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北方工业大学硕士学位论文 铝电解槽阳极故障诊断系统研究 摘要 铝电解槽的阳极被称为铝电解槽的“心脏”，直接或间接的影响着铝电解槽生产正 常与否和各项经济技术指标，诸如电流效率、电能消耗，吨铝阳极碳耗等。因此对铝电 解槽阳极工作状态的监控和故障诊断的研究就越来越为人们所重视，逐渐成为研究的热 点。该类研究对提前预报甚至及早预防故障从而实现安全生产、提高生产效率都有重要 的意义。本文旨在研究铝电解槽阳极故障的现象、信号特征及其诊断方法，从而为将来 进。步研究奠定基础。 为了提高阳极工作状态故障诊断的准确率，本课题在采样传统诊断信号槽电压 的基础上，引入了另外一种对阳极工作状态更加敏感的信号阳极导杆等距压降。论 文对阳极工作状态故障的机理进行了分析。利用频谱分析技术对采样信号进行频谱分 析，并采用数字滤波器设计技术设计了相应的i i r 型b u t t e r w o r t h 数字滤波器，将信号 中的低频信号和高频组分进行分离，从中提取出与阳极工作故障有关的特征量。 作者采用了模糊综合评判法对铝电解槽阳极工作状态故障进行诊断，此方法综合多 种征兆因子对阳极工作状态故障进行诊断，提高了诊断结果的准确性。文中详细介绍了 特征量、征兆因子、隶属函数、故障与征兆间的模糊关系、权重、诊断原则等的确定过 程，然后用一个实例对这个方法进行了验证，诊断结果基本与事实相符合。 本文在分析传统阳极效应预报方法的基础上，从两种采样信号滤波的结果中提取预 报特征量，结合模糊数学，提出了一种新的阳极预报方法基于模糊数学的综合预报 方法，并且给出了方法的原理及其具体的实现过程。 作者设计并实现了铝电解槽阳极工作状态故障诊断系统软件。系统主要分为三大模 块：监测模块、诊断模块、阳极效应预报模块。文中简要阐述了所选用的软件平台和开 发环境，主要对软件中的数据库设计与实现、多线程数据处理、串口通讯等方面进行了 描述，实现了实时监测、滤波处理、历史曲线查询、报表查询、阳极工作状态诊断、阳 极效应预报等功能，并且给出了诊断系统的软件操作界面。 关键词 铝电解槽，碳阳极，故障诊断，模糊综合评判 北方工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nf a u l td i a g n o s i s s y s t e m f o rt h ea n o d eo f a i u m i n u mr e d u c t i o nc e l l a b s t r a c t t h ea n o d eo fa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l li sc a l l e d “t h eh e a r to ft h ec e l l ”，w h i c hc a n d i r e c t l y o ri n d i r e c t l yi n f l u e n c et h ep r o d u c t i o np r o c e s s i ta l s oi n f l u e n c e st h ee c o n o m i ca n dt e c h n i c a l i n d e xo ft h e p r o d u c t i o n s u c ha se l e c t r i cc u r r e n t e f f i c i e n c y ，t h e t o t a l e l e c t r i c i t ye n e r g y c o n s u m p t i o n ，c a r b o nc o n s u m ep e r t o na l u m i n u m t h u s ，t h e s t u d yo fs u p e r v i s i n gt h ew o r k i n g s t a t eo ft h ea n o d ea n di t sf a u l td i a g n o s i si sv e r yi m p o r t a n t ，w h i c ha t t r a c t sm a n yr e s e a r c h e r st o s t u d y i th a sb e e naf o c u st ot h er e l a t i v er e s e a r c h e r s t h e s es t u d i e sc a ng u a r a n t e et h es a f e t y a n dt h eh i g hw o r ke f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o nb yp r e d i c t i n gt h ef a u l te v e nt h ep r e v e n to ft h e f a u l t t h ep a p e rm a i n l yi n v e s t i g a t e st h ep h e n o m e n o no f ，t h es i g n a lc h a r a c t e r o f , t h ed i a g n o s i s m o d e lo ft h er e d u c t i o nc e l la n o d ef a u l t ，i tc a ne s t a b l i s ha l ls o l i db a s ef o rf u r t h e rd e v e l o p m e n t a n d s t u d y t oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ef a u l td i a g n o s i sf o rt h ew o r k i n gs t a t eo ft h ea n o d e ，w c m a k eu s eo ft h es i g n a lo ft h ee q u i d i s t a n tv o l t a g ed r o pf o rt h ea n o d el e a d e rb e s i d et r a d i t i o n a l s i g n a l ( t h ev o l t a g eo ft h ec e l l ) t h ee q u i d i s t a n tv o l t a g ed r o pf o rt h ea n o d el e a d e ri sm o r e s e n s i t i v et ot h ea n o d ef a u l t t h em e c h a n i s mf o rt h ef a u l to ft h ew o r k i n gs t a t eo fa n o d ei s s t u d i e di nt h i s p a p e r t h es p e c t r u mo ft h es a m p l e ds i g n a l si sg o tu s i n gt h et e c h n i q u eo f a m p l i t u d e f r e q u e n c ya n a l y s i s ，t h e n t h e c o r r e s p o n d i n g i i rb u t t e r w o r t h d i g i t a l f i l t e ri s d e s i g n e dt os e p a r a t et h el o w 。f r e q u e n c yp a r ta n dt h eh i g h - f r e q u e n c yp a r tu s i n gd i g i t a lf i l t e r d e s i g nt e c h n i q u e b a s e do n t h er e s u l t so ft h e f i l t e r i n g , c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sr e l a t i v et ot h e f a u l to ft h ea n o d e w o r k i n g a r e g a i n e d f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o di su s e dt od i a g n o s et h ef a u l to ft h ew o r k i n g s t a t eo ft h ea l u m i n i u mr e d u c t i o nc e l la n o d e t h i sm e t h o ds y n t h e s i z e ss y m p t o mf a c t o r s t o d i a g n o s et h ef a u l tt h u si m p r o v e st h ea c c u r a c yo ft h ed i a g n o s i sr e s u l t t h ed e t e r m i n eo ft h e c h a r a c t e rp a r a m e t e r s ，s y m p t o m f a c t o r s ，m e m b e r s h i pf u n c t i o n ，t h ef u z z yr e l a t i o n s h i pb e t w e e n f a u l ta n d s y m p t o mf a c t o r s ，w e i g h t sa n d t h ed i a g n o s i sr u l e sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a f t e ra n a l y z i n gt h et r a d i t i o n a lw a yo fa n o d ee f f e c tp r e d i c t i o n ，t h i sp a p e rd e v e l o p sa l l n e ww a yt o p r e d i c tt h ea n o d ee f f e c t ：t h ei n t e g r a t i v ew a yb a s e do nf u z z ym a t h e m a t i cb y e x t r a c t i n gt h ep r e d i c t i n gc h a r a c t e rp a r a m e t e r sf r o mt w ot y p e ss i g n a l ss a m p l e da n d i n t e g r a t i n g 北方工业大学硕士学位论文 f u z z y t h ep r i n c i p l ea n d t h ep r o c e s so ft h en e w w a y a r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h ea u t h o rd e s i g n e da n dr e a l i z e dt h es o f t w a r es y s t e mo fd i a g n o s i n gt h ef a u l to ft h e w o r k i n gs t a t eo ft h ea l u m i n i u mr e d u c t i o nc e l l a n o d e t h es o f t w a r ei s m a i n l yc o m p o s e do f t h r e em o d u l e s ：m o n i t o rm o d u l e ，d i a g n o s i sm o d u l ea n da n o d ee f f e c tp r e d i c t i n gm o d u l e t h e s o f tp l a t f o r ma n dt h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tu s e da f ed i s c u s s e db r i e f l y , t h e nt h ed a t a b a s e d e s i g n a n dr e a l i z a t i o n ，m u l t i - t h r e a dd a t ap r o c e s s i n ga n ds e r i a l p o r t c o m m u n i c a t i o na r e d e s c r i b e di nd e t a i l t h es o f t w a r er e a l i z e st h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：r e a l t i m em o n i t o r i n g ，d a t a p r o c e s s i n g w i t hd i g i t a lf i l t e r ，t h eh i s t o r yc u r v eq u e r ya n dt h er e p o r tf o r m sq u e r y , d i a g n o s i so f t h ea n o d es t a t e ，a n o d ee f f e c tp r e d i c t i o n ，a n de t c t h es o f t w a r ei n t e r f a c ei sa l s og i v e ni nt h i s p a p e r k e y w o r d s ： a l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l ，c a r b o na n o d e ，f a u l td i a g n o s i s ，f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 1 1 1 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 e 虚王些盍堂或其他教育机 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：7 誊嘉枷 签字日期国吒年月f 内 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j b 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 e 左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：席耜车缸 签字日期岛叶年占月玎日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：z t 7 川争 签字日期钟8 月彩日 电话： 邮编： 1 1 诊断技术的发展 第一章绪论 故障诊断技术是现代化生产发展的产物。早在6 0 年代末，美国国家宇航局( n a s a ) 就创立美国机械故障预防小组m f p g ( m a c h i n e r yf a u l tp r e v e n t i o ng r o u p ) ，英国成立 了机械保健中心( u k ，m e c h a n i c a lh e a l t hm o n i t o r i n gc e n t e r ) 。由于现代化大生产的 迫切需要，设备故障诊断技术迅速发展起来，己成为当今科技研究的热点之一。其发展 过程经历了三个不同阶段，从早期对设备故障的各种直接检测手段，到依靠经验积累的 渗断过程，进一步发展到当前基于知识的智能化故障诊断技术。对应故障诊断枝术发展 的不同阶段出现了以下三种不同层次的诊断系统【1 】【烈。 ( 1 ) 以检测仪表为主体的监视装置 这种装置的主要构成部件是传感器和指示仪表箱，有用于测量温度的，但大多数是 用于测量振动的。其主要缺点： 检测信号是随机的，幅值并不能全面地表达动态过程的特性； 机组在强烈振动之前，故障征兆并不明显，有时振幅变化并不大，但机组确有 故障，这时检测仪表却并未显示出来。而一旦振幅突然变大，则为时己晚，即不 能防止突发性事故； 读数式仪表本身并无分析功能，依赖人的经验判断。 ( 2 ) 检测仪表配备软硬件分析装置 这种系统是对第一种监视装置的改进与补充，具有频谱分析功能，可以显示谱阵图， 波特图、轴心轨迹图，因此有助于人们提高诊断的准确性，但也存在以下缺点： 分析装置只是一种工具，不能自动诊断，诊断决策仍需要依赖领域专家： 不能连续地自动分析，容易丢失故障信息，不能预防突发性故障； 大型机械设备的结构非常复杂，故障与征兆之间并无一一对应的因果关系，难 免造成误诊。 ( 3 ) 在线监测与故障诊断系统 这种系统主要结构是由传感器、接口装置及计算机组成。其中接口装置具有电平转 换、采样、存储等功能。它可以实时监测和自动诊断，有利于预防突发性故障，是工况 监视与故障诊断技术的主要发展领域。但目前的水平主要是计算机辅助监视与诊断系 统，还不能真正达到自动诊断的水平。因此，诊断系统今后发展方向主要是减少人工干 预，提高自动化及自适应能力的多层次人工智能诊断系统。 北方工业大学硕士学位论文 一h 面习 | | 一 1 。2 故障诊断技术及其方法的分类 故障诊断技术是一门综合性技术，它的发展涉及了多门学科，如现代控制理论、可 靠性理论、数理统计、模糊集理论、信号处理、模式识别、人工智能等学科理论。故障 诊断的任务由低级到高级，可分为四个方面的内容【2 i ： 故障建模。按照先验信息和输入输出关系，建立系统数学故障的数学模型，作 为故障检测和诊断的依据。 故障检测。从可测或不可测的估计变量中，判断运行的系统是否发生故障，一 旦系统发生意外变化，应发出报警。 故障的分离与估计。如果系统发生了故障，给出故障源的位置区别出故障原因 是执行器、传感器和被控对象等或者是更大的干扰。故障估计是在弄清故障性质 的同时，计算故障的程度、故障发生的时间等参数。 故障的分类、评价和决策。判断故障的严重程度，以及故障对系统的影响和发 展趋势，针对不同的工况，采取不同的措施，其中包括保护系统启动。 故障诊断技术发展至今，已提出了大量的方法。按照国际故障诊断权威德国f r a n k 教授的观点，所有的故障诊断方法可划分成基于解析模型的方法、基于信号处理的方法、 基于人工智能的方法三种。下面分类加以介绍【3 】【4 】【5 】【6 l ： ( 1 ) 基于解析模型的方法( m e t h o d sb a s e do i la n a l y t i c am o d e l ) ，包括参数估计法、状 态估计法、等价空间法。 参数估计诊断法( m e t h o db a s e d o i lp a r a m e t e re s t i m a t i o n ) ，基本思想是当故障用 参数的显著变化来描述时，可利用已有的参数估计法来检测故障信息，根据参 2 北方工业大学硕士学位论文 数的估计值和正常值之间的偏差情况来判定系统的故障情况1 7 j 【”。 状念估计法( m e t h o d b a s e do ns t a t ee s t i m a t i o n ) ，通过被控过程的状态直接反映系 统的运行状态，并结合适当的模型来进行故障诊断。首先重构被控过程状态， 并构造残差序列，残差序列中包含各种故障信息及基本残差序列，然后通过构 造适当的模型并采用统计检测法，把故障从中检测出来，并作进步的分离、 估计和决策。通常可用l u e n b e r g e r 观测器法和卡尔曼滤波器进行状态估计。 等价空间法( m e t h o db a s e do np a r i t ys p a c e ) ，其基本思想是利用系统的输入和 输出的实际测量值检验系统数学模型的等价性( 即一致性) 以检测和分离故障， 此法与基于状态观测器的状态估计法等价。 ( 基于信号处理的方法( m e t h o d sb a s e do ns i g n a lp r o c e s s i n g ) ，包括直接测量系统 的输入输出法、基于小波变换的方法、输出信号处理法、信息匹配诊断法、基于 信息融合的方法、信息校核的方法。 直接测量系统的输入输出法。在正常情况下，被控过程的输入与输出在正常范 围内变化，当此范围被突破时，可以认为故障已经发生或将要发生。另外还可 以通过测量输入输出的变化率是否突破特定范围来判断故障是否发生。 基于小波变换的方法。其基本思想是，首先是对系统的输入输出信号进行小波 变换，利用该变换求出输入输出信号的奇异点，然后除去由于输入突变引起的 极值点，则其余的奇异点对应于系统的故障。 输出信号处理法。系统的输出在幅值、相位和频率及相关性上与故障源之间会 存在一定的联系，这些联系可以用一定的数学形式表达，在发生故障时，则可 利用这些量进行分析和处理，来判断故障源的所在，常用的方法有谱分析法、 概率密度法、相关分析法以及互功率谱分析法等。 信息匹配诊断法。此方法引用了类似矢量、类似矢量空间、一致性等概念，将 系统的输出序列在类似空间中划分一系列的子集，分析每个子集的一致性，并 按一致性强弱进行排列，一致性最强的子集鲁棒性也最强，而一致性最差的子 集则可能已发生故障。通常类似矢量值很小，而当故障发生时，类似矢量将在 此故障相应的方向上增大，因此，类似矢量的增加说明了故障的发生，而其方 向给出了故障传感器的位置。 基于信息融合的方法。故障诊断实际上是根据检测量所获得的某些故障表征以 及系统的故障源与故障表征之间的映射关系，找出系统故障源的过程。为了充 分利用检测量所提供的信息，在可能的情况下，可以对每个检测量采用多种诊 断方法进行诊断。这个过程称为局部诊断，将各种诊断方法所得到的结果相结 3 北方工业大学硕士学位论文 合，得到系统故障诊断的总体结果称为全局诊断融合。对局部全局融合方 案的实现，可用模糊推理的方法进行决策。 信息校核的方法。在许多控制系统的故障诊断中，都没有考虑信息校核方法， 实际上，系统的信息校核是进行故障诊断的比较简单有效的方法，因为信息是 进行系统过程检测的依据，利用错误的信息去进行计算和推理是徒劳无益的， 而且会得到错误的结论，可根据物料平衡和能量守恒定律等物理化学规律及数 理统计知识来进行信息的校核。信息的矛盾一般意味着信号获取上的故障或矛 盾。 ( 3 )基于人工智能的故障诊断方法( m e t h o d sb a s e do na r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 。包括基 于专家系统的故障诊断方法、基于神经元网络的故障诊断方法、基于图论的模型 推理方法、基于模糊数学的故障诊断方法、基于定性模型的方法。 基于专家系统的故障诊断方法( m e t h o d sb a s e do ne x p e r ts y s t e m ) 。专家系统是 人工智能里最活跃的一个分支，己广泛应用于过程监测系统。这种方法不依赖 于系统的数学模型，而是根据人们长期的实践经验和大量的故障信息知识，设 计出一套智能计算机程序，以此来解决复杂系统的故障诊断问题。 基于神经元网络的故障诊断方法( m e t h o db a s e do i ln e u r a ln e t w o r k s ) 。由于神 经元网络具有处理复杂多模式及进行联想、推测和记忆功能，它非常适合应用 于故障诊断系统中。它具有自组织自学习能力，能克服传统专家系统当启发式 规则没有考虑到时就无法工作的缺陷。因此，将神经元网络应用于过程监测系 统已成为一个非常合适的研究领域，并有不少成功的实例。 基于图论的模型推理方法。基于网络图论法的故障诊断技术，在实质上是根据 一个实际系统中各个元件之间存在的非常普遍的故障传播关系，构成故障诊断 网络，利用搜索和测试技术进行故障定位。这种方法已经在大型生产过程和空 间飞行器等领域中得到了广泛的应用。 基于模糊数学的故障诊断方法( m e t h o db a s e do nf u z z y ) 【9 l 【1 0 1 1 1 】。机械设备运 行过程本身就具有模糊性和不确定性，在诊断过程中，往往用模糊不清的自然 语言来说明故障的特征，而模糊集合则更准确、更有效的对故障症状进行了描 述，这种描述不是简单的加以肯定或否定，而是用归属的程度“隶属度”予以 刻画，或者通过分类、预报、综合评判、模式识别和可靠性分析做出定量判断， 从而诊断出故障的原因。模糊诊断是一种颇有前途的诊断方法，其特点是：， 它采用多因素诊断，模拟了人类的思维方法。，e h 于隶属函数的确定还有一 定的难度，其精度的高低取决于统计资料的准确性和丰富程度以及专家的实际 4 北方工业大学硕士学位论文 经验。 基于定性模型的方法( m e t h o d sb a s e do l lq u a n t i t ym o d e l ) 。它用表示系统物理参 数的定性变量和表示单个参数问相互关系的定性微分方程来构成约束模型，描 述并模仿系统的结构，以确定从给定的初始状态出发得到的系统状态。 虽然故障诊断在理论方面取得了许多突破和进展，但是它的实际应用相对来说还是 比较少。如何将故障诊断方法应用到实际中去仍是一项非常重要的课题。 1 3 铝电解槽阳极故障诊断的意义 1 3 1 铝电解工业概况 铝是地壳中含量最多的金属元素，在所有的化学元素中位居第三，仅次于氧和硅。 金属铝具有优良的物理性能，在当今社会中扮演着越来越重要的角色。铝以及铝合金的 使用已渗透到国民经济建设的各个重要领域。成为继钢铁以后的又一大重要的金属材 料。 自1 8 8 6 年美国的h a l l 和法国的h e r o u l t 发明炼铝的基本方法h a l l h e r o u l t 高温 熔盐炼铝法以来，铝电解工业无论在工艺技术水平，还是在生产规模以及自动化程度上 均取得了突飞猛进的发展，尤其在近3 0 年间，铝电解生产的电流效率由8 0 提高的现 在的9 4 ( 有的已达到9 6 ) ，电解直流电耗由过去的1 6 0 0 0 多k w h n 0 e 铝降低到现在的 1 3 0 0 0 k w h 吨铝以下。在生产规模方面，铝电解槽由几千安培扩大到现在3 2 0 k a ，甚至 是5 0 0 k a ，一个多世纪以来，工业铝电解槽经历了小型预焙阳极电解槽、自插式预焙 阳极电解槽、上插式自焙阳极电解槽、大型预焙阳极电解槽的发展阶段。在自动化控制 程度上，成功的开发出了控制精度高，系统鲁棒性好，具有明显的增产节能效果的铝电 解过程智能模糊控制系统。全世界年铝产量由2 0 世纪初的6 0 0 0 吨年发展到现在的2 0 0 0 多万吨年，这些发展是物理化学，材料科学，工程，自动化和计算机技术以及市场需 求紧密结合的产物。对于h a l l h e r o u l t 炼铝法的基本原理有了更加深入的认识，是人们 取得这些进展的基础【1 2 1 1 1 引。 h a l l h e r o u l t 炼铝法的典型特点为阳极是消耗的。阳极的基本设计形式从总体上划 分为两种：预焙阳极和自焙阳极。随着人们对铝工业规模化，生产认识的提高和对环境 保护意识的增强，预焙阳极铝电解槽取代自焙阳极铝电解槽已成为铝电解工业的发展的 必然趋势。 铝电解生产的基本原理是：以碳素材料为阳极，以位于碳素内衬中的铝液为阴极， 以冰晶石熔体为电解质溶解原料氧化铝，通过电解反应，在阴极沉积生产金属铝。其基 本化学反应方程式为： 北方工业大学硕士学位论文 3 a l 2 0 3 + 3 c = 4 a l + 3 c 0 2 铝电解槽是铝电解生产过程中的最重要的一个环节。它是一个多变量耦合，时变和 大滞后的工业过程体系，其自身内部复杂的物理化学过程和外界条件及作业的干扰，决 定了电解槽运行过程中众多的参数和变量的不确定性和不可连续测定性，尤其是生产过 程中槽内物料平衡与能量平衡状态的不断变化及其相互影响和相互制约，形成了复杂多 变的槽况特征，如冷槽，热槽，阳极病变和不稳定槽等。这给实际生产操作，槽况管理 维护以及过程监控带来了很多技术难题。随着7 0 年代后期智能控制的飞速发展，智能 控制专家系统，自适应控制系统和模糊诊断技术在铝电解槽控制中得到了广泛的应用， 并取得了较好的经济效果。 1 3 2 阳极故障诊断的意义 作为阳极生产的主要原料碳素材料，在铝电解过程中，伴随着金属铝的生成而 不断的消耗，长期的生产实践表明，碳素阳极质量的优劣，直接或间接的影响着铝电解 槽生产正常与否和各项经济技术指标，诸如电流效率、电能消耗，吨铝阳极碳耗等。因 此碳阳极在铝电解工业中不庸质疑的处于举足轻重的地位，一直为业内人士称为铝电解 槽的“心脏”1 1 4 1 1 ”j 。 同样，阳极的工作状态的好坏也直接或间接的影响着电解槽生产的正常与否和经济 技术指标的好坏。例如，“阳极长包”现象，此种故障出现时，铝电解槽槽电压和阳极 导杆等距压降出现不稳定变化，长时间如此，往往会造成阳极局部过热，改变了电解质 的导电性和表面张力等特性，大大影响突起下部融体中的电流分布，改变了阳极电流密 度，严重危害铝电解生产的正常运行，甚至导致阳极事故及停槽。从而影响到铝电解槽 的生产效率和其他重要性能指标。又比如，我国大约有三分之一的铝厂和铝用碳素工厂 时常为电解槽阳极氧化掉渣和掉块所困扰。严重的氧化掉渣和掉块导致铝电解槽运行紊 乱，以至发生电解槽事故，使电能、物料消耗大幅度提高，电流效率急剧下降，甚至导致 换阳极、停槽等严重事故。据统计，每年因铝电解槽阳极氧化掉渣或脱落问题给全国铝 厂和炭素厂造成的损失在数亿元人民币以上【1 6 i 【1 7 】【1 8 】。 此外，阳极效应是铝电解过程中又一种发生在阳极上的特殊现象。当其发生时，阳 极上出现许多细小的电弧，并发生轻微的噼啪声，此时槽电压已从正常值升高到数十伏 实验室的阳极效应通常是在阳极电流密度增大到定数值时发生，而在实际铝电解生产 中，当电解质里的氧化铝浓度降低到某一值时发生。尽管阳极效应可以清除铝电解质中 的碳渣、烧平阳极底掌，但由于发生阳极效应要消耗大量的电能，并引起系列电流和电 压的波动，降低电流效率，所以工业生产中要抑制阳极效应的发生【1 9 1 。 因此，铝电解槽阳极工作状态故障诊断研究对于铝电解生产过程有着极其重要的意 6 北方工业_ 人学硕士学位论文 义。 1 4 国内外铝电解槽阳极故障诊断研究的现状 由于铝电解槽阳极在铝电解生产中的重要性，国内外的专家、学者纷纷，对其迸行 了研究，对其在生产中所存在的故障进行诊断。 1 4 1 国外铝电解槽阳极工作状态故障诊断研究的现状 8 0 年代，国外就对铝电解生产过程及铝电解槽的工作状态进行了深入研究，并针 对铝电解工业自身的生产特点，结合故障诊断技术，研究出了一系列铝电解槽及其阳极 工作状态的故障诊断方法。例如，加拿大铝业有限公司阿尔维达研究中心开发的2 8 5 k a 大型铝电解槽工艺是以三场模型的研究为主要依据，研究内容包括，通过对槽中系列电 流的分析。模拟槽中电场和磁场的相互影响，测试槽内铝液面的实际形状和运行情况， 并与理论模型参数进行对比，以诊断故障，从而对铝电解的生产过程进彳亍控制1 2 0 2 6 】。 近年来，随着故障诊断技术的不断进步和计算机技术的发展，美国，英国，挪威等 国家采用了基于人工智能，专家系统，神经元网络等技术对铝电解槽尤其是阳极进行了 综合分析和诊断，取得了较好的诊断效果。加拿大和挪威等国家利用专家监控系统对铝 电解槽槽况进行了全面的解析和诊断( 2 7 j ，并根据结果对铝电解槽生产过程进行控制， 使电流效率达到了9 6 以上，取得了较好的经济效益。 对于铝电解过程中的另一个常见的故障阳极效应，各国的研究方法不同，比如 美国佛罗里达国际铝业有限公司针对2 4 0 台1 3 5 k a 电解槽开发了阳极效应预报程序， 有效率达到9 4 ，该预报程序对阳极效应发生前1 5 分钟的槽电阻数据进行平滑处理， 若平均槽电阻比目标电阻大0 5 q ，便立即做出阳极效应预报。 1 4 2 国内铝电解槽阳极故障诊断研究的现状 我国对铝电解生产过程及铝电解槽的工作状态的故障诊断研究起步较晚。并且由 于我国铝电解工业自身的特点和发展现状，国外的铝电解生产过程和铝电解槽工作状态 的故障诊断技术对于我国的铝电解工业针对性并不是很强。因此，我国需要自行研究针 对于我国铝电解工业自身特点的故障诊断技术。目前，我国在这方面的研究方法主要集 中在模糊专家系统和神经网络两个方面 2 9 - 3 3 i ，并且在一定程度上取得了较好的诊断效 果，例如，在中南工业大学开发的模糊专家控制系统中，模糊数学与专家系统相结合来 诊断槽况，使得电流效率从原来的8 8 提高到9 3 。但是，在铝电解槽故障诊断方面， 我国还处于起步阶段，与国际水平还有差距，并且还没有广泛的应用于铝厂生产中。 此外，对于阳极效应的预报方法研究有很多种，如将辨识和故障检测技术、最小 7 北方工业人学硕士学位论文 二乘法等方法应用于铝电解槽阳极效应预报中，都取了不错的效果【3 4 】。 1 5 本文主要工作 本文主要围绕铝电解槽阳极工作状态监测、诊断和阳极效应预报三个方面，尤其是 阳极工作状态的故障诊断进行了系统深入的研究，并在此基础上，使用v i s u a lc + + 6 0 作为主要开发工具，丌发铝电解槽阳极工作状态故障诊断系统软件。 首先，对阳极的主要工作故障进行了详细的研究，并对本文进行故障诊断的两种主 要信号做了细致深入的解析，并将快速傅立叶变换、m a t l a b 技术、数字滤波器设计 技术应用于这两种信号的解析与滤波模型中，分别为两种信号设计了高通滤波器和低通 滤波器，为阳极工作状态的故障诊断和阳极效应的预报提供了前提。 在前面工作的基础上，详细的叙述了采用模糊综合评判方法对阳极工作状态进行故 障诊断的整个过程。 在软件开发方面，应用了数据库技术、多线程、串口通讯技术，实现了阳极故障诊 断系统软件的开发。 本章概述了故障诊断技术额的发展、分类、铝电解工业概况、阳极故障诊断的重要 意义、国内外铝电解槽阳极故障诊断的现状。并对本论文的工作做了概括介绍。 8 北方工业大学硕士学位论文 第二章阳极故障机理解析及其信号处理 在我国大部分铝厂的电解槽大多是引进的外国设备，并且大都经历了照搬小改 大改国产化等艰难的历程。尽管如此，改进完善后的设备和优化匹配后的工艺 技术条件与国际的先进预焙槽相比，仍存在着较大差距，如母线配置、槽型结构、槽壳 及内衬、设备老化等方面。不规范的大面加工制度和过宽的中缝，致使槽子中缝沉淀多， 四周也不少。这样，生产槽不稳定的引发因素很多，铝电解槽及其阳极发生故障的情况 也就很多l ，3 i 。 2 1 阳极工作状态主要故障 铝电解槽阳极工作状态常见的故障包括阳极长包和阳极氧化掉渣或脱落【3 6 1 1 3 7 1 。 阳极长包是由于炭块内部质量不均匀，在电解稽上使用的过程中，电解消耗速度不 一，造成炭块下表面局部凸出的现象。 所谓炭阳极氧化掉渣和裂纹掉块是指电解槽运行中阳极炭块底部和侧部等不断有 炭渣和碎阳极块脱落，阳极残极因严重氧化而“发软”裂纹掉块等。炭渣碎块脱离阳 极，不仅增大了炭耗，更重要的是破坏了电解生产正常的技术条件，改变了电解质的导 电性和表面张力等特性，改变了阳极电流密度，严重危害铝电解生产的正常运行，甚至 导致阳极事敌及停槽。 2 2 阳极效应 阳极效应是融盐电解过程中发生在阳极上的一种特殊现象，效应发生时的状态及效 应发生的频率，是判断电解槽运行状况的标志，也是对电解工艺状况的反映【1 9 1 。在控制 技术不高的铝厂人们认为能发生阳极效应的电解槽是正常槽，产生效应表示电解工艺过 程迸行顺利。但是尽管阳极效应在电解铝生产中能产生有利作用，但也存在不良影响。 如发生阳极效应时，输入电能增加。电流效率反而降低，吨铝电耗增加，并且会烧坏上 口炉帮结壳，熔融的电解质直接接触侧部碳块，使碳块侵蚀和氧化加快，降低电解槽寿 命。随着人们的节能意识的提高和铝电解技术的发展，对阳极效应已有了更新的认识。 降低阳极效应系数，缩短阳极效应时间，不单是提高铝电解经济技术指标的需要。而且 是整个系列生产稳定和安全的需要。 2 2 1 阳极效应发生的机理 关于阳极效应产生机理的观点很多，较为普遍的观点p 8 1 是，当电解质中的氧化铝 9 北方工业大学硕士学位论文 浓度降低到0 5 1 0 时，处于阳极近层液中的离子可能是桥式的离子。在这种 情况下，阳极气体中已有少量的四氟化碳( 0 4 2 ) ，由于氟离子在阳极上放电逐 渐增多，阳极过程愈加迟滞，阳极过电压愈增大，阳极便从活化状态转向钝化状态。也 就是说电解质对阳极的湿润性变坏，阳极气体开始大量积聚在阳极上，使阳极电阻增大， 于是阳极电流密度增大，当达到或超过某一临界值时，便产生许多细小的电弧，于是阳 极效应就发生了。 2 2 2 阳极效应发生时的特征 阳极效应发生时，具有明显的特征m 1 ： 当阳极效应发生时，阳极和电解质交界面处，凭肉眼可以看到有明显弧光放电， 并伴有噼啪声。 槽电压突然升高。有时槽电压高达6 0 多伏，导致槽输入能量剧增，于是槽温 升高。 这些特征是生产实际中确认效应产生与否的重要依据，也是对电解工艺过程进行控 制和管理的重要依据之一。 由于铝电解槽自身生产过程的特点，能够在线监测的信号比较少，而槽电压历来是 用来控制和诊断铝电解槽工作电解过程的主要参数，此外，阳极导杆等距压降也是阳极 工作状态监测的一个重要参数。因此本文主要从槽电压和阳极导杆等距压降这两种信号 入手来对阳极工作状态进行故障诊断。 2 3 槽电压和阳极导杆等距压降简介 ( 1 ) 槽电压简介 铝电解槽槽电压由下式表示【1 3 】： v = vm + v m + e 女+ vm + v 母( 2 1 ) 式中 v 阳阳极电压降 v 明阴极电压降 e 实氧化铝的实际分解电压( 又称反电动势或极化电压) v 质电解质压降 v 母母线电压降( 包括阴极、阳极、力柱、槽间母线) 槽电压的特点是波动幅度大，正常情况，在5 v 以下，铝电解槽出现故障( 比如阳极工 作故障) 或者阳极效应后，槽电压会迅速的增大，例如发生阳极效应后，槽电压可能会 北方工业大学硕士学位论文 增大到3 0 v ，有时增大到6 0 v 一7 0 v ，甚至会达到l o o v 。如图2 - 1 所示，当槽电压为 4 3 8 5v 时，没有发生阳极效应，此后槽电压逐渐增长，当其为2 9 5 8v 时，阳极效应 发生。 表2 1 槽电压( v )时间 ( 2 ) 阳极导杆等距压降简介【3 6 1 1 3 9 】 阳极导杆等距压降反映了阳极的电流分布，电解槽阳极的电流分布对电解生产非常 重要，当阳极发生故障时，阳极的电流就表现为不均匀分布，从而阳极导杆等距压降就 表现为不稳定。 2 4 信号分析与处理 设备在运行过程中，和运行状态有关的各种物理量随时间的变化呈现一定的规律。 这些物理量包括振动、噪声、幅度、压力等。信号中常常包含对机器状态识别与诊断非 常有用的各种信息。有效地分析、处理这些信息，建立它们和设备运行状态之间的联系， 是设备故障诊断的基础。为了更有效地进行识别和诊断，通常还要对信号进行加工处理， 抽取其特征。如果知道某些特征与设备的状态或某种故障有较强的依赖关系，就能获得 好的诊断效果 4 0 q 2 。 随着当前铝电解过程智能控制和专家控制系统的研究在国际上的兴起，研究者们越 来越重视以往被视为噪声而剔除的采样信号的高频成分进行深入的解析，以求尽可能多 的获取槽况信息。一些研究者认为采样信号的高频部分是由阳极故障引起的【4 3 】。 通常，大部分铝电解槽故障诊断的应用软件和国内外相关的研究表明在对电解槽的 工作状态进行故障诊断之前，都要对诊断参数进行信号处理一般来说就是设计低通 川跏脚叩；呈舭 雌 吣 圳 邶 m 加 锯 踮 悖 b 驱 佗 3 3 4 4 6 l l 们 奶 “ “ 拍 拽 强 北方工业大学硕士学位论文 数字滤波器对诊断参数进行滤波处理。取出其中的高频( 即快事变) 组分，以避免其相 对铝电解槽阳极工作状态这个慢时变过程的诊断产生干扰。一般采用的是具有惯性滤波 性能的一阶递归式低通数字滤波器。其结构形式是： y ( k ) = ( 1 一妒) y ( k 一1 ) + 妒x ( k ) ( 2 - 2 ) 式中，y ( 七 为滤波器输出；x ( k ) 为输入：k 代表采样点的时序i 妒为滤波系数( o 妒( 1 ) 。 为了达到加强滤波效果，常采用多个这样的数字滤波器级联的方式。滤波系数及滤波器 的绂联个数一般用实验或经验确定。 美国的1 t a u p i n 提出使用数字信号处理技术中的快速傅立叶变换( f f t ) 技术解析采 样信号的频率成分【4 5 】，通过这种方法分析引起“噪声”的主要因素及其强度，并建立 槽控制参数与解析新模型。与现行的其他槽控制参数的滤波和解析模型相比，它具有以 下优点： 针对控制和诊断目的不同使用不同的数字滤波器。数字滤波器不仅结构简单， 而且具有明确的物理意义和良好的滤波性能，从而为实现准确无误的过程解析和 诊断提供了前提条件。 具备了对采样信号进行高、低频解析的功能，从而提高了对铝液波动和阳极工 作故障等不确定槽况及异常槽况进行早期诊断的可靠性。 本课题将借鉴这种方法对槽电压和阳极导杆等距压降两种信号进行解析，为铝电解 槽阳极工作状态故障诊断提供前提条件。 2 4 1 槽电压和阳极导杆等距压降的频谱分析 本系统接收的两种