中国铝电解槽计算机控制技术发展的回顾与展望

中国铝电解槽计算机控制技术发展的回顾与展望*杨振海孙淑萍邱竹贤摘要全面叙述了我国铝电解槽控制技术的发展过程和现状，指出目前常用控制技术的优缺点及可能的改进，并较详细地介绍了自适应控制和分布式系统的原理及其在铝电解上的应用，指出中国铝电解控制技术将发展成为以氧化铝浓度自适应控制为基础的智能模糊控制系统。关键词自适应控制，分布式系统，氧化铝浓度。分类号TF?821ReviewandProspectofComputerControlSystemforAluminumSmeltersinChinaYangZhenhai,SunShuping,QiuZhuxian(SchoolofMaterialsandMetallurgy,NortheasternUniversity,Shenyang110006,China)ABSTRACTThedevelopmentinpastthirtyyearsandcurrentsituationofcontroltechnologyforaluminumsmeltersinChinaweresystematicallypresented.Theweakness,advantageandpossibleimprovementofeachcontrolmethodswereanalysed.Theprincipleofadaptivecontrolanddistributedcontrolsystemappliedforaluminumelectrolysiswereintroducedelaborately.ComputercontroltechnologyforaluminumsmeltersinChinaisdevelopinginintelligentfuzzycontrolsystembasedontheadaptivecontrolofaluminaconcentration.Thequalityofaluminaandprebakedanode,functionsandstabilityofcontroller,andstabilityofcellcurrentareveryimportantforthecontroleffectiveness.Morestudiesonaluminadissolutioninmoltenelectrolyteandonconductanceofmoltenelectrolyteareneededtodevelopthecontroltechnologyforaluminumsmelters.KEYWORDSadaptivecontrol,distributedcontrolsystem,aluminacontent.(ReceivedSeptember29,1998)1常规铝电解控制技术的发展历程我国计算机控制技术在电解铝上的应用开始于70年代初，在短短的二三十年内，这方面的控制技术一直在不断更新和提高，现在已在许多方面与国际上的先进水平取得了同步发展。1972年冶金工业部组织有关单位赴罗马尼亚考察后，组织有关单位迅速开展铝电解生产过程自动控制的研究和实验。1974年沈阳铝镁设计研究院与抚顺铝厂合作,研制成“多台槽巡回检测和阳极自动调整装置”［1］，并在抚顺铝厂101车间部分槽上运行。同年两单位又研制成第1台64?kA中间打壳下料的预焙槽模拟式控制装置。1975年10月，东北工学院研制成1台工业控制用计算机LSK-74系统，在抚顺铝厂对135?kA预焙阳极电解槽进行自动调整极距和预报效应的初步实验，取得了较好的效果。80年代初贵州铝厂全套引进日本轻金属株式会社160?kA预焙槽控制系统，它是二级集中式控制系统，第一级上位主机采用PDP-11/84小型机，主要完成系列208台电解槽的数据采集、过程解析、操作命令发布以及信息管理等项控制任务；第二级槽控箱只按上位主机发布的操作命令完成相应的动作时序［2］。主机每隔2?min统一对采集的全系统所有槽的槽电压和系列电流进行解析，将其计算成平滑电阻，并与相应槽设定电阻比较；此外，主机每隔2?min对系列所有槽的加料进行一次解析，通过槽控机驱动槽下料装置下料，完成按等间隔时间定期定量打壳加料(NB)过程。可以看出，该控制技术与现在相比是简单和粗糙的，难以满足铝电解控制的要求，需要进一步的改进和提高。在此之后，沈阳铝镁设计研究院开发研究了青海铝厂铝电解槽计算机控制系统，基本上是“日轻”技术的翻版和自建，除中央控制机及其附属装置采用引进设备外，槽控机、外部接口箱等均采用国产设备。该系统于1987年投产时开始在线控制运行，基本安全可靠，各主要控制和管理性能达到了设计要求，这表明我国已有了独立开发和制造铝电解控制系统的能力。最初的贵铝一期、青铝一期、包铝二期都采用这种电解铝计算机控制系统(已改造)，二级集中式控制，在主机和槽控机之间采用并行总线相连。这虽使铝电解生产指标有了一定提高，但系统造价高、可靠性差、缺少灵活性、难以满足复杂实时控制的要求，需要有更先进的技术来取代。2分布式控制系统的开发应用随着现代电解铝工艺和计算机控制技术的高速发展，国外已由多极分布式控制系统代替了70年代采用的一级或二级为主的集中控制及区域控制结构。适应这一发展，沈阳铝镁设计研究院研究开发了基于BITBUS总线技术的铝电解槽分布式控制系统［3］，在1990年和1991年与抚顺铝厂、青海铝厂进行了合作研究和现场运行，并在青铝二期工程中推广使用。该系统的设计为大型预焙槽计算机控制创出了一条新路。控制系统框图如下。图1BITBUS分布式控制系统框图3自适应控制的研究开发及原理1991年，贵州铝厂和贵阳铝镁设计研究院联合完成了大型预焙槽滞环自适应控制系统的开发，在贵铝二期5台槽上进行了试验，并开发出新型风动点式下料装置。高效能电解槽的特点是能长期处于十分稳定的状态下生产，具体讲这种电解槽的能量收支和物料收支是平衡的，槽况是可以自我调节的，依靠的手段是计算机控制，这种电解槽的电解温度、氧化铝浓度、电解质结壳形状等技术条件基本是一个常数。所谓自适应控制，就是使电解槽在能量和物料平衡的状态下工作，槽子处于基本稳定状态。滞环非线性自适应律如图2。图2滞环非线性自适应律在这个滞环里分3个区域：1区为欠量加料区，范围是ABGHOA；2区是正常加料区，范围是BCFGHAN；3区是过量加料区，范围是CDEFGBC。欠量区和过量区包含了正常区。根据槽电阻斜率的变化，进行欠量、正常和过量3个状态的切换控制，使系统渐近稳定于滞环区域内工作。自适应控制的基本思想是根据Al2O3浓度与槽电阻对应关系，利用槽电阻“辨识”Al2O3浓度，然后控制Al2O3加料速率。贵州铝厂在二电解150＃槽上进行了多次特定条件下的槽电阻与Al2O3浓度测定，将采集系统得到的并经过平滑处理的槽电阻与化验分析得出的Al2O3浓度作成曲线如图3所示。图3槽电阻与Al2O3浓度关系曲线同期，抚顺铝厂和沈阳铝镁设计研究院也进行了这方面的研究，并得出相似的Al2O3浓度与槽电阻关系曲线。通过槽电阻变化间接“测量”Al2O3浓度，并据此改变加料速度(即正常加料、欠量加料、过量加料3个周期)达到Al2O3浓度控制的目的。4智能模糊控制和专家系统的发展自1992年起，沈阳铝镁设计研究院和抚顺铝厂共同承担了有色总公司“八五”攻关项目“智能型铝电解槽工业试验”，于1994年通过了技术鉴定，在抚铝135?kA铝电解槽上推广应用。该试验采用了以PCBUS(管理级)＋BITBUS(通讯网络)＋STDBUS(控制级)构成的分布式计算机控制系统，并运用先进的Bitbus工业控制网络、高速V/F转换系统、信号的无融点检测电路等新技术开发了槽控机，具有较完善的阳极升降保护、过欠压保护及硬件自诊断系统，并开发了与工艺技术相适应的数学模型和应用软件，使智能化技术在我国铝电解生产上首次得到了应用。1995～1997年间，青海铝厂与中南工业大学共同承担了“智能模糊控制技术在160?kA预焙铝电解槽上的开发应用”，并于1997年8月通过总公司鉴定。该系统采用“模糊控制槽控机(DCC级)—工控微机(SCC级)”的二级分布式控制方式。控制软件主要由DCC级的“实时控制(专家模糊控制器)”，SCC级的“电解质温度与槽膛内形在线仿真”，“槽况诊断”，以及“组织与监视”等4个子系统构成。系统综合应用了智能控制的三大块，即模糊控制、神经网络和专家系统，并进行了工艺技术条件优化和相关设备改造。新系统投入运行后，在技术指标和经济效益两个方面均取得较好的效果。同期，贵州铝厂、贵阳铝镁设计研究院与北方工业大学合作开展了智能模糊控制技术在180?kA预焙铝电解槽上的开发应用，其内容与上文所述青海铝厂的技术基本相似，这里就不再重复。5总结以上是我国铝电解工艺自动控制发展的基本动态，可以归纳为以下几个阶段：(1)应用计算机进行简单的动作控制，不对电解槽状态进行分析、检查、判断和处理，过程控制大多采用简单的定值控制；(2)自适应控制阶段，即根据电解槽所处的状态，分析、判断槽子需要氧化铝或调整的状况，作出相应的处理。这种控制为闭环最优控制系统;(3)开发专家系统并实施阶段，这个阶段现在正着手进行，主要任务是形成控制铝电解生产的专家系统。专家系统对电解槽的控制是根据电解槽的状态数据进行分析，判断槽子状态的优劣，并对槽子作出相应处理。6现阶段技术存在的问题及改进总体来说，我国铝电解控制技术在很多方面都已接近了国际水平，在控制算法、槽况诊断、动态仿真等方面有其独到之处。但铝电解厂的生产指标与国际先进水平相比仍有一定差距，这是有多方面原因的。从生产原料来看，首先是氧化铝来源不稳定，经常是同时使用国内几家工厂的氧化铝，或既用国内的，也使用国外的，而对物料特性要求不严格，从而给自适应控制带来一定困难；其次，阳极炭块的质量需要得到保证，这是许多工厂面临的问题。从硬件设备来看，槽控机的功能和稳定性还需提高，下料装置、升降装置等机械电气设备的性能还需加强，并要有及时可靠的维修保证。电流的稳定既需要良好的整流装置，也需要电厂等其它单位的配合。此外，还需要能力好素质高的现场操作人员及严格的管理制度。相信在不久的将来，中国的铝电解控制技术会得到更好的发展，达到或领先于世界先进水平，生产技术指标也能达到世界先进铝厂的水平*杨振海，男，25，博士研究生；邱竹贤，男，78，教授，博士生导师，中国工程院院士.国家自然科学基金项目（编号：59574018）.作者单位：东北大学材料与冶金学院，沈阳110006参考文献［1］抚顺铝厂，沈阳铝镁设计研究院。多台铝电解槽巡回检测和自动调节装置。轻金属，1978(1):23［2］周铁托，殷恩生，刘永刚，等。铝电解槽计算机控制技术综合评述。轻金属，1998(4):35［3］姚恩秀,张毓海,刘红兵。用为总线技术构成的分布式电解槽计算机控制系统。轻金属，1992(8):8