（有色金属冶金专业论文）基于web的铝电解信息集成系统的研究与应用.pdf

中南大学礤士论文 摘要 铝电解信息集必统借助w e b 技术把铝电解过程控制系统的槽状态信息延 伸到管理网络，用浏览器查询访问，供槽况分析和诊断，是管理网络和控制网络 的衔接部分。本文以中铝股份河南分公司电解厂管控_ 体化网络为实验、研究与 应用对象，对信息集成技术进行了广泛深入的研究。主要的工作和成果有： ( 1 ) 针对目前铝电解控制系统中普遍存在的槽况信息没有上管理网，无法 实现远程监控，不能把上层管理信息直接转化为生产操作结果等问题，提出将控 制、优化、管理、决策集于一体的的设计方案，把主控机的部分功能移植到客户 机，对指导铝电解生产无疑具有重要的意义。 ( 2 ) 在对传统c ，s 两层结构、基于w e b 的两层结构充分分析、比较的基础 上，提出了适应于分布式异构环境的基于w e b 的三层应用程序模型，是关系系 统开发优劣的关键。该模型具有易于配置和维护、安全性能提高的优点。 ( 3 ) 网关软件的开发解决了协议数据从c a n 总线到e t h e m e t 网的转换问题， 利用a d o 技术对网络数据库进行操作，特别是，基于t c p i p 协议实现v b 应用 程序与j a v a 应用程序的数据交换，为系统成功开发奠定了基础。 ( 4 ) 建立企业内部网站，把w e b 技术首次应用于铝电解生产管理中，使工 业软件由非w e b 风格转向w e b 风格，减少了用户端维护，简化了操作。具有界 面统一、可移植、分布式、安全等特点。 ( 5 ) 在对铝电解控制系统深入研究的基础上，把其中流动的、铝电解生产 所需的信息( 静态数据和实时数据) 在客户端进行科学的处理：用s e r v l e t + j d b c 方法实现了静态数据传输；用j a v as o c k e t 编程实现了实时数据篮捡。 ( 6 ) 实际编写应用程序服务器组件和a p p l e t 嵌入程序( 客户端) 。应用程 序服务器负责接收来自a p p l e t 端和v b 端的请求，根据请求类型采取不同的获取 信息的方式，处理中间结果，并将得到的最后结果作为响应返回客户端；客户端 根据用户操作要求负责发送请求信息，并把返回结果以表格或图形的方式显示。 整个过程对用户是完全透明的，保证了数据的时效性、准确性，提高了企业的现 代化管理水平。舻、。 该系统在中铝股份河南分公司电解厂的实际应用结果表明，这一技术的研究 对铝电解生产堑理有很大的促进作用，达到了良好的效果，而且对铝电解厂信息 化建设模式有很好的参考价值。该系统具有可靠性高、扩展性能好、兼容性好的 优点，经济和社会效益显著。 关键词：铝电套接字a p p l e ) 中龠大学司e 士论文 a b s t r a c t t h ei n f o r m a t i o n i n t e g r a t e ds y s t e m o fa l u m i n u me l e c t r o l y s i s ，w h i c hi sa s s i s t e db yw e b t e c h n o l o g y ，e x t e n d st h e c e l ls t a t ei n f o r m a t i o no ft h ee l e c t r o l y s i sp r o c e s si n t ot h em a n a g e m e n t n e t w o r ks ot h a ti tc a nb ec h e c k e d b y ab r o w s e ra n du s e df o ra n a l y s i sa n dd i a g n o s i so fc e l ls t a t e i t i st h ei n t e r s e c t i o nb e t w e e nt h em ”a g e m e r i tn e t w o r ka n dc o n t r o ln e t w o r k i nt h i ss t u d y ，t h e m a n a g e m e n t c o n t r o li n t e g r a t e dn e t w o r k o fh e n a nb r a n c ho fc h i n o s ea l u m i r l u mc o ，l t dw a st o o k f o rt h eo b j e c t i v eo fe x p e r i m e n t s ，r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n s ，a n daw i d ea n dd e e pr e s e a r c ho i l i n f o r m a t i o ni n t e g r a t e dt e c h n o l o g yw a sm a d e t h em a i na c h i e v e m e n t sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a i m i n g a tt h ee x i s t e dp r o b l e mo fp r e s e n ta l u m i n u me l e c t r o l y s i sc o n t r o ls y s t e ms u c ha s c e l ls t a t ei n f o r m a t i o nc a l l tb ec o n n e c t e dt o m a n a g e n e t w o r k 。r e m o t em o n i t o rc a n tb e a c c o m p l i s h e d ，u p p e rm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nc a n tb ec o n v e r t e dt oo p e r a t i o n a lr e s u l td i r e c t l y ，a d e s i g ns c h e m eo fc o n v e r g i n gc o n t r o l ，o p t i m i z a t i o n ，m a n a g e m e n td e c i s i o ni n t oaw h o l ew a s p r o p o s e d ，a n dp a r tf u n c t i o no fs u p e rc o n t r o l l e rw a st r a n s p l a n t e dt oc l i e n t i tu n d o u b t e d l yh a v e m a g n i f i c e n tm e a n i n g t og u i d i n ga l u m i n u me l e c t r o l y s i sp r o d u c t i o n ( 2 ) b a s e do nt h o r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h et r a d i t i o n a lc st w o l a y e ra r c h i t e c t u r e a n dt h ew e b - b a s e dt w o - l a y e ra r c h i t e c t u r e ，aw e b - b a s e dt h r e e - l a y e ra p p l i c a t i o np r o g r a mm o d e l a d a p tt od i s t r i b u t e di s o m e r i ce n v i r o n m e n tw a sp u tf o r w a r d w h i c h i sc r i n c “t ot h ed e v e l o p m e n to f t h es y s t e m t h e s y s t e mh a df e a t u r e so f e a s yc o n f i g u r a t i o n e a s ym a i n t e n a n c ea n dh i g hs a f e t y ( 3 ) t h ed e v e l o p m e n to fg a t e w a ys o f t w a r er e s o l v e dt h ep r o b l e mo ft r a n s f e r 6 n gp r o t o c o ld a t a f r o mc a nb u st oe t h e m e t a d o t e c h n i q u ew a sa d o p t e dt oo p e r a t ew e bd a t a b a s e p a r t i c u l a r l y ，t h e d a t ai n t e r c h a n g eb e t w e e nv b a p p l i c a t i o ns o f t w a r ea n d j a v a a p p l i c a t i o ns o f t w a r eb a s e do n t c p ，珀 p r o t o c o ll a i dt h ef o u n d a t i o no fs u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dt h es y s t e m ( 4 ) t h ei n n e rw e b s i t eo ft h ec o m p a n yw a sb u i l d ，a n dw e b t e c h n o l o g yw a sf i r s ta p p l i e d t ot h e p r o d u c t i o n c o n t r o lo ft h ea l u m i n u me l e c t r o l y s i sa n ds ot h a ti n d u s t r i a ls o f t w a r e s s t y l ew a s c h a n g e df r o m n o - w e bt ow e b n ec l i e n t sm a i n t e n a n c ew a sr e d u c e da n d o p e r a t i o nw a ss i m p l i f i e d t h i ss y s t e mh a du n i f o r mi n t e r f a c ea n dw a se a s yt ob et r a n s p l a n t e d ，d i s t r i b u t e d a n ds a f e t y ( 5 ) b a s e do nd e e p l yr e s e a r c ho ft h ea l u m i n u me l e c t r o l y s i sc o n t r o ls y s t e m 。as c i e n t i f i cm e t h o d o f d e a l i n gw i t hr n n n i n ga n dn e c e s s a r yd a t u m i nt h ep r o c e s so fa l u m i n u m e l e c t r o l y s i s ( i n c l u d i n g s t a t ed a t u ma n dr e a l - t i m ed a m m ) w e r ee s t a b l i s h e di nc l i e n t ：t h es t a t ed a t u mw e r et r a n s m i t t e db y s e r v l e ta n dj d b ca n dr e a l t i m ed a t u mw e r et r a n s m i t t e db yj a v as o c k e t p r o g r a m m i n g ( 6 ) t h ea p p l i c a t i o ns e r v e rc o m p o n e n ta n da p p l e te m b e d d e dp r o g r a m ( c l i e n t ) w e r ep r a c t i c a l l y p r o g r a m m e d t h ea p p l i c a t i o ns e v e rc o m p o n e n tt o o kc h a r g eo fr e c e i v i n gt h er e q u e s t sf r o ma p p l e t a n dv i s u a lb a s i ca n dt o o kd i f f e r e n tm e t h o d st og e ti n f o r m a t i o na c c o r d i n gt ot h es t y l eo f r e q u e s t ， t h e nt r e a t e dt e m p o r a r yr e s u l t sa n dr e t u r nt h el a t e s tr e s u l t st ot h ec l i e n ta sr e s p o n s e t h ec l i e n tt o o k c h a r g eo fs e n d i n gr e q u e s t si n f o r m a t i o na c c o r d i n g t ot h eu s e r so p e r a t i o na n dd i s p l a y e dt h er e s u l t s r e t a i r n e da st a b l e sa n dg r a p h s t h ew h o l ep r o c e s sw a sc o m p l e t e l yt r a n s p a r e n tf o ru s e r s ，w h i c h e n s u r e dt h ed a t u mw e r er e a l t i m ea n da c c u r a t ea n d i m p r o v e dt h el e v e lo f m o d e mm a n a g e m e n t t h ea p p l i c a t i o no ft h es y s t o mt oh e n a nb r a n c ho fc h i n e s ea l u r n i n u mc o ，l t ds h o w e dt h a t t h er e s e a r c ho ft h e t e c h n o l o g ym a d eg r e a t c o n t r i b u t i o n st ot h e m a n a g e m e n to f a l u m i n u m e l e c t r o l y s i sa n db r i n gg o o de f f e c t s m o r e o v e r ，i th a sr e f c r e n c ev a l u et ot h em o d e lo fi n f o r m a t i o n c o n s t r u c t i o no fa l u m i n u me l e c t r o l y s i sp l a n t t h es y s t e mi sc h a r a c t e r i s t i co f h i g hr e l i a b i l i t y g o o d e x t e n s i o np e r f o r m a n c e ，g o o dc o m p a t i b i l i t ya n dr e m a r k a b l ee c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f i t k e y w o r d s ：i n f o r m a t i o ni n t e g r a t e ds y s t e mo f a l u m i n u m e l e c t r o l y s i s ，w e b ，s o c k e t 。a p p l e t n 中南大学司i 士论文 第一章绪论 1 1 铝电解信息集成技术研究的意义 随着机械化水平、计算机技术、自动控制理论水平的不断提高，铝电解过程控制系统 取得了很大的进步：一、选用现场总线对槽控机进行分布式设计，与上位机共同组成两极 控制结构，增强了抗干扰能力，具有稳定、安全、灵活和可扩展等特性“】；二、模糊专家控 制器、槽况诊断专家系统和“三场”动态仿真技术应用于铝电解控制策略，开辟了新的有 效途径，使其朝智能化方向发展“”。但是，这些控制系统的通讯功能由于受到价格等因素 的制约仅截止于上位机，反映现场运行工况的画面、状态信息和报表大部分只能在本地控 制室中运行，只能使现场操作人员了解，而无法被负责生产的高层管理者所掌握。另外， 随着信息时代的到来，很多铝厂进行了信息化基础建设应用计算机技术和网络技术建立 了企业局域网络( l n ) ，将各自封闭的“信息孤岛”联成一体，实现信息交流和资源共 享，但这些计算机网络绝大部分仅限于管理信息系统( m i s ) 的应用。1 9 9 8 年国家经贸委 批准实施的国家技术刨新项目的子项目“基于现场总线的全分布式铝电解智能控制系 统”在中铝股份河南分公司电解厂实验成功，该系统技术先进，控制策略优良，取得了较 好的经济技术指标，但由于它没有与企业内部网有机集成在一起，在实际运行中出现下列 问题：指导生产管理所需要的数据主要以报表的形式传递，存在一定程度的滞后，不容 易保证决策层信息的时效性：生产管理人员无法进行远程监控，要了解生产情况必须亲 临现场或控制室，工作效率不高；不能把上层管理信息中的决策、调度直接转化成生产 操作结果，严重制约了该系统的有效发挥，等。因此，在现有的控制系统和管理信息系统 的基础上，探索如何充分发挥企业计算机局域网络的潜能，使企业管理者借助管理信息网 络对现场工况进行实时监视与分析，即实现控制系统和管理信息系统的一体化集成功能， 把控制和状态信息延伸到管理信息层，以便对槽况进行诊断和生产辅助决策，从而进一步 提高铝电解生产管理水平，无疑是很有价值的且必要的。 1 2 国内外研究现状与分析 目前，铝电解控制系统和管理信息系统在铝电解行业都得到了广泛的研究与应用。平 果铝业公司提出集散型控制系统( d c s ) ，该系统包括三级：过程控制级、控制管理级和 生产管理级”】。从功能上看，过程控制级的槽况信息截止于控制管理级，没有上升到生产管 理级，生产管理级所实现的辅助生产管理功能实际上是管理信息系统的一个子功能。兰州 铝业股份有限公司开发的“铝电解厂过程化数据在线管理系统”，对与铝电解生产相关的 工作做了大量的研究。涉及的内容也多，且有几项创颟技术”j 但铝电解生产信息也没有成 为管理信息层的一部分。内蒙古包铝股份有限公司开发的“铝电解综合管理信息系统”， 则偏重于主管科室的业务管理1 7 j 。国内的理论研究与实践表明，这些管理软件的开发对铝电 解生产确实起到了有力的促进作用，但也存在着明显的不足之处，主要表现为：软件开 发模型采用的是c s 两级模式，该模式具有封闭、与平台相关的局限性，无法适应分布式 异构环境的要求；存在灵活性差、安全性等问题：可扩充、配置和维护困难。落户于 汉江集团丹江口铝业公司的德国联合铝业( v a w ) 的铝冶炼过程自动控制系统e l a s ( 在 美国、欧洲、非洲都有应用) ，代表着国际先进水平“1 。它的高可靠性、稳定性、安全性设 计无可挑剔，其完备的网络功能也是它的特色之一，控制系统不仅本身充分利用网络技术 完成通讯任务，而且它还支持d e c n e f f 协议和t c p ，球协议，这就可以通过标准的交换机直 接与外部网络相连，甚至是与i i l t e m e t 相连，提供了开放性的网络环境。这种设计方式自然 中，r 大学硕士论文 给我们很多的启发，具有重要的借鉴意义。 基于上面的分析和笔者所在单位的实际问题，同时考虑到w e b 技术对人们获取信息方 式的影响，作者提出一种全新的解决方案：利用w e b 技术集成c m 总线技术组建铝电解厂 ! 蔓产管理控制一体化网络，对铝电解生产的全过程采用计算机集成技术，把控制、优化、 调度、管理、决策集于一体，形成基于w e b 的铝电解管理信息系统，用真实的信息准确支 持上层决策，实现真正意义上的控制信息与管理信息流畅沟通，数据共享。本文作者在参 与这课题的研究中，对“基于w e b 的铝电解信息集成”技术做了专题研究。 当前，利用w e b 技术进行信息集成已经成为工业自动化领域的热门话题，在电力、化 ： 、煤矿、舰船制造，等行业得到了较为广泛地应用”舯。1 1 m ”，并逐步显示出更加强大的 生命力。 1 3 铝电解管理信息系统结构与功能 我厂管理信息网络体系结构如图1 所示。该网络体系有生产控制网和管理信息网两部 分组成。 1 3 1 生产控制网 图1 管理信息网络体系结构图 生产控制网络采用c a n 总线技术，实时监控电解生产全过程。它的硬件配置在第二章 中进行详细介绍，在此不做赘述。主要功能是：槽电压、系列电流信号采集：实时地解析 槽况的变化趋势：实现下料与电阻控制；对异常事件和故障进行报警；异构类型数据间的 交换：建立各槽的技术台帐；查询历史数据；分析现场操作人员的控制情况并加以督促考 核：及时调整工艺参数和控制参数，使电解槽处于最佳运行状态。 1 3 2 管理信息网 管理信息网络采用e h c m e t 技术，由服务器、交换机、集线器、网关计算机、p c 机和 布线系统组成。h pd 9 1 7 6n e t s e “e r 用作w e b 服务器，内装n t 4 0 + s p 6 0 操作系统、h s 4 0 和b a c k o f f i c e 4 0 软件包，用于创建、管理内部网站，以网页的形式与p c 台式机上的b r o w s e r 进行交互，实现信息数据查询、录入、修改等功能。h pd 8 2 3 6 an e t s e r v e r 用作数据库服务 2 中甫大学司i 士论文 1 日目_ i _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ - l _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ - _ _ 。_ _ - - _ _ 。_ 。_ _ _ _ - - - - - 。_ 。_ - - - _ _ _ _ 。- 。_ _ - _ 一 器，内装s q ls e r v e r7 0 数据库，相关的工作站点以c s 计算模式与之通信，完成铝电解生 产数据的存储、查询、修改等功能。3c o m1 0 0 1 0 m 交换机和h u b 连接上述两台服务器 和各个p c 台式机，对整个网络的信息进行流量控制。各个p c 台式机分别通过b r o w s e r 与 w e b 服务器会话方式或客户端应用程序与数据库服务器会话方式执行程序设计的各项任 务。布线系统是由双绞线、粗缆、细缆及相关插接头组成，是各节点间的脉罗、信息通道。 另外，针对我厂与研究所相距较远的情况，选用拨号网络与其建立连接，实现原铝金属分 析数据的自动传输。主要功能是：把分散于各车阆、科室的生产信息和管理信息加以有效 的综合和应用，建立和疏通渠道，使各种信息及时、准确地传输到企业内部各部门领导层， 减少了中间环节，提高了信息的时效性、完整性和准确性。 1 3 3 管理软件的功能 在设计、开发铝电解厂信息管理软件时，把应用程序模型由传统的c s 两层模式扩展 为基于w e b 的三层模式，这部分内容在第三章进行详细说明。特别需要说明的是，作者所 采用的模型从整体结构上看是三层模式，但相邻两层之间仍然具有c s 两层模式的内容， 这样，不仅能利用两层c s 模式的成熟的技术特长，又能充分发挥b s 模式的优点。全方 位应用c s 和b s 编程模式设计完成的软件结构图如图2 所示。 生产信息统计管理软件 在读取生产报表数据和输入的 非实时数据( 如槽龄、分子比、温 度、电解质水平、出铝量等) 生成 的数据库文件基础上，实现数据的 整理、分析、统计、分类查询，生 成各类报表并打印。 计划统计管理软件 实现生产计划、原辅助材料需 求计划、生产完成情况、电能消耗、 生产作业管理等数据的录入、汇总， 生成统计报表。 成本核算管理软件 图2 基于w e b 的铝电解管理信息系统功能结构 实现费用的汇总，形成原辅助材 料结存汇总表，成本及制造费用核算表、班组核算表。 材料管理软件 分别对材料出入库单、台帐、名细收发结存汇总表进行处理并生成相关的报表，实现 材料收发的查询检索和报表打印。 设备管理软件 实现设备台帐管理、标准化管理检修管理、运行管理、专项管理等信息的登录、统计、 汇总、查询和报表打印。 劳保用品管理软件 分别对劳保品发放标准、数量、时间按工种分类处理，并生成相关的报表和发放通知 单，实现劳保收发检索和报表打印。 铸铝配料软件 为电解厂原铝配料工作提供了科学的处理方法，结束了过去人工传递报表、手工计算 的历史，改善传统配料过程的弊端，提高配料精度。 3 中南大学硕士论文 劳资人事管理软件 分布式录入、编辑员工的工资、人事等相关信息，实现组合条件查询、汇总和打印分 类报表。 创建内部网站( h t t p ：n e t s e r v e r _ i n f o e f m a i n h o m e ) 。用客户端的j a v a s c r i p t 脚本 语言编制友好的网页查 询界面：用j a v aa p p l e t 小程序设计图形和报表 的显示；用s e r v l e t + j d b c 技术开发动态网 页：针对实际工作情况， 开辟多种多样的宣传栏 目，信息量大、内容丰 富。主页设计见图3 所 示( 示意) 。 1 4 信息集成技术 图3 电解厂内部网站主页 信息集成技术是一项涉及计算机硬件、软件、通信等众多领域的复杂的综合技术，包 括分布式数据库的集成、数据库存取访问技术、a d o 技术、j 2 e e 企业技术、页面设计技术， 等。基于w e b 的铝电解生产信息集成系统既是是管理信息系统的重要组成部分，又是铝电 解过程控制系统向上层结构延伸的关键内容。同是也是本文论述的问题。采用的关键技术 见以后的章节详细论述。 1 5 论文构思 本文以中铝股份河南分公司电解厂信息集成系统为研究对象对涉及的铝电解信息集成 技术进行了详细综述。 铝电解智能控制系统是信息集成系统的基础，信息集成系统所需要的信息来源于智能 控制系统。因此对该系统进行深入透彻地研究与分析，掌握其中的信息数据的流动过程， 自然是十分必要的。作者在第二章介绍了铝电解智能控制系统的有关内容，重点介绍了模 糊专家控制器、“三场”动态仿真和槽况诊断专家系统的设计思想。 在信息集成系统设计时，采用什么样的应用程序模型是关系系统开发优劣的关键。因 此，作者在第三章中在对传统c s 两层结构、基于w e b 的两层结构充分分析比较的基础上， 提出了适应于分布式异构环境的基于w e b 的三层应用程序模型。 在第四章中介绍的数据采集系统是铝电解智能控制系统和信息集成系统间的桥梁。在 本章中介绍了c a n 智能卡的软、硬件设计、通信软件设计以及在v b6 0 中对通讯接口程 序( p c c a n v x d 和p c c a n d l l ) 的调用方法。 第五章和第六章是信息集成的核心技术，分别详细介绍了静态数据和实时数据的传输。 这涉及到a d o 技术、存储过程、s e r v l e t 技术、j d b c 技术、a p p l e t 小程序设计，t c p i p 协 议，套接字编程、多线程设计、v e c t o r 向量的相关知识以及对它们的灵活应用。 最后，总结了开发信息集成系统一些体会、本系统的技术特色、意义。 4 中南大挚硕士论文 _ - _ - - - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - _ - _ - - - _ _ _ _ - _ _ l _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - - 一 第二章铝电解智能控制系统 铝电解生产以多达数百台电解槽串联成一个生产系列的方式进行，耗能巨大( 吨铝电能 消耗为1 3 0 0 0 1 3 6 0 0 k w h ) ，所以节能降耗一直是铝业界研究的主题。开始于6 0 年代的计 算机控制技术对铝电解生产过程的节能降耗发挥了巨大的作用，但也存在许多缺陷，主要表 现在：依赖于精确的数学模型：控制算法较为理想化；控制输出变量少；执行机构简单：难 以有效利用铝电解专家的知识和逻辑思维来解决问题。为了追求最大程度的节能降耗，铝工 业研究人员不断改进工艺技术条件，这导致了对铝电解生产过程控制技术的不断改进的新需 要。由于铝电解槽是一个复杂的非线性时变系统，使用常规的或单一的控制方法已难以满足 进一步提高控制效果的要求，人工智能的出现和迅速发展为铝电解控制提供了新的有效解决 途径。结合铝电解过程的特点，把智能控制的三大分支一专家系统、模糊控制和人工神经网 络有机结合、综合应用于铝电解过程，组成智能控制系统是目前铝电解控制技术发展的趋势。 2 1 智能控制技术【l q 智能控制利用人工智能( 即模拟人的大脑) 的知识表达和逻辑推理方式来解决难以建立 精确数学模型的控制问题，是- t l 边缘交叉学科。基本特点是：具有“智能递增，精度递 减”的一般组织结构形式；研究的主要目标不再是被控对象，而是控制器本身；开、闭 环控制结合，定性决策与定量控制结合的多模态控制；具备学习功能、适应功能和组织功 能；系统的建模采用以知识表示的非数学广义模型与数学模型相结合的方式，即信息处理 方法上既有数学运算又有逻辑推理。等。 ( 1 ) 专家系统 专家系统是一种智能的计算机程序，它不同于一般的数值信息计算程序，是一种知识信 息处理程序。这些程序具有相当于某个专门领域的专家的知识和经验水平，它通过某种知识 获取的手段把人类专家的知识和经验技巧移植到计算机中，并且模拟人类专家的推理、决策 过程，求解那些需要杰出人物的专家知识才能求解的高难度问题。 ( 2 ) 模糊控制 随着社会的发展，要求数学研究与解决的问题日益复杂，并且具有模糊性( 客观事物问 的差异的中间过渡中的不分明性和人类语言对之的描述，如“大”与“小”，“快”与“慢”) ， 很难以精确化。不兼容原理指出：当个系统的复杂性增大时，则使其精确化的能力就将减 少，在达到一定限度后，复杂性与精确性将相互排斥。模糊控制以模糊集合理论( 采用隶属 函数描述那些介于“属于”和“不属于”的中间过渡过程，使得每个元素不仅以0 或1 属于某一集合，而且还以一定的介于0 或1 之间的程度属于某一集合。) 为出发点， 建立了大脑和计算机间的桥梁，它将人类专家的模糊信息形式存储的经验和知识转化成计算 机可以接受的“i f _ t h e n ”规则形式，使得计算机可以模拟大脑处理模糊信息，进行推理和 判断以控制被控对象。 ( 3 ) 人工神经网络 人的思维有逻辑性和直观性两种不同的基本方式。逻辑性的思维是指根据逻辑规则进行 符号推理的过程；直观性的思维是将分布式存储的信息并行协同处理的过程。譬如，人们经 常无意识地将分布在大脑各部位的信息综合起来，结果是忽然问产生想法或解决问题的办 法。这种思维方式的根本点在于以下两个方面：信息处理是通过神经元上的兴奋模式分布 存储在网络上；信息处理是通过神经元之间同时相互作用的动态过程来完成的。 人工智能网络就是模拟人思维的第二种方式。它是大量简单的处理单元广泛并行互连组 5 中r 大学司e 士论文 j “_ _ _ _ - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ l _ - _ - - _ _ - _ _ - _ _ _ l - _ - - _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ 一 成的复杂网络，用以模拟人脑神经网络的结构和行为的非线形动力学系统，它的特色在于信 息的分布式存储和并行协同处理，具有很强的容错性和鲁棒性，善于联想、综合和推广。 2 2 铝电解控制过程分析 铝电解槽内除了本身的电、磁、热、流场的复杂地交互作用以及复杂的物理化学与电化 学反应使其状态变化十分复杂外还因其受到周期进行的人工作业工序( 如出铝、更换阳极、 边部加工，等) 的于扰，以及难以检测的控制误差的积累而使其呈现出复杂的时变特性。直 到目前，控制系统能够直接连续自动采集的电解槽信号只有两个，即槽电压( u ) 和系列电 流( i ) ：能够直接利用机械装置对过程实施的控制也只有两种，即极距调节和打壳下料，分 别控制槽电压( 或槽电阻) 和电解质熔体中的氧化铝浓度。氧化铝浓度目前尚不能在线检测， 但它和槽电阻有不对称的u 型关系“”，周期地改变下料速率，即将下料方式安排为“欠量 下料”与“过量下料”周期交替地进行，使氧化铝浓度在一定的范围内变化( 即d r d t 不等 于o ) ，并假设在未移动阳极的期间内槽电阻的变化仅由氧化铝浓度的变化所引起，那么有 下式成立【1 6 1 7 1 ”： 式中d r d t 是槽电阻随时间的变化速率，它的大小反映了槽电阻对d rd 矗d c 氧化铝浓度的导数d r d e 的大小。槽电阻r 在一定时间内的累积斜率j f 2 j f “j f 则反映了氧化铝浓度的变化率。氧化铝浓度c 应设置不易发生阳极效 应、不易产生沉淀的区间。为了利用d r d t 来判断氧化铝浓度c ，在c 工作区槽电阻r 对氧 化铝浓度的导数应足够大，能满足浓度工作区1 5 3 5 为最佳浓度控制。 上述分析表明，铝电解槽是一个多变量、非线性、大滞后、时变的惯性系统，具有模型 的不确定性；铝电解过程的控制就是利用上述槽电阻与极距和氧化铝浓度的关系，并兼顾过 程中其它各种因素影响，确定具体的极距和下料的控制策略，缺乏精确的数学模型。因此， 把智能控制技术应用于铝电解生产比常规的控制方法更有优越性，为探索更先进的铝电解 过程控制策略奠定了重要的基础，并在生产实际中取得了很好的控制效果和经济技术指标。 2 3 系统硬件设计 铝电解智能控制系统( 硬 件配置) 示意图如图1 所示。 其中智能槽控机是直接面向生 产过程的。主要功能是现场数 据采集和控制。其数据交换是 通过c a n 总线网络送到监控 计算机，监控计算机由一台工 业控制p c 机构成，主要功能 是对现场槽控机参数进行设 置；通过现场总线网络实时获 取现场槽控机的数据：监测系 统异常、报表输出等功能。 c a n 总线部分主要由智能 c a n p c 总线适配卡p cc a n 、 通讯介质以及相应通讯软件组 m s 网 图1 铝电解槽智能控制系统( 硬件) 配置示意图 6 中，r 大学阿l 士论文 - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ l - _ - _ _ - _ _ _ - - _ _ _ _ - _ _ _ - - - - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ 一 成。c a n 接口卡是具有高性能价格比的智能通讯适配卡p cc a n ，它使监控计算机方便的 连接到c a n 总线上。p cc a n 上高性能的嵌入式微处理器8 0 c 1 8 8 ( 1 2 m h z ) 极大地减轻了 主机p c 的负担，而且可以运行用户复杂的通讯任务。卡上有1 k b 或2 5 高速双口r a m ， 直接映射到主机内存空间，实现c a n 与主机p c 的高速数据交换。p cc a n 上带有光电隔 离，保护p c 机避免由于地环流的损坏，增强系统在恶劣环境中使用的可靠性。p c c a n 上 带有可配置的h i l o n 协议及d o s 、w i n d o w s 驱动程序。 该系统采用传输介质为双绞线，负载连接在c a n - h 和c a n l 之间，终端匹配阻抗的 值应该等于信号线的特性阻抗值( 约1 2 0 q ) ，如果电阻不匹配，有可能降低数据的有效传 输。 2 3 1 智能槽控机的设计 铝电解槽智能槽控机是铝电解槽自动控制系统的主体部分。它具备独立的解析与控制功 能，能完成电解槽时实控制的全部内容。每台槽控机由两个机箱组成，分为动力箱和逻辑箱。 动力箱主要由常规控制电路和信号采集板组成，是槽控机的供电部分和控制执行机构。逻辑 箱是槽控机的核心部分，逻辑箱内为逻辑单元，它实际上是以g m s9 0 c 3 2 单片机( 该单片 机为l g 公司九十年代产品，与h t e l m c s 5 1 系列单片机兼容。) 为核心的微机体系，它产 生的指令信号输出到动力机箱内的动力单元，由动力单元转换成具体的动力控制动作。 逻辑单元的设计采用了智能化、模块化及全分布的硬软件设计原则： ( 1 ) 槽控机的基本功能可分为采样、解析、操作( 动作) 、显示和通信，所以可相应 地设计为五个智能化的功能模块( 简称智能模块) 。各智能模块均带有自己的c p u 微处理 器，因此均能相对独立地运行和发挥自己的功能。 ( 2 ) 各智能模块通过双芯电缆为通信介质的现场总线互联，实现模块间的数据交换和 多c p u 协同工作从而使整个控制器的逻辑单元成为五个先进的多c p u 网络体系。并且， 该体系与外设( 上位机) 的接口也采用现场总线协议，内、外数据交换均基于现场总线，以 满足构造全分布式控制系统的要求。 各智能模块功能为：主板对过程控制进行解析；采样模板完成槽电压、系列电流的采样： 通讯板实现与上位机的数据交换；操作板完成所有输入麟出操作；显示板接受触摸开关的 输入信号、输出运行信息。采用软件模拟方式完成原来靠硬件电路实现的组合逻辑关系等功 能。其输入手动信号采用无机械触点和机械运动的触摸式开关。 2 3 2 各智能模块电路设计 各智能模块其核心主要由五部 分组成：x 2 5 0 4 5 、g m s 9 0 c 3 2 、 p s d 3 儿、s j a l 0 0 0 、p c a 8 2 c 2 5 0 。 槽控机智能模板结构图见图2 。其 中g m s 9 0 c 3 2 为单片机属总线型 结构可以根据应用需要扩展不同 功能的应用系统。x 2 5 0 4 5 为监测电 路，它把常用的3 种功能：看门狗 定时器、电压监控和e e p r o m 组合 在单个封装之内。这种组合降低了 系统成本并减小了电路板面积。看 6 m s 9 0 c 3 2p s d 3 图2 智能模板结构图 7 中南大学司i 士论文 门狗定时器对单片机提供了独立的保护系统。当系统故障时，在选定的超时时间之后， x 2 5 0 4 5 的看门狗将以r e s e t 信号做出响应。利用x 2 5 0 4 5 低v c c 检测电路，可以保护系统 使之免受低电压的影响。当v c c 降到最小v c c 转换点以下时，系统复位。复位一直到v c c 返回规定值且稳定为止。x 2 5 0 4 5 的存储器是c m o s 的4 k 位髓p r o m 。p s d 3 i1 为可编程 单片机通用外围接口芯片，该芯片将e p r o m 、r a m 、p a d 、地址锁存器和y o 口集成在单 一的芯片上，取代了传统的分散器件，使设计者不再考虑由离散器件构成所需的存储器译码 电路、端口和地址锁存器。从而允许单片机控制系统以最少的元件设计完成更多的功能，通 过编程来实现各种不同的用途。它的使用可以减少元件数量，减化布线，降低成本，增加系 统可靠性。s j a l 0 0 0 是c a n 总线控制器。主要完成c a n 的通讯协议，是c a n 总线接口电 路的核心，具有完成c a n 通信功能所要求的全部特性。引脚t x 0 为c a n 发送数据输出端； r x 0 为接收数据输入端。s j a l 0 0 0 的复位瓜s t 和中断，斟t 分别由g m s 9 0 c 3 2 的p 1 3 、矾t o 引脚控制；与c a n 总线接口主要由t x 0 ，r x o 引脚实现；片选信号，c s 由p s d 3 1 1p c 0 口 控制。p c a 8 2 c 2 5 0 是c a n 控制器和物理总线间的接口。主要功能是提高c a n 总线的保护 和驱动功能；t x d 和r x d 引脚分别发送和接收信号。其中引脚r s 允许选择三种不同的工 作方式：高速、斜率控制和待机。在高速方式下，即r s 接地，不采取任何措施限制上升和 下降斜率；斜率控制由r s 至地连接的电阻进行控制；若r s 加有高电平，则电路进入低电 流待机方式。 2 4 系统软件设计 铝电解智能控制系 统从软件设计的功能上 进行划分，由直接控制 级、过程控制级和信息 管理级三级分布式的结 构组成图3 所示的功能 配置示意图。其中： ( 1 ) 直接控制级 ( 槽控机) 设计一个实 时控制系统( 模糊专家 控制器) ，控制物料平 衡、热平衡和极距。 ( 2 ) 过程监控级 ( 上位机) 设计为三个 子系统：三场动态仿 真子系统( 简称为在线 仿真子系统) 。该系统 信息蕾理网( m i s 图3 铝电解槽智能控制系统功能结构示意图 信息管理钮 过程控篇塑 i 接控制蟹 利用可获取的信息迸行仿真计算，求解一些重