（控制理论与控制工程专业论文）氧化铝熟料溶出磨机智能优化控制软件的设计及开发.pdf

。- ：、0 ： 0 ) 上r 一、。 t 江 at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n de n g i n e e r i n g d e s i g na n dd e v e l o p m e n to f b a l lm i l li n t e l l i g e n to p t i m a l c o n t r o ls o f t w a r eo fa l u m i n ad i s s o l v i n gp r o c e s s b yx i n gj i n j u n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rc h a it i a n y o u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 、 j 1 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 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。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：也 恧。 学位论文作者签名：丹j ；金军 日 期：加d 1 7 7 7 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。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：哥险军 签字日期：砷d 7 7 7 导师签名： 签字日期：翟们爱缝训 一i i 东北大学硕士学位论文摘要 氧化铝熟料溶出磨机智能优化控制软件的设计及开发 摘要 氧化铝生产方法主要包括烧结法、拜尔法和拜尔烧结联合法。由于我国铝土矿铝硅 比低，氧化铝生产主要采用烧结法和联合法。在烧结法氧化铝生产过程中，溶出过程的 作用是将熟料中的a 1 2 0 3 和n a 2 0 尽可能完全转入溶液中，实现溶出液中a o 浓度和n c 浓度 稳定控制在目标范围内。该过程是处于烧结法工艺干法与湿法的交会处，是整个烧结法 生产技术经济指标的核心控制环节。该过程具有非线性、大时滞、慢时变、关键工艺参 数无法在线测量等综合复杂特性，其控制和优化技术的研究具有重要意义和相当难度。 本文依托于国家8 6 3 计划课题“大型磨机智能控制系统 ( 编号2 0 0 7 a a 0 4 1 4 0 5 ) ， 设计开发了氧化铝熟料溶出磨机智能优化控制软件，并对所开发的软件进行了测试，证 明了其可行性与有效性。具体完成的工作总结如下： ( 1 ) 开展了氧化铝熟料溶出磨机智能优化控制方法的研究，提出了智能优化控制策 略，包括智能优化设定方法和基础回路控制方法。其中，智能优化设定方法包括基于案 例推理的预设定模型和基于专家规则的反馈补偿模型。 ( 2 ) 结合氧化铝熟料溶出过程的特点和控制要求，进行了氧化铝熟料溶出磨机智能 优化控制软件的的结构设计及功能设计。智能优化设定软件的功能是根据工况优化设定 基础回路的流量设定值，保证关键工艺指标溶出液a o 浓度和n c 浓度在目标范围内： 过程监控软件主要完成生产过程的状态监控；基础回路控制软件主要完成现场生产设备 的控制功能，包括设备启动停止，联锁控制和回路控制等功能。 ( 3 ) 以山西铝厂氧化铝熟料溶出工程项目为背景，在c o n t r o lb u i l d e r 平台上开发了 基础回路控制软件，在蹦i w r e bd i s p l a yb u i l d e r 平台上开发了过程监控软件，在v i s u a l b a s i c6 0 平台上开发了智能优化设定软件。智能优化设定软件的开发包括基于自动化接 口的o p c 客户端开发，采用a c c e s s 作为开发软件并使用a d o 控件连接操作的案例库 的开发，智能优化设定软件人机交互界面的开发。 ( 4 ) 对智能优化控制软件的o p c 订阅式通讯和异步通讯功能、预设定模块的案例 库、预设定模块、反馈补偿模块和设定值下装模块进行了功能测试，测试结果表明了其 可行性与有效性。 关键词：氧化铝；溶出过程；磨机；优化控制：o p c ；a c c e s s ；v i s u a lb a s i c i i i 东北大学硕士学位论文 摘要 一一 、 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fb a l lm i l li n t e l l i g e n to p t i m a lc o n t r o l s o f t w a r eo fa l u m i n ad i s s o l v i n gp r o c e s s a b s t r a c t t h e r ea r et h r e em e t h o d si nt h ep r o d u c t i o no fa l u m i n a , w h i c ha r et h es i n t e r , b a y e ra n d c o m b i n e dm e t h o d o w i n gt ot h el o w - g r a d e 刖so ft h ea l u m i n u mm i n e ，t h es i n t e ra n d c o m b i n e dm e t h o da r ew i d e l ya d o p t e di no u rc o l i n t r y i nt h ep r o c e d u r eo ft h es i n t e r i n g ，t h e f u n c t i o no fd i s s o l v i n gp r o c e s si st om a k et h ea 1 2 0 3a n dn a 2 0d i s s o l v e df r o mt h ec l i n k e rf i r e d b yr o l l i n gk i l n a sm u c ha sp o s s i b l e ，i no r d e rt o g u a r a n t e et h ec o n c e n t r a t i o no fs o d i u m a l u m i n a t ea n ds o d i u mc a r b o n a t ei nt h et a r g e tr a n g e t h ea l u m i n ad i s s o l v i n gp r o c e s si st h e b o n do ft h et w op r o d u c i n gp r o c e s so fw e ta n dd r ym e t h o d ，a n di ti sa l s ot h em o s ti m p o r t a n t p a r to fe c o n o m i ci n d e xi nt h es i n t e rm e t h o d 砀ea l u m i n ad i s s o l v i n gp r o c e s sh a sc o m p l i c a t e d c h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a r i t y , l o n gt i m e - d e l a y , s l o wt i m e - v a r y i n ga n ds om a n yk e yp r o c e s s p a r a m e t e r sw h i c hc a nn o tb em e a s u r e do n l i n e ，s oi ti sd r a m a t i c a l l ys i g n i f i c a n ta n dd i f f i c u l tt o s t u d yt h ec o n t r o la n dt h eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e so ft h ep r o c e s s s u p p o r t e db yn a t i o n a l8 6 3p l a ns u b j e c t “l a r g e - s c a l eb a l lm i l li n t e l l i g e n tc o n t r o l s y s t e m ( n o 2 0 0 7 a a 0 4 14 0 5 ) ，t h eb a l lm i l li n t e l l i g e n to p t i m a lc o n t r o ls o f t w a r eo fa l u m i n a d i s s o l v i n gp r o c e s si sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，a n dt h ed e v e l o p e ds o f t w a r eh a sb e e nt e s t e dt o p r o v ei t sf e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s s t h ec o n t e n t so ft h i sp a p e ra r es u m m a r i z e da sf o l l o w e d ： ( 1 ) m b a l lm i l li n t e l l i g e n to p t i m a lc o n t r o lm e t h o d so ft h ea l u m i n ad i s s o l v i n gp r o c e s s a r er e s e a r c h e d ，a n dt h ei n t e l l i g e n to p t i m a lc o n t r o ls t r a t e g y , w h i c hc o n s i s t so fi n t e l l i g e n t o p t i m a ls e t t i n gm e t h o da n db a s i cl o o pc o n t r o lm e t h o d ，i sp r o p o s e d n ei n t e l l i g e n to p t i m a l s e t t i n gm e t h o dc o n s i s t so ft h ep r e s e tm o d e lb a s e do nc b ra n dt h ef e e d b a c kc o m p e n s a t i o n m o d e lb a s e do ne x p e r t sr u l e s ( 2 ) c o m b i n e d 谢mt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o lr e q u i r e m e n to ft h ea l u m i n ad i s s o l v i n g p r o c e s s ，t h i sp a p e rd e s i g n st h es t r u c t u r ea n df u n c t i o n so ft h eb a l lm i l li n t e l l i g e n to p t i m a l c o n t r o ls o f t w a r eo ft h ea l u m i n a d i s s o l v i n gp r o c e s s t h ef u n c t i o no fi n t e l l i g e n ts e t t i n gs o t b n a r e i st oo p t i m i z et h ef l o ws e tp o i n t so ft h eb a s i cl o o p sb a s e do nt h ew o r k i n gc o n d i t i o n s ，i no r d e r t og u a r a n t e et h ec o n c e n t r a t i o no fs o d i u ma l u m i n a t ea n ds o d i u mc a r b o n a t ei nt h et a r g e tr a n g e ； t h ep r o c e s sm o n i t o r i n gs o f t w a r ei sm a i n l yt om o n i t o rt h es t a t e so ft h ep r o d u c t i o np r o c e s s ； 一v j 厂 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h ef u n c t i o no fb a s i cl o o pc o n t r o ls o f t w a r ei sm a i n l yt oc o n t r o lt h ep r o d u c t i o nd e v i c e s ，s u c h a st h es t a r t s t o po fd e v i c e s ，i n t e r l o c kf u n c t i o na n d l o o pc o n t r 0 1 ( 3 ) i nt h ep r o j e c to ft h ea l u m i n ad i s s o l v i n gp r o c e s s ，t h eb a s i cl o o pc o n t r o ls o 胁a r ei s ， d e v e l o p e db a s e do nt h ec o n t r o l b u i l d e rp l a t f o r m ，t h ep r o c e s sm o n i t o r i n gs o f t w a r ei s d e v e l o p e db a s e do nt h eh m i w e bd i s p l a yb u i l d e rp l a t f o r m ，a n dt h ei n t e l l i g e n to p t i m a ls e t t i n g s o f t w a r ei sd e v e l o p e db a s e do nv i s u a lb a s i c6 0p l a t f o r m t h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n t o p t i m a ls e t t i n gs o f t w a r ei n c l u d e s ：t h ed e v e l o p m e n to fo p cc l i e n tb a s e do na u t o m a t i o n i n t e r f a c e ，t h ed e v e l o p m e n to fc a s eb a s eu s i n gt h ea d oc o m p o n e n ta n da c c e s ss o f t w a r e ，a n d t h ed e v e l o p m e n to fi n t e r f a c e so ft h ei n t e l l i g e n to p t i m a ls e t t i n gs o f t w a r e ( 4 ) t h es u b s c r i p t i o na n da s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n so fo p ca r et e s t e dt o r e a l i z et h ed a t ae x c h a n g eb e t w e e nt h ei n t e l l i g e n to p t i m a ls e t t i n gs o f t w a r ea n dt h ep k s c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ；t h ef u n c t i o no ft h ec a s eb a s eo ft h ep r e s e tm o d u l ei st e s t e dt or e a l i z e t h ea d d i t i o n ，r e v i s i o na n dd e l e t i o no fac a s e ；t h ep r e s e tm o d u l e ，f e e d b a c kc o m p e n s a t i o n m o d u l ea n ds e t p o i n td o w n l o a dm o d u l ea r et e s t e dt os u c c e s s f u l l yc a l c u l a t et h ep r e s e tv a l u e s ， f e e d b a c kc o m p e n s a t i o nv a l u e sa n df l o ws e t p o i n t sr e s p e c t i v e l y t h et e s t so ft h ef u n c t i o n so f o p cc o m m u n i c a t i o n ，t h ec a s eb a s ea n ds o f t w a r em o d u l e sp r o v ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s s o ft h ed e v e l o p e ds o f t w a r e k e yw o r d s ：a l u m i n a ，d i s s o l v i n gp r o c e s s ，b a l lm i l l ，o p t i m a lc o n t r o l ，o p c ，a c c e s s ，v i s u a l b a s i c v i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明。i 摘要 a b s l l 认c t v 第1 章绪论1 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 氧化铝熟料溶出过程控制的研究现状与发展趋势1 1 2 1 我国铝工业介绍1 1 2 2 国内氧化铝熟料溶出过程控制研究现状与发展趋势2 1 3 存在的问题及本文的主要工作4 第2 章氧化铝熟料溶出过程描述7 2 1 氧化铝熟料溶出过程工艺流程7 2 1 1 烧结法生产氧化铝工艺流程7 2 1 2 氧化铝熟料溶出过程工艺。9 2 2 各因素对溶出过程产品质量的影响分析1 2 2 3 氧化铝熟料溶出过程控制目标及控制难点分析。1 4 2 4 本章小结1 5 第3 章氧化铝熟料溶出磨机智能优化控制方法1 7 3 1 氧化铝熟料溶出磨机智能优化控制策略1 7 3 1 1 智能优化控制结构1 7 3 1 2 智能优化控制功能1 9 3 2 氧化铝熟料溶出磨机智能优化设定方法2 0 3 2 1 基于案例推理的预设定模型2 0 3 2 2 基于专家规则的反馈补偿模型2 7 3 3 氧化铝熟料溶出磨机基础回路控制方法3 0 3 3 1 熟料下料量回路控制3 0 3 3 2 赤泥洗液流量回路控制3 1 3 3 - 3 碳分母液流量回路控制3 1 一v i i 东北大学硕士学位论文目录 3 6 本章小结3 2 第4 章氧化铝熟料溶出磨机智能优化控制软件的设计3 3 4 1 智能优化控制系统的总体设计3 3 ， 4 1 1 智能优化控制系统的总体结构设计3 3 4 1 2 智能优化控制系统的总体功能设计3 6 4 2 智能优化控制软件的结构设计3 8 4 3 智能优化控制软件的功能设计3 9 4 3 1 智能优化设定软件的功能设计3 9 4 3 2 过程监控软件的功能设计4 0 4 3 3 基础回路控制软件的功能设计4 2 4 4 本章小结4 3 第5 章氧化铝熟料溶出磨机智能优化控制软件的开发及实验4 5 5 1 智能优化设定软件的开发4 5 5 1 1 智能优化设定软件的o p c 通讯功能开发4 5 5 1 2 智能优化设定软件的案例库开发5 5 5 1 3 智能优化设定软件的人机交互界面开发6 0 5 2 过程监控软件的开发6 5 5 3 基础回路控制软件的开发6 9 5 4 氧化铝熟料溶出磨机智能优化控制软件的功能测试实验7 2 5 4 1o p c 通讯功能测试实验7 2 5 4 2 案例库功能测试实验7 3 5 4 3 软件模块功能测试实验7 5 _ 5 5 本章小结7 7 第6 章本文结论及工作展望7 9 6 1 本文的结论7 9 6 2 下一步的工作7 9 参考文献8 1 致谢8 5 作者从事科学研究和学习经历的简历8 7 v i i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 近几十年来，铝的生产迅速发展，它已成为产量和消费量仅次于钢铁的第二大金属， 被广泛用于建筑、包装、交通运输、军工、航空航天、电力、机械等领域，铝的生产和 消费成为衡量一个国家现代化和人民生活水平高低的重要标志之一【l 】。氧化铝是铝冶炼 的主要原料，每生产1 吨原铝需要消耗近2 吨氧化铝【2 】，可见氧化铝生产在我国经济建设 中占有十分重要的地位，是国民经济中具有支撑作用和战略地位的金属原材料。也是列 入国家“九五”计划和2 0 1 0 年远景目标纲要的重点发展产品。国外一些大型氧化铝厂 工艺技术、装备及自动化水平较高。经过1 0 0 多年的发展，工厂及设备都趋于大型化， 生产的各个环节、各道工序基本上都实现了自动控制，由于生产过程自动化系统发挥了 重要作用，使得氧化铝生产过程的总体质量提高，能耗低，劳动生产率高，获得了显著 的经济效益。有的厂家还建立了全厂范围的计算机网络。目前，国外氧化铝总体生产过 程自动化已达到较高的水平。 我国铝土矿资源较丰富，居世界第四位，具备发展铝工业的资源条件。但我国铝厂 大部分都采用流程长、工艺复杂的混联法或烧结法生产，工厂的技术装备水平较低，尤 其是自动化方面与国外铝工业发达国家相比，仍很落后，还有很大的差距。加上我国铝 土矿资源难溶、高硬的先天不足，以及工艺污染严重，因此，要消除氧化铝生产在能耗、 成本、质量和劳动生产率上与国外发达国家的差距，要提高我国氧化铝质量，实现节能 降耗、保护环境和可持续发展，必须走新兴工业化道路，用信息化促进与带动氧化铝生 产的工业化道路。 本文依托于国家8 6 3 计划课题“大型磨机智能控制系统”( 编号2 0 0 7 a a 0 4 1 4 0 5 ) ，针 对氧化铝生产行业中的氧化铝熟料溶出作业，提出了氧化铝熟料溶出磨机智能优化控制 方法，并设计和开发了氧化铝熟料溶出磨机智能优化控制软件。如何对溶出过程进行优 化设计与改进是一个很具有前沿的课题，它不仅可以将所学的理论与实际相结合，还有 很多研究和创新价值。为解决氧化铝熟料溶出过程控制和过程优化的问题及对推动我国 流程工业综合自动化技术的发展进行了有益的探讨和尝试。 1 2 氧化铝熟料溶出过程控制的研究现状与发展趋势 1 2 1 我国铝工业介绍 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 我国具有较丰富的铝土矿资源( 保有储量约2 6 亿吨) ，居世界第四位，具备发展铝工 业的资源条件。1 9 9 8 年我国氧化铝产量为3 3 0 万吨，原铝产量达2 4 0 万吨，铝材近2 0 0 万 吨，工业规模居世界第三位。目前国内有2 0 多家氧化铝企业，1 1 0 多个电解铝厂，l1 0 0 多个铝加工厂，氧化铝产量已跃居世界第2 位【3 】。预计至2 0 1 0 年，我国铝产量将达到 3 2 0 3 5 0 万吨【4 1 。 我国铝土矿资源绝大部分( 8 0 以上) 为高铝、高硅的一水硬铝石型，不适宜直接用 经济的拜尔法生产，自五十年代以来，我国采用和开发了烧结法和联合法工艺，使之成 为我国氧化铝生产的主要( 占9 0 ) 方法。在我国氧化铝工业产业结构中烧结法占2 0 1 2 ， 混联法占6 9 1 4 ，拜尔法占1 0 1 4 t 5 1 。由于工厂的技术装备水平较低，尤其是自动化水 平较低，加上规模效应等其他因素，目前我国与国外铝工业发达国家相比，还不属于铝 工业强国【6 l 。由于我国铝土矿难于处理，氧化铝生产工艺特殊，自动化程度低等，致使 我国氧化铝工业在成本、能耗、产品质量、以及劳动生产率等方面与国外先进水平相比 存在明显的差距。多年来，通过技术改造、攻关和引进，我国氧化铝生产过程的某些局 部工艺的自动化水平有所改进与提高。但纵观全局，我国氧化铝生产技术装备的自动化 水平与国外相比普遍相差甚远，大多数工艺过程仍处于手动操作状态，造成产量质量不 稳定，能耗高，严重影响了我国氧化铝生产的竞争能力。 目前我国与国外铝工业发达国家相比，主要差距为：能耗及生产成本高；产品质量 欠佳，品种少；劳动生产率低；环保水平低。而这些差距大大削弱了我国氧化铝生产厂 家在当前国际市场竞争力。因此，要消除氧化铝生产在能耗、成本、质量和劳动生产率 上与国外发达国家的差距，实现我国氧化铝提产提质，节能降耗，保护环境，实现可持 续发展，必须走信息化促进氧化铝生产的工业化道路，必须采用自动化高技术成果改造 与提升氧化铝生产行业，实现氧化铝生产行业的综合自动化。 随着我国顺利加入w t o 以及中国铝业股份有限公司的组建及在海外成功上市，我 国的氧化铝工业面临着新的机遇，氧化铝的进1 2 关税税率已由2 0 减少到1 2 1 7 j ，为我 国利用国外的优质铝土矿资源创造了便利条件。市场透明度变大，知识产权将得到越来 越好的保护，有关外商投资的条例更加明晰，同时中国铝工业面也面临着更为严峻的挑 战f 8 1 0 1 2 2 国内氧化铝熟料溶出过程控制研究现状与发展趋势 我国铝土矿大多属于一水硬铝石，硬度高，矿石难以磨制，并对管道磨损严重【9 】。 强化溶出技术的集成s a m i 在前苏联2 0 世纪6 0 年代直接加热溶出技术的基础上，于1 9 9 4 2 一 于2 0 0 5 年成功用于山西铝厂三期8 0 0 k t a 氧化铝工程【l 。拜尔法后加矿增浓溶出技术，分 别于2 0 0 6 年9 月3 0 日和1 0 月9 日在中州分公司拜尔法溶出i 组和i i 组开始应用，经过进一 步的调整和完善，至2 0 0 6 年底，整个系统已趋于稳定。与此同时，各种先进的控制方法 也逐渐的应用到氧化铝生产过程当中( 1 1 1 。基于神经网络的氢氧化铝焙烧优化控制系统已 于2 0 0 6 年1 0 月在某氧化铝厂焙烧中投入使用。长时间的生产实践表明系统各项性能良 好，优化操作取得了很好的效果引。 但是目前国内外氧化铝生产中，溶出液的铝酸钠( a o ) 浓度和碳酸钠( n e ) 浓度都是 人工完成的，整个检测过程非常繁琐。化验室操作人员每隔两个小时从原矿浆及溶出矿 浆中取样，对其进行液固分离，然后在化验室用传统的方法对溶出液的成分进行化学分 析测定，根据检测结果，给出溶出液的铝酸钠( a o ) 浓度和碳酸钠( n c ) 浓度。由于溶出 液是每隔两个小时取样化验分析一次，因此溶出液的a o 浓度和n c 浓度的检测远远滞 后于实际生产。因此利用这些滞后的数据来指导生产就失去了意义，存在较大的偏差。 这就必然使得整个工艺流程的实时控制陷入被动，其直接后果表现为溶出液的a o 浓度 和n c 浓度不能得到实时控制，而且波动很大，难以及时调整，从而影响氧化铝的产量 和质量。目前国内外尚未开发出能够在线检测溶出液a o 浓度和n c 浓度的仪表i i 引。 在氧化铝熟料溶出过程熟料粉碎研磨过程控制系统的研究中，国外一些国家一直保 持着领先地位，这些国家包括南非、芬兰、澳大利亚和加拿大等。它们在系统优化和过 程监控，以及提高磨矿效率，降低成本上取得了很多成果。与它们相比，我国对磨矿过 程控制的研究起步较晚，直到7 0 年代中后期才较有成效地开展这方面的研究工作，研 究成果还很少。但随着与各国间的技术交流日益深入，以及我国自身科研软硬件水平的 不断提高，新技术和新理论已经越来越多得到研究与应用，如东风萤石矿、梅山铁矿l l 4 1 、 金川镍矿、安庆铜矿【15 1 、易门铜矿及东北歪山头等，先后采用智能调节器、工控机或小 型集散控制系统，对一个系列或多个系列的磨矿分级机组的生产过程进行稳定化控制。 个别有条件的选矿厂，如凤凰山、德兴铜矿、太钢尖山铁矿、齐大山二期等，引进了国 外先进的计算机系统，进行了先进控制策略的探索。与此同时，我国一些高等院校和科 研院所对磨矿分级过程控制的些先进控制方法的研究工作，开展地也比较活跃，如对 模糊逻辑控制、专家控制系统、人工神经网络i l6 】等的研究反映出选矿厂自动化的发展趋 势。 我国氧化铝工业自动化和信息化确实有很大的发展，但水平还很低，赶不上国际先 进水平，有许多急需解决的问题。今后几年我国氧化铝自动控制发展的主要方向可概括 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 如下：自动检测设备的研制，开发新型耐高温、强碱的成分检测仪，用于在线测量氧化 铝生产过程中各种溶液中的一些主要成分的含量，为实现自动控制提供更精确的参数； 提高大型设备的自动化水平，运用新的控制理论、新的控制设备对氧化铝生产过程中的 大型设备进行控制；建立完善全厂管控一体化的信息化网络。建立和完善全厂的信息化 网络，将底层的自动控制、中层的车间生产调度及系统优化、全厂的企业决策及生产规 划全部集成到全厂管控一体化网络中，提高企业信息化水平，提升国内氧化铝厂在国际 市场上的竞争能力【1 7 l 。 1 3 存在的问题及本文的主要工作 氧化铝生产过程是一个复杂连续的化工工业生产过程，而氧化铝熟料溶出过程是整 个生产过程中最为关键的一环。溶出液的a o 浓度和n c 浓度正是氧化铝溶出过程中两个 重要的经济技术指标。它们不仅决定了氧化铝溶出的效果及碱耗，而且对氧化铝的后续 生产具有重要的指导作用，因此溶出过程指标控制的好坏与否对整个氧化铝工业的稳定 高产具有重要意义。纵观国内外氧化铝熟料溶出过程的自动控制现状，虽然世界各地有 很多学者致力于氧化铝熟料溶出过程的自动控制研究。但是由于氧化铝熟料溶出过程的 机理复杂，球磨机动态数学模型难以建立以及溶出过程的不确定因素太多，导致溶出生 产过程的工业控制还存在很多不足之处，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 对磨机结构、工作状态分布参数的特性了解有限，缺乏普遍适用且能满足精度 要求的机理模型。从而难以把常规的基于数学模型的先进控制方法施用于磨机的自动控 制系统当中。 ( 2 ) 目前工厂溶出过程的配料主要是由生产调度部门根据熟料、赤泥洗液和碳分母 液的人工取样化验分析结果和溶出过程所要达到的指标等参数确定配料的液固比大小， 然后通知生产工人根据此液固比调整入磨熟料、赤泥洗液和碳分母液的下料量，但是溶 出液a o 浓度和n c 浓度的化验一般是两个小时化验一次，相对于实时的生产过程存在 严重的滞后。这不仅大大增加了磨矿系统的传统单目标控制的难度，也直接影响了产品。 质量和生产效率的提高。因此，非常有必要找出一种能在线检测溶出液a o 浓度与n e 浓度的方法| 1 8 l 。 ( 3 ) 缺乏有效的磨机运行故障实时诊断方法。已有的如有用功率检测法、傅立叶声 响信号分析法等，或者由于难于定量界定故障状态，或者由于信号分析方法自身的缺陷， 实际中的应用效果都不理想。以致目前国内对磨矿生产中的故障诊断基本依靠工人的操 作经验，不仅造成了人力的浪费，而且检测效果受人为因素干扰，准确性较差。 一4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 本文依托于国家8 6 3 计划课题“大型磨机智能控制系统( 编号2 0 0 7 a a 0 4 1 4 0 5 ) ， 设计开发了氧化铝熟料溶出磨机智能优化控制软件，并对所开发的软件进行了测试，证 明了其可行性与有效性。具体完成的工作总结如下： ( 1 ) 开展了氧化铝熟料溶出磨机智能优化控制方法的研究，提出了智能优化控制策 略，包括智能优化设定方法和基础回路控制方法。其中，智能优化设定方法包括基于案 例推理的预设定模型和基于专家规则的反馈补偿模型。 ( 2 ) 结合氧化铝熟料溶出过程的特点和控制要求，进行了氧化铝熟料溶出磨机智能 优化控制软件的的结构设计及功能设计。智能优化设定软件的功能是根据工况优化设定 基础回路的流量设定值，保证关键工艺指标溶出液a o 浓度和n c 浓度在目标范围内； 过程监控主要完成生产过程的状态监控；基础回路控制软件主要完成现场生产设备的控 制功能，包括设备启动停止，联锁控制和回路控制等功能。 ( 3 ) 以山西铝厂氧化铝熟料溶出工程项目为背景，在c o n t r o lb u i l d e r 平台上开发了 基础回路控制软件，在h m i w e bd i s p l a yb u i l d e r 平台上开发了过程监控软件，在v i s u a l b a s i c6 0 平台上开发了智能优化设定软件。智能优化设定软件的开发包括基于自动化接 口的o p c 客户端开发，采用a c c e s s 作为开发软件并使用a d o 控件连接操作的案例库 的开发，智能优化设定软件人机交互界面的开发。 ( 4 ) 对智能优化控制软件的o p c 订阅式通讯和异步通讯功能、预设定模块的案例 库、预设定模块、反馈补偿模块和设定值下装模块进行了功能测试，测试结果表明了其 可行性与有效性。 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 一6 一 东北大学硕士学位论文第2 章氧化铝熟料溶出过程描述 第2 章氧化铝熟料溶出过程描述 生产氧化铝的方法大致可分为四类：碱法、酸法、酸碱联合法与热法。目前工业上 几乎全部采用碱法生产。碱法生产氧化铝可分为拜尔法、烧结法、联合法【侈】。 碱法的基本原理是使矿石中的氧化铝与碱在一定条件下生成铝酸钠，进入溶液与二 氧化硅和氧化铁等杂质分离，然后再使纯净的铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝，氢氧化铝 经高温锻烧制得成品氧化铝。分离氢氧化铝后的碱液又可循环使用于处理下一批矿石， 因而成为循环母液。在拜尔法、烧结法和拜耳烧结联合法三种方法中，全世界生产的 9 0 以上的氧化铝和氢氧化铝是用拜尔法生产的。拜尔法比较简单，能耗小，产品质量 好，处理高品位铝土矿石，产品成品也低。但此法不能处理铝硅比较低的矿石( 如a s 在 7 8 以下) 。碱石灰烧结法工艺比较复杂，能耗高，产品质量和成本一般不及拜尔法好。 但它可以处理高硅铝矿。显然，随着矿石铝硅比降低，其物料流量增大，设备产能降低， 各项技术经济指标也随之下降。目前碱石灰烧结法处理的矿石铝硅比一般不小于3 3 5 。 实践证明，在某些情况下，采用拜尔法和烧结法的联合生产，即拜耳烧结联合法， 可以兼收拜尔法和烧结法的优点，获得比单一的拜尔法或烧结法更好的经济效果。由于 我国矿石品质的原因( 铝硅比降低) ，我国大型铝厂一般采用拜耳、烧结混合联合法生产 氧化铝。其中拜尔法处理高品位的铝矿，烧结法处理低品位铝矿和拜尔法赤泥，烧结法 流程以生料加煤，非饱和配方，低苛性比溶出，二次脱硅，给拜尔法补充母液为特点。 流程中拜尔法和烧结法两系统的交叉有三处：即拜尔法的赤泥及附液送到烧结法系统配 料；拜尔法种分母液蒸发析出的结晶碱及附液送到烧结法系统配制生料浆；烧结法的种 分母液经蒸发后送拜尔法系统做补碱用。拜尔法和烧结法两套系统相互关联、相互制约， 工序间相互影响，生产组织难度大。 2 1 氧化铝熟料溶出过程工艺流程 2 1 1 烧结法生产氧化铝工艺流程 18 8 0 年和1 9 0 2 年缪列尔和帕卡尔德在萨特里确立的两成分烧结法的基础上提出了 三成分( 碳酸钠、石灰和铝土矿) 烧结法生产氧化铝工艺【2 0 】。该工艺的关键是使含硅化合 物转变成p - 2 c a o s i 0 2 ，较好地实现了铝硅分离，从而能处理品位较低的铝土矿，奠定 了传统烧结法生产氧化铝工艺的基础【2 1 盈】。烧结法氧化铝生产工艺流程描述如图2 1 所 示。 一7 一 东北大学硕士学位论文第2 章氧化铝熟料溶出过程描述 纯碱铝土矿无烟煤石灰石 重 图2 1 烧结法生产氧化铝的流程图 f i g 2 1t h ef l o wc h a r to fa l u m i n as i n t e f i n gp r o c e s s 烧结法是将矿石、碱粉、石灰石混合配料，先进行高温烧结，使氧化硅与石灰化合 成为不溶于水的原硅酸钙( 2 c a o s i 0 2 ) ，而氧化铝与苏达化合成为可溶于碱液的铝酸钠 ( n a 2 0 a 1 2 0 3 ) ，氧化铁与苏达化合成为铁酸钠( n a 2 0 f e 2 0 3 ) ，铁酸钠在尔后熟料溶出时 也不溶于水、碱液及铝酸钠溶液中，而水解成n a o h 和f e 2 0 3 h 2 0 沉淀。将烧结产物( 熟 料) 用稀碱液( 赤泥洗液) 溶出时，铝酸钠便进入溶液而与残渣分离，再用二氧化碳气分 一8 一 东北大学硕士学位论文第2 章氧化铝熟料溶出过程描述 解制得的铝酸钠溶液，就可以获得氢氧化铝，予以焙烧变成为产品氧化铝。在烧结法生 产氧化铝过程中，炉料组成的影响最大，而适当的炉料组成，又取决于正确的炉料配方。 正确的炉料配方，能使烧结过程顺利进行，并能获得高质量的熟料，提高烧结法生产氧 化铝的主要技术经济指标【2 3 1 。总体上，烧结法可以分为干料烧结法和湿料烧结法两种。 目前，湿料烧结法基本已取代干料烧结法。 烧结法的优点是可以处理品位较低矿石，而且只消耗价格便宜的碳酸钠，与拜尔法 相比，在同样的条件下处理低品位矿时，烧结法的碱耗较低，氧化铝总回收率较高，但 流程复杂，投资较大，产品氧化铝质量较差，成本较高。因此含硅很低的优质铝土矿就 采用拜尔法，含硅高，铝硅比较低的铝矿石，一般采用烧结法。 2 1 2 氧化铝熟料溶出过程工艺 在氧化铝生产过程中，铝矿石经过研磨之后与纯碱、生石灰以一定的比例混合配置 成生料，生料经过烧结成为熟料，而熟料再继续经过二次研磨从而达到溶出过程控制指 标的粒度级，以至于在溶出液中矿物可以把有用成分自发溶解出来。磨矿的目的是要使 矿石中的有用成分全部或大部分达到单体分离。其具体过程是将物料装入连续运动的圆 筒( 磨机) 中，筒内装入一定数量的不同形状的研磨体，如钢球、铁球或短棒等。当简体