东北大学硕士学位论文第4 章铝电解浓相输送数据库与监控系统技术开发 东北大学硕士学位论文第4 章铝电解浓相输送数据库与监控系统技术开发 制了新的控制程序，保证了原有的控制功能的实现。 采用以上方法，我们顺利完成了s 7p l c 控制系统设计与实现。再根据硬件 实际配置进行组态，同时转换地址表，完成了整个转换工作，建立s e t p 7 系统 下项目如图4 7 所示。 ，蛐脚姗耻h 一蚋mi i 。 一一? ! ! d 1 喀：嚣 l 工| 叫利lf l i ll l f i 譬蕾由j 曩i 麓品丐冀 蟹! 雪龟目田 瞧j ：吕目j r “豳s r l t “ 口硼。田o 哪。幅。哪 号嚣麓磐 o m口唧口咄。船。种。心 口mo ho 目口ho no m - 知甜h 堆- n j口m i 口j m口o m 口m 5o m 器羞 o 肼。崩o 咖。脚口船。晓 口o i 口口，o 口m o 日口i 口o no i 口m 口，晡o c io l 断o ，田o l c 口， d 咖。胧。嗍口聃。聃。聃 d 肼。删。聃。嘲。恕。脚 口_ d 日口目o w 口n o m 口m l口m口mo _口m口m 口肼口朋口艏。栅。枷。肺 d m口o mo no w口m 口棚。删。魄。腻 口确口麒 口删口髓帕口脚。托吼口阳爱o m d 惜口脚口脯o l口蠢口嘲 口_口嵋口_o -口取io i 眦 口口口期i口柚io mo 期t口m d m口mo