浅谈铝电解计算机控制系统优化升级

浅谈铝电解计算机控制系统优化升级

张飞 邢二超

河南中孚铝业有限公司 河南 巩义 451200

摘要：分析了铝电解控制系统的主要控制思想、软件、硬件等方面的基础知识，现在开发出的辅助分析软件，对未来控制系统的展望。

关键词：铝电解智能控制系统、能量平衡、物料平衡、磁场平衡

引言

铝电解计算机控制技术是一门以电子技术、自动控制技术、计算机应用、计算机控制技术为基础，以计算机控制技术为核心，综合可编程控制技术、单片机技术、计算机网络技术，从而实现生产技术的精密化、生产设备的信息化、生产过程的自动化及机电控制系统的最佳化的专门学科。目前国内采用的控制系统有：自适应控制系统、模糊控制系统、三度寻优控制等等。

铝电解生产目前国内普遍采用服务器、计算机、信号分配箱、CANBUS通讯协议（或其他协议）、槽控机、电流信号、电压信号、网络构成铝电解集散式控制系统来控制电解生产。随着计算机技术的成熟和强大，铝电解工艺技术的不断完善，铝电解控制系统也在不断升级，目前国内有的控制系统已经取得了良好的成果。

近现代的电解生产已经进入数字化时代，不论是哪种控制系统，控制的都是能量平衡、物料平衡、磁场平衡和辅助分析系统的数据分析，所有控制的数据就是控制精度的依据，数据就是生产的重要依据，铝电解生产数据越准确、越精细化，生产就越稳定高效，数据之间的相互影响关系考虑的越周密，影响因素大小判断越精确，我们就能取得好的电流效率和低的消耗、低的电耗，低的成本控制就能实现，才能取得较大的利润空间，企业才能长治久安，才能不断做大做强。下边我们就围绕电解控制数据展开说明谈谈铝电解控制系统技术的优化升级。

1 能量平衡

如何保持能量平衡是控制系统的重中之重，能量平衡包括能量收入和能量支出。能量收入就是槽电阻（槽电压）产生的能量，怎么精确的采集槽压数据与精确控制是控制系统升级优化的重点。目前存在的问题是槽子控制系统能量平衡很难控制好，原因就是槽压的精细化控制不够完美，操作质量不稳定等。单台电解槽电压直接在电解槽母线上采集，然后连接到槽控机，通过槽控机的VFC转换模块通过CANBUS通讯线联网到计算机，通过槽号设定，软件自动识别对应槽子的槽电压，槽电压是整个控制的重点。母线上的采集点就非常重要，接触点要牢固，把误差降低到最小。如果单台槽压不准，在短路口用万用表测量，与槽控机上的数字表对比，一般情况他们相差20mv，如果相差太大，第一种情况说明槽控机VFC或CPU板硬件有问题，采用更换法来排除问题，第二种情况是槽压线松动造成槽压失真，复紧槽压线就可排除故障。能量支出就是散热，散热包括炉底、炉邦、炉面、换极操作等。炉底散热主要是铝液的高度决定，炉邦的散热主要是炉邦的厚度，炉面的散热就是保温料的厚度，换极操作是冷热极交换和电解质的带出等，这就要求工艺人员精确掌握和严密控制。槽压采集准确、控制系统精确控制，制定的各种策略得当，就能控制合理。槽压控制引入槽噪声控制，是近年来控制的一个亮点，噪音值控制电解槽，从微观的层面对电解槽进行控制，使得对电解槽的控制更加精细；还有就是氟化盐添加也采用控制策略实时添加和更改，可以有效控制氟化盐过量，降低初晶温度，提高电流效率，从而控制电解槽的能量平衡。

2 物料平衡

物料平衡主要是控制电解质成分，保持较为合理的区间，主要控制对象也就是氧化铝浓度。氧化铝的控制采用的控制策略有自适应加料、模糊控制加料、三度寻优加料等，控制的主要依据就是氧化铝浓度与槽电阻的曲线图，控制的方法现在有多点同时加料，多点依次加料，多点的奇数点同时加料、偶数点同时加料等。目前我们存在的问题是氧化铝浓度有时会失控，就是进入长时间的过量状态或者欠料状态，自动纠错不够完美，三个阶段不是很频繁交替。氧化铝浓度控制采用“三阶段循环”的控制策略，将控制过程划分为三个阶段，分别是正常加料，欠加料，过加料。过欠分析规则，输入件为特征曲线的三个阶段（正常、欠、过）的特征（语言）变量，输出件为浓度的高低（语言变量），用于判断运行的浓度区域。其中各模糊变量的语言值根据经验和试验确定，并结合生产过程特性，建立各自的模糊子集。模糊控制系统在初始运行时，以初始NB开始，通过“三阶段循环”控制策略，不断寻找“最佳”的NB，不断靠近“低”浓度且又不发生效应。每天各槽的过欠循环过程的次数合适，浓度就能控制在合理的范围，并达到按需下料的工艺要求

3 磁场平衡

磁场的平衡除了设计初期要设计合理的母线结构外，在生产中也要掌握铝液的高度，铝液的镜面大小等数据。铝液的高度和镜面的大小也是影响磁场平衡的重要数据。目前大部分电解槽不同程度会出现电压波动、滚铝等现象，原因就是波动初期的控制策略不当，针振演变成波动，小波动演变为大波动，甚至滚铝等现象。控制系统也要开发出不同铝液高度、铝液镜面大小的控制策略，减少波动，稳定生产，磁场的稳定也是降低无功能耗的最好途径。目前稳定磁场的槽型很多，有倾斜炉底型，凹凸型电解槽、静流电解槽等，我们公司目前采用比较成功的槽型就是阻流型电解槽和静流电解槽。好质量的碳块和异型碳块也是稳定磁场的好途径。磁场的变化是一个变量，磁场的平衡是相对的，这需要今后投入很大精力的研究，在控制系统中开发出动态的控制策略，保证磁场的相互制约、相对平衡。

4 控制辅助系统

在电解控制主系统之外，目前国内控制系统中增加了不少辅助分析系统，这也是优化升级的方向，如：槽压历史曲线图、工艺参数曲线图、工艺参数的柱状图、数据的合计、旋转等等，方便人员对比分析和对历史数据的掌握，报表的管理更具直观、人性化，日报、月报、季报，或者给定日期生成对应的报表对比分析，报表的分析具有选择性、对比性、简易性，可以对比得出不同时期控制的好坏，对今后的控制给出指导。今后还可以添加一些小的辅助工具性功能，如：过热度的简易计算程序，出铝任务计算程序，压负荷时的能量减少与升负荷能量补充计算程序等等。有些控制系统还和模糊专家系统结合，生成了建议出铝量，建议调整电压、下料量、氟化盐加料量等等，更趋于智能化。如我们开发的辅助软件：

5 硬件

目前国内的槽控机逻辑部分的硬件还停留在60年代初期，反应慢，处理速度低下，存储数据量小，通讯协议较老，时常出现通讯故障，丢数据现象时有发生，造成控制系统不够精确。动力部分保护不够严密，如：阳极母线上下限位保护功能应急开关功能，单台效应声光报警功能，防雷功能等等。有的槽控机只是部分功能有，未来单台槽控机就能有智能控制程序，可以看历史曲线，各种参数的显示功能，规范操作提醒程序，操作不规范警告，人机互动程序等。脉冲发生器与限位控制经常窜入高电压，对槽控机是一个较大的安全隐患，我们应该采取隔离的措施进行防护，避免高电压、大电流的窜入。

6 未来控制系统的展望

控制系统在不断升级优化，从原来的单一控制到目前的多元控制、智能控制，还在不断的优化，打破老的控制思想，让思想更加开放，控制策略更加完善。如原来的控制思想是四低一高，现在又有人提出五低一高，三窄：低浓度、低电压、低分子比、低效应系数、低槽温、高阳极电流密度，窄过热度、窄电压波动、窄磁流体稳定性。未来的控制系统将是最智能、最人性化的控制系统，今后的控制系统将：

6.1 自动控制程度规模化和大型化。

6.2 数据采集的实时性与在线性。

6.3 数据分析的多元性、多样性。

6.4 数据挖掘整合生成模拟的3D槽炉膛内形，了解看不到的炉膛状况，语音报警更加丰富。

6.5 分析结果在线控制性，具有实时性，时效性，避免延时造成槽况恶化。

6.6 Internet互联网的利用，未来开发成远程监控、控制，无线移动办公、手机、ipad办公等功能，让你随时随地了解槽况和做出调整，真正意义的实现专家在线分析。现在我们公司已经在智能手机控制系统中率先迈出了一步，手机终端软件已经开发和在电解现场使用。无线移动办公使管理更加科学、更加及时，工作更加有效。