（检测技术与自动化装置专业论文）模糊自适应控制在铝电解精准出铝系统中的应用.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 铝电解生产工艺的一个主要环节是出铝。由于生产工艺条件的限制，在国内的铝电 解生产企业中目前还采用多台电解槽吸出的原铝装入一个抬包，计抬包总重量的方法出 铝，出铝的计量工作也靠人工计量和人工填单。这种计量方法给铝电解生产管理带来了 不便，因为生产管理人员无法得到准确的单槽出铝数据。因此对于铝电解出铝操作 ( t a p ) 而言有两个问题亟待解决，单槽出铝量的准确计量和单槽出铝精度的自动控 制。 要解决这两个问题不仅要用到自动控制和检测、计量技术，还要了解和掌握铝电解 生产工艺、出铝操作特点和出铝工艺设备的性能。 本论文的研究课题依托“铝电解多功能天车t a p 精准控制系统开发”项目，实现 了该项目的核心部分。采用基于单摆模型和数字滤波技术的晃动计量方法解决了单个电 解槽出铝量的准确计量；在此基准上经过分析与研究，采用模糊自适应控制技术解决了 单个电解槽出铝自动控制问题。 论文首先介绍铝电解工艺和出铝操作的特点，分析了影响出铝操作的因素。论文第 三章介绍了铝电解多功能天车精准控制系统的结构、功能和实现技术。第四章论述了模 糊自适应控制的理论基础与特点以及单变量模糊自适应控制器的设计。第五章列举了相 关的实验数据及结果，最后进行了总结。 论文对出铝量的准确计量和出铝过程的自动控制方法进行了深入的分析与研究，讨 论了基于流速辨识的模糊自适应控制技术在电解槽出铝过程中的设计要点和实际应用效 果。 关键词：铝电解，模糊自适应控制，精准出铝系统，流速判断 北方工业大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o no f f u z z ya d a p t i v ec o n t r o l i na c c u r a t ea n de x a c t a l u m i n u m l i q u i ds i p h o n s y s t e m a b s t r a c t o n eo f m a i no p e r a t i o ni na l u m i n u me l e c t r o l y s i si sa l u m i n u ml i q u i ds i p h o n ，a st h er e s u l to f r e s t r i c to f t e c h n i q u e si np r o d u c t i o n ，n o w a d a y s , p l a n t so f a l u m i n u me l e c t r o l y s i st a k et h em e t h o d s t h a tu s i n go n ea l u m i n u mt a n kt 0a c q u i r ea l u m i n u ml i q u i do f t h r e eo rf o u re l e c t r oh a t h , a n d c o u n t t h e t o h a l w e i g h t o f t h e t a n k w i t h m a n u a l o p e r a t i o n t h i s o p e r a t i o n b r i n g m u c h d i s a d v a n t a g ei ne l e c t r o l y s i sm a n a g e m e n t , f o ra d m i n i s t e r so f p l a n tc o u l d n ta c q u i r et h er e a ld a t a o f a l u m i n u mo f o n ee l e c t r ob a t h s ot w om a i np m b l e m sw a st a k e no u ti nt h ep r o c e s so f p r o d u c t i o n , w h i c ha l em e a s u r i n gt h em a s so f a l u m i n u mi no n e b a t ha c c u r a t e l ya n dc o n t r o l l i n g t h ep r e c i s i o ne x a c t l y t os e t t l et h e s et w op r o b l e m sn e e d n o to f l ym a s t e r yo f a l u m i n u ma n de h a m c t e ro f s i p h o n o p e r a t i o na n dt h ee q u i p m e mb u ta l s of a m i l i a r i t yo f t e c h n o l o g yo f m e a s u r e m e n ta n da u t o m a t i o n t h er e s e a r c ht a s ko f m i n eb a s eo nt h ep r o j e c t a c c u m t ea n de x a c ta l u m i n u ml i q u i d s i p h o n s y s t e m o f s t e e l y a r d o f m u l t i f u n c t i o n a l c r a n e ，a n d a c t u a l i z e t h e k e y p a r t s o f t h e p r o j 。吐t h e m e t h o d o f m e a s u r e m e n t w a s u s e d b a s e d o n t h e m o d e | o f s i n g l e p c n d u l u m a n d n u m e r i cf i l t e r a n df u z z ya d a p t i v ec o n l m lw a sa p p l i c a n ti nt h et a s kt os e t t l 6t h ea u t o m a t e d s i p h o nw i t l la n a l y s i sa n dr e s e a r c h f i r s to f a l l ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e ro f t e c h n i q u e so f e l e c t r ob a t hp r o d u c t i o na n d t h e l i q u i ds i p h o n o p e r a t i o n t h e n i n c h a p t e r t h r e e , a c c u r a t e a n d e x a c t a l u m i n u m l i q u i d s i p h o ns y s t e mw a si n t r o d u c e d , w i t hc o n s t r u c t , f u n c t i o na n dr e a l i z a t i o n i nc h a p t e rf o u r , d i s c u s s i n gt h et h e o r yb a s i so f f u z z ya d a p t i v ec o n l r o l ，h i g l l l i g h to nt h es i n g l ev a r i a b l ef u z z y a d a p t i v es y s t e m t h ea p p l i c a t i o no f f i t z z ya d a p t i v ec o n t r o lw a sd e s c r i p ti nc h a p t e r f i v ea n d s o m er e s u l to f e x p e r i m e n tw a sl i s t e di nc h a p t e rs i x a tl a s t , c o n c l u s i o no f e s s a yw a sm a d e t h e p a p e r t o o k 也o m u g h a n a l y s i s a n d r e s e a r c h o f w e i g h t m e a s u r e m e n t a n d a u t o m a t i o n i n s i p h o no p 删o n a n d d i s c u s s c dt h ef u z z ya d a p t i v ec o n t r o li na l u m i n u ms i p h o no p e r a t i o na n d g e tt h er e s u l tb a s e do nt h ev e l o c i t yi d e n t i f i c a t i o n k e yw o r d s ：a l u m i n u me l e c t r o l y s i s ，f u z z ya d a p t i v ec o n t r o l ，a c c u r a t ea n de x a c t a l u m i n u ml i q u i ds i p h o ns y s t e m ，v e l o c i t yi d e n t i f i c a t i o n 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j i 友王些盘堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 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。 学位论文作者签名：趸花签字日期：驴年，月f 旧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解l e 直王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，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。本人授权j b 友王些太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：五配导师签名：易约黟经多豸 签字日期：跚月f 日 签字b 期：口# 年z 月i 瑁 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 北方工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 在铝电解生产中，电解槽作为一种生产设备，具有至关重要的作用。 电解槽运行期间，液态的金属铝( 原铝) 以一定的速度在阴极上析出、积累。为了 维持电解槽最佳的生产技术条件，产出的原铝应定期取出( 大型预焙铝电解槽一般每天 一次) 。单个电解槽的出铝量是直接反映生产效率的主要技术指标。管理人员也通过调 整单槽的出铝量来保持铝电解槽在生产过程中的能量平衡、物料平衡及物理场平衡 【i 心。 因此，出铝是铝电解生产的重要常规工作之一，出铝过程的规范操作和按计划准确 出铝有利于电解槽技术条件的稳定。其操作质量的好坏，尤其是出铝精度的掌握，将对 铝电解槽的生产运行状况、技术经济指标完成情况等多个方面产生直接和重要的影响。 由于单个电解槽的出铝工作、出铝数据一直是由人工操作的，因此，很难得到单个 电解槽出铝数量的实时、准确数据，更无法采用计算机进行控制。然而，单个电解槽原 铝的吸出一直是通过人工操作完成的，出铝数据是在出铝工作完成后人工记录的。单个 电解槽的吸出数量与吸出精度始终是铝电解生产管理中的一个“盲区”。这种机制的漏 洞是操作工虚报、瞒报出铝量，导致管理人员无法根据出铝量得到电解槽运行；状态，进 而影响了对电解槽的运行考核和管理。 根据这种情况，中国铝业集团科技部提出紧密结合铝电解生产特点，设计铝电解精 准出铝系统，并且有针对性地提出了两大目标：单个电解槽出铝数据的准确计量与出铝 过程的自动控制。 该系统使得在大规模生产状况下单个电解槽的跟踪统计问题得以根本解决，能够进 一步满足铝电解槽优化管理、改进工业技术条件的需求。该项目适合于铝电解槽生产过 程中的计划、统计管理，精确控制生产成本，最终达到提高电流效率和电解槽寿命、实 现工业生产过程的现代化管理、提高劳动生产率的目的，为企业创造更高的经济效益。 该系统使用上、下位机结构的计算机控制体系来管理和控制出铝操作，通过无线数 传电台来完成出铝过程数据的实时计录。可以根据生产管理部门设置的计划出铝量，对 单个电解槽进行实际出铝量计量、出铝精度的控制、数据统计与报表等；还可以通过计 算机网络实现数据共享和信息化管理。 j e 方工业大学硕士学位论文 1 2 课题的研究意义 本研究课题作为铝电解精准出铝系统中的一部分，主要针对出铝操作的生产特点， 研究以下两个问题：单个电解槽出铝量的准确计量和出铝过程的自动控制。 在原铝的出铝操作中伴随着电解槽槽电阻的变化。过多或者过少的吸出原铝，都会 造成电解效率的降低和经济效益的损失。每天，由工艺管理人员来设定每台电解槽的应 吸出数量( 指示量) 。现场操作工按照指示量进行出铝作业。受人为操作的原因和操作 工的熟练程度影响，并不能保证每台电解槽都是准确按照指示量吸出的。从而对铝电解 的生产管理与电解槽的工艺控制都带来一定的负面影响。 特别注意的是，生产现场一般将3 4 台电解槽的原铝吸入一个出铝抬包中，使用 天车秤只能对抬包的总重量进行考核。操作工有时在前几台电解槽出铝时漫不经心，却 在最后一台电解槽找平总量，表面上出铝总量似乎符合，实际单个电解槽的出铝数据已 经面目全非。这样，给生产技术管理带来混乱，甚至恶化槽况，危害极大【j j 。 电解槽炉膛形状对于电解生产有着极为重要的意义，它是影响铝电解槽生产过程平 稳与否的重要因素。规整、合适的炉膛不仅可提高铝电解槽的能量利用率，降低电耗， 而且能增强铝电解槽的自调节能力，确保生产平稳，利于产量、效率等技术经济指标的 进一步提高。在铝电解实际生产中，还无法在线精确检测电解槽的槽帮1 形成情况，只 能依靠生产管理人员的经验和某些代用特征值加以大致判断，其中出铝工作过程中的吨 铅电压变化量2 就是实际生产中判断电解槽炉膛大小的一个重要的代用特征值。吨铝电 压变化量小，炉膛相应较大；反之，炉膛相应较小。然而常规的出铝工作中由于存在出 铝精度由人为控制，受操作工经验、水平差异的影响较大，难以准确计量单个电解槽的 实际出铝量等问题，所获取的吨铝电压变化量的可靠性显著降低，无法为生产操作提供 准确的指导。 目前，国内铝电解工业的整体计量水平还不高，绝大多数铝电解企业现在使用的主 要物料计量系统受到强电流磁场的干扰和影响会产生不稳定的计量误差，强磁场、多粉 尘环境下的无线数据传输也没有成熟的案例。 国外进口专用电子天车秤能满足组网和计量要求，但价格比国内同类产品高十多 倍，配件价格高昂，难以及时维护，很少被国内铝电解厂采用。国内有些厂家的铝电解 - 槽帮，是指沿槽壁四周内壁建立起的固体结壳，能够阻止电流从侧壁通过，减少电解槽热量损失。 2 吨铝电压变化量，是指每从电解槽中吸取1 吨原铝所导致电压升高的绝对值。 2 北方工业大学硕士学位论文 槽出铝计量装置，计量精确虽然符合计量要求也可以满足组网要求，但两者都不具备自 动控制出铝的功能。 对铝电解多功能天车秤的特点，结合出铝操作中的工艺特点，研究了晃动计量方法 与出铝过程的自动控制系统，解决了上文提到的准确计量和自动控制。对于铝电解的节 能生产与企业信息化管理，也有一定的促进作用。 1 3 课题的任务 课题的目标是根据出铝操作的特点，研究单槽出铝量的精确计量与精准控制问题。 对模糊自适应控制理论与实现方法作了相关研究。 主要有以下几个方面： 夺了解和掌握铝电解工艺和出铝操作特点； 设计数据采集部分； 研究影响出铝控制精度的因素； 令利用晃动计量的数学方法与数字滤波算法完成单槽出铝数据的精确计量； 夺采用模糊自适应控制方法对出铝过程进行自动控制，设计模糊自适应控制器； 夺大量分析人工出铝过程的数据后，优化参数，提高出铝精度。 实现的步骤如下： 为了解决出铝过程的实时数据采集，首先完成了精准出铝系统的数据采集部分的设 计与集成。利用数据采集系统分析了出铝过程的特点，研究解决精确计量问题的方法。 在得到出铝过程的准确数据的基础上，研究对出铝过程进行自动控制的方法。i 1 4 小结 本章简要介绍了论文的研究内容、方法与意义，接下来在第二章中介绍铝电解工艺 特点，重点介绍出铝操作过程。第三章重点讲述精准出铝系统的硬件设计。在第四章 中，讨论了模糊自适应控制在精准出铝系统中的应用。第五章中列举了相关的实验结 果。 3 北方工业大学硕士学位论文 2 出铝过程分析 2 1 铝电解生产特点 2 1 1 综述 铝是兼备多种优良特性的轻金属，被广泛应用于电气、交通运输、建筑、轻工、冶 金以及军工等行业，成为关系到一个国家经济命脉的工业原材料之一。由于铝的化学性 质活泼，在自然界中从未发现游离态的铝，而只有氧化态的铝化合物，铝土矿是现代铝 工业上的主要炼铝原料。铝第一次被提取至今还不到二百年，但铝冶金发展较快。1 8 8 6 年美国霍尔( n a n ) 和法国埃鲁椒q - i e r o u l t ) 请了冰晶石氧化铝熔盐电解法专利，开创了电 解法炼铝阶段。电解法炼铝工艺分为两大组成部分：原料( 包括氧化铝、冰晶石、氟化 盐及碳素材料) 的生产和金属铝的电解生产【l 】【4 】。 世界铝电解工业的技术及装备水平已在槽容量、自动控制和环保方面取得很大的发 展。近些年来，由于计算机技术发展，使槽的设计更加合理和大型化。预焙槽和大电流 容量电解槽开始广泛使用，在同等规模下减少了槽数量，降低了投资和成本，提高了生 产率，取得了良好的技术和经济指标。 我国的铝工业是建国后建立并发展起来的，经过4 0 多年的发展，近十年全国出现 了空前的扩建和新建铝电解热潮。原铝是指电解槽中生产出来的纯铝，它不包括铝合金 以及再生铝。现在世界上有4 3 个生产原铝国家和地区，美国、中国、俄罗斯、加拿大 等国为主要产铝国家。中国的原铝产量2 0 0 1 年为3 6 0 万吨，屠世界前茅【l 】，铝产量的 增长还有很大的潜力例。 由于铝的生产最主要的阶段是在电解槽中完成，因此对铝电解槽的生产管理和生产 操作就成为重要的工作之一。在铝厂中，电解槽排成长行，称之为槽系列。最初电解槽 是纵向排列的，随着工业和科学技术的发展现代电解槽通常是横向排列，其目的是为减 轻不良的磁场影响。理想的铝电解槽应该控制在最佳的恒定运行状态。铝电解槽自身内 部复杂的物理化学过程和各种外界条件和作业的干扰，形成了复杂多变的槽况特征，这 给生产操作带来了很多难题。 铝电解槽发展过程自1 8 8 8 年冰晶石氧化铝熔盐电解炼铝方法用于工业生产以来， 电解槽便是电解炼铝的核心设备。一百余年来，铝电解的生产技术有了巨大的发展，电 解槽的结构和容量也有重大变化。冰晶石一氧化铝熔融盐电解法炼铝是在铝电解槽内进 行的。 一d 北方工业大学硕士学位论文 基本原理如下：在铝电解槽中，采用以冰晶石为主体的熔融电解质作溶剂，以氧化 铝作为溶质，以碳素体作为阳极，以铝液作为阴极，通入强大的直流电流后，在n 0 9 7 0 下，在两极( 阳极和阴极) 上发生电化学反应，在阳极上得到气态物质，在 阴极上得到液态铝，其过程为： 2 a l 2 0 3 + 3 c 4 a i 十3 c 0 2 ( 2 _ 1 ) 在强大的直流电流( 系列电流) 作用下，槽内熔体维持在9 5 0 9 7 0 的正常电 解温度。铝电解槽上的集气罩用于收集阳极气体，阳极气体经由烟道进入净化系统净化 后，废气排入大气，收回的氟化物返回电解槽。随着反应不断进行，电解质熔体中的氧 化铝、固体碳阳极不断被消耗掉，因此，生产中需不断向电解质熔体中添加氧化铝和补 充碳阳极，使生产得以连续进行。冰晶石在原理上不消耗，但在高温熔融状态下会发生 挥发损失和其他损失，因此，电解过程中也需作一定补充。除此之外，还需向反应过程 供给大量的直流电能( 约为1 3 0 0 0 - - 1 5 0 0 0 k w m a l ) ，以推动反应向生成铝的方向 进行【4 】。 作为一种高能耗产业，铝电解的节能生产技术一直是科技工作者关注的热点。电解 槽管理主要是针对“三场”( 即磁场、热场和应力场) 进行【3 】。而出铝量是反映电解槽 物料平衡、磁场平衡、热平衡的重要参数。 铝电解是一种大规模连续生产过程。生产中需要不断向电解质熔体中添加氧化铝和 补充碳阳极，使生产得以连续进行。电解槽内铝液的水平面高度称为电解槽铝水平：保 持生产条件的稳定、保持电解槽状况的稳定，相对恒定的电解槽铝水平，才能保证电解 槽稳定运行和生产，对铝电解有相当重要的意义。 2 1 2 铝电解工业的节能生产与精细化管理 能源价格上涨，供电日趋紧张，各国都在寻求铝工业的节电途径。理论上，铝电解 生产节电的潜力很大，因为电解法生产铝的吨铝电耗理论值不过6 3 2 0k w h ，而实际电 耗量却高出1 倍有余。同时，延长电解槽寿命有利于节能，而我国电解槽平均寿命同国 际先进水平的2 5 0 0 天左右相比，存在1 0 0 0 天左右的差距【2 】。 研究节电问题的理论依据是电解槽的能量平衡【4 】。如把电解槽整体作为计算体系， 则供给电解槽的能量a * 分配在下列三个方面：补偿铝电解所需的能量彳螂；补偿槽热 损失所需的能量a 掐损：补偿槽内外导线损失的能量一 。；故有 a * 刮蟠卅热损州导线( 2 - 2 ) 铝电解的实际耗电率，可通过一定时间内生产的铝量与实际消耗的能量求得，对于 电流强度为，( a ) ，电解时间为r 0 1 ) ，平均电压为研v ) 的电解槽，所消耗的总能量为 一5 北方工业大学硕士学位论文 i , v n = u t 1 0 。k w h 在该时间内，产铝量为 m 总= 0 3 3 5 6 t r 1 0 。瞎 那么，其单位产量的电耗率女为 = 急= 面i 丽u t x l o - 3 = 丁2 9 8 u 七觋堙 式f 2 5 ) & l j 为生产中计算实际电耗率的公式。 ( 2 - 3 ) ( 2 哪 ( 2 - 5 ) 图2 1 铝电解槽示意图 在采用碳阴极的电解槽上，炉膛底部需积存一定数量的铝液( 亦称在产铝) ，如图 2 1 所示，其作用一是保护碳阴极，防止铝直接在碳阴极表面析出，而腐蚀阴极；二是 传导阳极中心热量，使电解槽各处温度均匀；三是削弱电磁力的影响，稳定铝液吲。 准确计量和控制电解槽出铝量是一个重要环节。通过准确计量与控制单个电解槽的 出铝量，即可以确定吨铝电压变化率，控制在产铝数量，保证槽况平稳；又可以丰富铝 电解管理系统的数据，便于对单个电解槽产铝数量这一重要生产数据进行准确、有效、 直接的管理。 2 1 3 计算机控制技术在铝电解生产中的应用 预焙铝电解槽生产过程是一个非线性的、时变的、多变量耦合和大滞后的复杂系 统。电解槽中可在线测量的参数只有槽电压和系列电流以及由此计算出来的槽电阻，可 6 北方工业大学硕士学位论文 执行的操作是升降阳极和修改下料间隔，计算机控制系统通过这两项操作才能维持电解 槽中的能量平衡和物料平衡。 随着生产的不断发展，技术革新也成为铝电解行业不断进步的主要因素。近几十 年，在铝电解槽生产过程中越来越多地使用计算机控制技术，计算机控制系统已经成为 现代大型铝电解槽过程控制和管理必不可少的自动化装备，并成为当代铝冶金技术发展 水平的重要标志 5 1 。 国际上铝电解槽控制系统研究的重点之一，是开发和完善能够对槽况( 包括热平 衡、物料平衡、阴阳两极的工作状态等) 及其变化趋势进行全面解析，并在病槽1 出现 时能正确进行诊断的槽况模型。随着仪器仪表技术向数字化、智能化、网络化、微型化 方向发展，计算机网络技术的成熟，集散控制系统的发展，将计划出铝量与出铝过程跟 踪控制以及数据管理融入电解厂计算机管理网络，进行统一化，实时化和优化管理，将 会使铝电解控制与管理水平上一个新的台阶【9 l 。 计算机参与出铝量的计划管理，可以避免管理者在制定出铝量计划时的主观随意 性，并且使出铝更有效地与炉膛维护和技术条件的调整结合起来。 在铝电解生产过程中，计划出铝量与实际出铝量的偏差一直是影响吨铝成本控制和 电解槽稳定运行的重要因素。如何准确计量电解槽出铝量并准确控制出铝精度，是保持 电解槽铝水平相对恒定并准确计算每吨原铝生产成本的重要操作环节 7 1 。 “” 计算机对槽况( 尤其是对炉膛大小及其变化趋势) 的解析能力愈强，则参与出铝计 划管理的能力便愈强。在计算机系统的槽况解析功能尚不完备的今天，计算机( 或管理 者) 主要是依据考核期间内的阳极累计下降量，来判断炉膛变化趋势并将此作为制定出 铝计划的参考量之一。 “铝电解精准出铝系统”将精准计量、自动控制和数据无线传输技术用于铝电解 生产的出铝工作，解决了单个电解槽出铝的准确计量、自动关风和将出铝数据自动上传 到生产管理部门的难题。不仅减轻了操作工的劳动强度，还能将单个电解槽出铝数据准 确、实时的传送到企业生产管理系统中，丰富了铝电解生产管理系统的内容，使电解槽 的管理更加合理，运行更加稳定，从而达到最佳效益。 2 _ 2 铝电解出铝过程分析 在国内某大型铝电解厂选取某系列某厂房的1 6 0 k a 中心下料预焙阳极电解槽进行 实验。该系列电解槽为国内7 0 年代末期成套引进日本技术的铝电解槽，年产能为8 万 病槽指非正常工作的电解槽。 7 北方工业大学硕士学位论文 吨原铝，其电流效率设计为8 7 1 5 ，直流电耗1 3 9 0 0 k w t dta 1 。经过多年的运行，电 解槽工作状况基本比较平稳，管理经验也比较丰富。 该系列电解槽为恒流控制。共有4 个厂房。每厂房有5 2 台电解槽，使用两台法国 e c l 多功能天车。该天车也是7 0 年代引进的，电解厂已经对该天车作了适当的改进。 多功能天车是大型预焙阳极铝电解生产的关键设备，由大车、1 2 t 称重小车、驾驶 室、回转机构和出铝小车等组成，它能完成打壳、更换阳极、抬母线1 、出铝等操作 【1 3 】。其中出铝小车的主要功能是吊运铝液抬包，计量包重，控制出铝启停，是铝电解生 产过程的核心设备网【l o l 。 天车上的空压机提供出铝的动力，通过电磁阀控制出铝的启停。电磁阀只做开关量 控制，不能进行开度的连续调节。操作工通过手柄来控制天车。 2 z 1 出铝过程分析与研究 电解产出的铝液积存于炉膛底部，需定期抽取出来，送往铸造车间生产成产品( 铝 锭) 。国内中、小型电解槽一般2 3 天出一次铝i 大型预焙槽一般实行一日一次制。每 槽应出铝量原则上应等于在生产周期内( 两次出铝间的时间) 所产铝的数量。具体由工 区长下达( 按一点测量方法2 决定) ，或由计算机给出指示量( 按照三点测量3 平均值加 修正计算后而给出) 。操作工根据指示量，使用5 t 容积的喷射式真空抬包( 见图2 - 2 ) ，在铝电解多功能天车的配合下，吸出3 4 台槽的铝液至一个抬包，之后用运输车 送往铸造车间【4 】。 该天车所使用的电磁阀为继电器控制的电磁阀。继电器线包通电，触点吸合，电磁 阀打开，抽取抬包内的气体，完成抽气操作，由于抬包内气压降低，这时电解槽中的液 态原铝经出铝口一一吸出管进入抬包，出铝过程开始，俗称“开风”；继电器线包断 电，触点断开，电磁阀关闭，停止抽取气体，随着抬包内气压的逐渐恢复，电解槽中的 铝液就停止进入抬包，出铝过程停止，俗称“关风”。 1 阳极导杆固定在电解槽阳极母线上，随着阳极的消耗，母线位置也不断下移，当母线接近上部结构 中的底部罩板时，必须进行抬母线作业。 2 一点测量方法指在出铝口用4 5 度斜钎配水平器，测量电解槽内铝水高度。 3 对于大型预焙槽，在进电侧按照规定的三点位置，测量电解槽铝水平，测量方法与一点测量相同。 8 一 北方工业大学硕士学位论文 1 包体；2 铝液虹吸口：3 密封盖：4 吊臂；5 高压风 口；6 吸出管 图2 - 2 喷射式抬包示意图 出铝工作的操作步骤如图2 - 3 所示。 图2 - 3 出铝工作步骤图 出铝工作的重点是整理( 准备) 抬包，出铝过程的控制点是吸出精度和吸出电解质 的重量。拾包准备工作的效果，影响到工作效率。如果抬包准备充分( 各处密封好，不 9 北方工业大学硕士学位论文 漏风) ，吸出铝液速度快；否则，吸铝速度慢，甚至吸不上铝。另外，电解槽内的出铝 口必须在放下吸出管前打好，捞净碳渣和推开沉淀，防止出铝时堵管1 。 在一个工作班次中，天车除了出铝工作外，还要换阳极，装料、清扫维护，白班还 有抬母线任务及其他工作。所以，出铝时间不能太长( 正常情况每台槽用时5 8 分 钟) 。 保证精度的措施首先是天车秤( 液压秤或电子秤) 必须指示准确，要求经常检查校 对：其次是操作工准确把握天车秤的指示，判断合适的时间来关闭电磁阀结束出铝( 常 称为关风) 。 出铝过程中槽电阻的变化可以通过槽控机2 进行监控。 在出铝前，现场操作人员通过按钮告知槽控机，指示“出铝”过程开始。在出铝过 程中，操控机同时降低阳极( 即降电压) ，以防止出铝过程中阳极底掌脱离电解质液面 发生危险。出铝结束后，保持槽电压值在设定电压基础上并加上一个附加电压值，一定 时间后才恢复到设定电压值。附加电压值的作用是为了消除由出铝而导致槽电压噪声， 也起到一定能量补偿作用。出铝后自动下降阳极，恢复槽电压到正常后，再自动转入正 常控制，若出现出铝中断等异常情况，操作工应将电压手动降到正常。 出铝过程中，典型的槽电阻变化曲线如图2 - 4 所示【4 】。 。i dj 。if i 时间 图2 - 4 出铝过程槽电阻变化 根据该图，可将出铝监控的全过程分为下列六个阶段： a 一出铝初始。计算机接受到出铝预定信号，在有关程序中设置必要的标识符。 堵管是指吸出过程中因操作不当或其他原因使铝液凝固或者吸入电解质渣而造成吸出管堵塞的现象。 2 槽控机指电解槽的监控设备，般，一台槽控机对应一台电解槽。 1 0 北方工业大学硕士学位论文 b 一出铝准备。程序完成必要的初始化工作( 如暂停正常下料和极距控制) ，进 入监控出铝过程的状态。 c 一出铝开始。程序在检出槽电阻增加超过了某一限值时，确认出铝开始。 d 出铝结束。程序检出c 确认) 槽电阻已停止增加，基本稳定。 。一出铝控制。程序在连续数次( 如3 次) 的解析周期里都做出了“出铝结束” 的判断后进行槽电阻的调节。先用向下粗调，后用向下微调，必要时再用向上微调，共 分数次将槽电阻调至规定的范围内。 f 一控制完成。当槽电阻调节达到要求后，程序认为控制完成，恢复对出铝槽的 正常控制。 为了保持电解过程中的能量平衡，每台电解槽的槽电压都有一个设定值，该设定值 是根据生产工艺要求按最佳值的考虑提供的，也就是生产工艺上希望电解槽正常工作时 所保持的电压。 对于大型预焙电解槽的生产来说，吨铝电耗是衡量电解槽热损失的重要参数。课题 所选择的实验系列电解槽为恒流控制电解槽。出铝过程中由于槽电阻的变化而引起槽电 压的变化，导致电解槽能量平衡发生变化。：? 槽电压和系列电流是电解槽的两个主要被控信号，由槽控机的采样装置以一定的采 样间隔( 通常为数秒至数十秒) 同步地采集。为减小测量噪声，通行的做法是，每个采 样值都采用其对应时刻处连续的若干个快速扫描( 一般扫描周期以毫秒计) 所获得的扫 描值的滤波平均值。 通常都采用下列这个简单公式由槽电压( 、系列电流( d 的采样值计算表观的 槽电阻( ，) 的采样值： 2 竿 p 回 式中下标玎代表采样时序，e 为表观反电动势，是一个设定常数。 出于方便，即为直接采用槽电压作为解析变量，而使用“正常化电压”来等价地替 代表观槽电阻： 圪( 正常) = 二生f 兰基准) + e = 基准) + e “ ( 2 7 ) 式中，t 辩，为设计的基准电流，其余参数同于前式。可以看出，n 与k 。正常，具有相 同的意义。 北方工业大学硕士学位论文 随着出铝过程中槽电阻的变化，必然导致槽电压的变化。单槽原铝的吸出精度是铝 电解生产中一个重要的因素。原铝吸出数量过多，会使得槽电压升高过多，电解槽的热 损耗增加，甚至会大量吸出槽内的电解质成分，造成严重后果。原铝吸出数量偏少，导 致单槽原铝产量降低，能量浪费。 一般人工控制精度要求在5 0 k g 以内，但由于出铝量依靠人工记录，无法确认该 数据的准确性。所以这个控制精度也是难以保证的。 2 2 2 影响出铝准确性的因素 对于单个电解槽出铝量的精准控制来讲，主要的影响因素有以下几个方面。 第一、抬包晃动对天车秤计量的影响。 对于出铝操作来讲，单个电解槽的出铝量是通过抬包重量的增加量来反映的。 抬包的称量是通过天车秤来完成的。以1 6 0 k a 系列电解槽为例，没有装铝液的空 抬包一般重7 t 左右，而装满铝液后的数量在1 2 t 左右。由于天车秤是吊秤，吊运拾包在 行进和出铝过程中，不可避免地发生晃动，造成称量误差。即使轻微的晃动也会带来 1 0 0 - - - 2 0 0 k g 的计量误差。 人工出铝过程中，操作工观测电子秤的显示来做重量估计。 第二、抬包工作状况等生产因素。 一次出铝过程的操作时间一般在5 到1 5 分钟左右。由于抬包随着工作时间的变 化，自身的密封性有一定变化。随着包内的空间降低，会导致出铝时间的延长。 另外，抬包吸出管的管径不断变化。通常，新的吸出管管径大，吸取速度较快，随 着工作进行，会有电解质沉积在管内壁上，造成管径变细，使铝液吸出变得困难，需要 人工清理或者更换。如果在吸出过程中发生了堵管现象，那么要立即停止出铝操作，更 换新的吸出管。 由于铝电解的生产特点，在整个系列中有多台电解槽运行，均使用同一台天车和同 一个抬包，但是，随着抬包运行特性不同，也就不能使用同一的操作方法。 第三、吸出管的长度带来的滞后因素。 由于吸出管有一定的长度，使得电子秤对于抬包真实重量的反应过程存在滞后的因 素。而且，滞后因素的影响也是一个随机量，不同的时间，会有不同的情况。 当操作工关闭电磁阀后，受抬包内气压惯性的影响，吸出管中的部分残铝1 仍然会 进入抬包。有时也会出现停止出铝后，吸出管内的铝液反而流回电解槽里的情况。残铝 指其中所存在的残余的铝液。 1 2 北方工业大学硕士学位论文 的数量与吸出管的内径、抬包内的气压、电解槽中出铝口的大小有关系，一般在几十千 克到一百千克之间。 第四、人为操作因素。 有经验的操作员会根据出铝的过程状态来判断抬包和当前出铝槽的状况，从而调整 包的位置，选择合适的时刻关闭，使得单个电解槽出铝数量达到设定的要求。经验不足 的操作员往往在铝液吸出的过程中发生堵管，吸出管卡碰电解槽等情况而造成计量误 差。受到人为操作的影响，并不能保证每台电解槽都是准确地按照指示量吸出的。 出铝操作中出现的一些过失情况是严重的生产管理事故。有以下几种：全部吸出电 解质；出铝实际量大大超过指示量；槽号认错而导致重复吸出等。这些过失都会严重破 坏电解槽的正常运行。 对于大包出铝，一次要吸出3 4 台槽。操作工有时保证大包的总量准确，忽略了 单槽的出铝精度问题，甚至随意出铝。给电解槽的技术条件管理带来混乱，甚至恶化槽 况。 图2 - 5 出铝操作不意 另外，强磁场、多粉尘、高温、气体腐蚀等等恶劣的环境因素也影响着各种控制设 备的使用。尤其是磁场对铁质的出铝抬包的计量影响较为严重，靠近电解槽出铝口时抬 包的重量漂移十分明显。 空气压力机的工作压力的变化，阳极效应时电压异常升高，都会对出铝操作带来一 定影响。 1 3 北方工业大学硕士学位论文 2 3 小结 本章全面的讲述了铝电解的工艺生产特点与技术要求，阐述了铝电解出铝精准控制 的背景。进而，较为详细的分析了影响出铝精准控制的一些因素。 针对这些工艺特点，莸们设计了铝电解精准出铝系统，来解决单槽出铝量的精确计 量与精准控制问题。 下一章介绍该系统的相关内容。 1 4 北方工业大学硕士学位论文 3 精准出铝系统设计 3 1 整体设计规划 铝电解精准出铝系统的设计思路主要是在法国e c l 多功能天车出铝系统上增加对 单个电解槽出铝量的精准计量和自动控制的功能。 e c l 多功能天车出铝系统是经过铝电解生产现场考验的、成熟的出铝系统，只不 过它没有对单个电解槽出铝量的计量功能。通过取得e c l 多功能天车上电子秤串口的 数据，经过控制系统计算实现对单个电解槽出铝量的计量。在控制系统中不断计算当前 出铝量与指示量的差，判断出铝停止的合适时间。 另外，由于e c l 多功能天车出铝系统的出铝过程是生产现场操作工通过控制操作 手柄实现的。因此增加精准计量和自动控制功能，也应该通过控制操作手柄实现。这对 保持生产现场操作工的操作习惯有利，也是生产现场提出的要求。为了保证原系统操控 的安全性和控制的灵活性，新增加了一个操作手柄。 最后，需要完成上位机与下位机的通讯，实现出铝数据与控制命令的交互。由于多 功能天车工作中不断移动，因此下位机控制箱和上位机之间无法采用有线通信【1 4 】【l a - 。如 何在目前的无线通信技术中选择一种合适的方案自然就成为了课题成败的关键。经过比 较与实验，采用无线数据传输技术来完成生产过程中的数据交换。 铝电解精准出铝控制系统组成如图3 - 1 所示： 图3 - 1 铝电解精准出铝控制系统硬件组成 1 5 北方工业大学硕士学位论文 系统由上位机、下位机两部分组成。上位机系统为办公室的工控机系统，下位机系 统为天车控制箱内的p l c 系统。在上位机和下位机中分别安装有无线数传电台，用来 实现上、下位机系统的通信。因为系统处于单个车间的实验阶段，无线数传电台采用了 一对一的通信模式。 下位机系统由“电子秤数据采集”、“p l c 系统”、“显示屏”、“操作键盘”四 部分构成，控制整个出铝过程。系统框图如图3 - 2 所示。 。一监控数龉 j e 线i ；c 发 图3 - 2 下位机系统结构 其中，p l c 系统作为主控制器，负责整个下位机的控制。下位机控制箱、操控手 柄和l e d 大屏幕显示器，通过e c l 多功能天车的滑环和接线面板以有线的方式构成生 产现场出铝控制装置。 3 2 功能分析 本监控系统旨在铝电解车间出铝系统的监测与控制，包括监测空包重量、出铝开始 时刻、出铝结束时刻、单个电解槽净出铝量、每一抬包的总重量等。在动态监测单个电 解槽出铝量的同时，根据出铝指导值控制出铝完成动作，最终达到控制并报告单个电解 槽出铝量的功能，准确计量出铝数据，从而为生产管理提供准确的原始数据嗍【1 1 】。 系统的功能流程如下。 在上位机上设置好各电解槽计划出铝量，将出铝参数通过无线数传电台发送至现场 的下位机。当某一电解槽需要出铝时，操作人员根据下位机设置的大屏幕显示器提示信 1 6 北方工业大学硕士学位论文 息，通过“启动”按钮开始出铝工作，当出铝量达到计划出铝量时，现场控制器自动停 止出铝。实际出铝量、出铝时间等信息由生产现场控制装置通过无线数传电台发送至上 位机，由上位机的数据库管理软件自动生成统计报表，通过网络与企业生产管理系统进 行数据交换，实现出铝过程的自动化管理。 系统的操作流程基本与原出铝操作流程一致，不增加操作工的负担；系统的软件部 分加入到电解厂的信息管理系统数据库中，不增加管理人员操作的负担。 本系统可将采集的监测资料长期记录保存，通过数据库和工作日志可以随时查阅出 铝数据及历史资料。 本文的工作之一，主要完成了数据采集部分和出铝控制部分的设计工作。在下文中 分别进行了相应的论述。 3 3 数据采集系统的设计 为了分析现场出铝操作的数据，首先设计了出铝数据的采集系统，采集现场人工手 动出铝的过程数据，为出铝过程的自动控制奠定了基础。主要分为以下几个部分。 3 3 1 控制器的选择 铝电解车间的生产环境较为恶劣，有高温，粉尘，磁场，酸性气体等不利因素。因 此，要求控制器具有较高的稳定性、可扩展的编程能力、强大的数据通讯能力、易用性 与易维护性等等1 2 】【1 3 】。综合考虑，下位机采用西门子s 7 - 2 0 0 系列p l c 作为主控制器j 国际电工委员会( i e c ) 于1 9 8 7 年2 月颁布的可编程序控制器标准草案第三稿中将 p l c 定义为：“可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作 的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑计算、顺序控 制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控 制各种类型的机械或生产过程”。 p l c 具有以下特点，使其可以方便的应用于工业系统。 第一，模块化结构与高稳定性。 p l c 及其有关的外围设备按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能 的原则而设计，因此它具有继电器控制装置和通用计算机以及其他控制系统所不具备的 特点。其内部采用集成电路，接线大大减少；内部无接触点控制使元件的寿命几乎不受 限制：另外软、硬件采取了一系列提高可靠性和抗干扰的措施，如：系统硬件模块冗 余、光电隔离、掉电数据保护、屏蔽和滤波、在运行过程中允许模块热插拔、设置故障 1 7 北方工业大学硕士学位论文 检测与自诊断程序以及其他措施等等；因此，p l c 更能适应工业生产现场较为恶劣的生 产环境。 第二，灵活的编程与维护方式。 p l c 的编程面向生产过程、面向工程技术人员，编程语言采用梯形逻辑图 l a d ( l a d d e rd i a g r a m ) 、语句表s t l ( s m t c r n e ml i s o 和功能块图f b d ( f 删o nb 1 0 c k d i a g r a m ) ，方便直观，易学易懂，还可以利用编程软件相互转换。这些语言既可以用于 顺序控制的梯级逻辑、软触发器与计时，计数器组合，代表相应的物理硬件；也可以按 照工艺流程