铝电解槽计算机控制课件

1、铝电解槽的计算机控制 近20年来，自动化技术得到了迅猛发展，其应用几乎深入到了工业生产过程的各个方面，产生了巨大的社会经济效益。自动化技术 是一门综合应用控制理论、 电子装备、 仪器仪表、 计算机 和其他信息技术， 对工业过程实现检测、 控制、 优化、 调度、 管理 和决策， 达到增加产量，提高质量、降低消耗和污染、确保安全等目的的服务性技术。 计算机的出现及其在工业自动化中的应用推动了传统的经典控制理论向现代控制理论和智能控制理论的发展。相应地，传统的模拟型仪器仪表和自动化单元愈来愈多地让位于采用了计算机技术的数字化、智能化、网络化、开放化的仪器仪表、自动化单元与计算机系统。更重要的是，前者

2、不能解决的自动化问题正在被“英才辈出”的后者所解决。 自动控制理论与技术的发展 19世纪末：产生自动控制理论 （蒸汽发动机系统的调速器） 20世纪初20世纪50年代前后，建立经典控制理论 （是各类仪表控制的基础） 20世纪60年代末：建立现代控制理论 （电子计算机的出现推动其发展，是计算机控制系统及智能化仪表的基础） 70年代以来：建立和发展智能控制理论 （微型计算机的飞速发展推动其发展，是计算机智能控制系统的基础）自动控制理论与技术的发展控制仪表智 能 化控制仪表计 算 机控制系统计算机智能控制系统经典控制理论与技术现代控制理论与技术 数学模型 高阶微分方程式 单输出-单输出 线性定常系统智

3、能控制理论与技术 数学模型 一组一阶微分方程（状态方程） 多输出-多输出 线性或非线性，定常或时变系统 知识模型知识表达与推理 多输出-多输出 各类复杂系统常规控制理论（经典、现代）的缺陷 依赖理想化的精确的数学模型； 设计方法愈来愈数学化； 控制算法较为理想化； 不能有效利用人类的非数学表述型知识和经验； 为了摆脱建立数学模型的困难，并使控制系统能有效地应用人类专家的知识和经验，控制理论出现了新的分支智能控制理论。智能控制的起源人工智能计算机科学中设计研究、设计和应用智能计算机的一个分支，是一种知识处理系统，具有记忆、学习、信息处理、形式语言、启发式推理等功能；简单地说，是由计算机来表示和执

4、行人类的智能活动；比较准确地说，指计算机执行某些与人的智能有关的复杂功能（如推理判断、图像识别、理解、学习、规划和需要有运用推理等智能的问题求解）的能力。形象地说，只告诉计算机做什么，而不告诉怎样做，计算机便能完成工作，便说计算机有了智能。智能控制多学科交叉的产物人工智能自动控制智能控制人工智能自动控制智能控制运筹学系统论计算机科学智能控制其他人类工程学信息论 智能控制的主要分支（1）基于人工智能的专家系统（专家控制器）；（2）基于模糊推理和计算的模糊控制；（3）基于人工神经网络的神经网络控制；（4）基于信息论、遗传算法和以上三种方法的 集成型智能控制。智能技术在决策支持系统中的应用智能决策支

5、持系统 决策支持系统 专家系统（人工智能）智能决策支持系统决策支持系统（DSS）为决策者提供辅助决策的有用信息（“军师”、“参谋”）；DSS在MIS的基础上发展而来；传统的DSS：以定量决策为主，采用某些数据处理方法，从数据库中找到必要的数据，并利用数学模型的功能，为用户产生所需要的信息（用于决策的信息）；专家系统（ES）：以定性决策为主，采用知识搜索方法，从存放有大量专家知识的知识库中获得解答问题所需的知识，并经过推理为用户产生所需的信息（如用于决策的信息）。IDSS：DSS与ES的结合，达到定性辅助决策与定量辅助决策相结合，大大改善辅助决策的效果。铝电解虽然是传统产业，但在应用自动化技术方

6、面却能紧跟时代的步伐，这主要是因为： 近30年来，自动化技术在铝电解工业的节能、降耗、增产、环保、安全等各个方面发挥了巨大的作用； 在铝电解企业从“高能耗、大污染、劳动力密集型”的传统形象向“高效率、无污染、自动化”的现代化企业形象的跨越过程中起到了重大推动作用。 先进自控理论与技术在铝电解企业的应用主要体现在铝电解生产系列的计算机控制系统中。 国际上从80年代起研究：自适应控制、推理控制、专家系统等先进控制（智能控制）技术在铝电解过程控制中的应用。 我校从80年代后期起研究自适应控制、模糊控制等多种智能控制技术在铝电解过程控制中的应用。 铝电解过程的特点铝电解生产采用多达数百台电解槽串联成一

7、个生产系列的方式进行。在强大的直流电流（100300kA）的作用下铝电解槽内发生着复杂的高温物理化学和电化学反应，在该体系内形成互有关联的、可变的电场、磁场、温度场、熔体流动场等物理场。 铝电解过程的特点（续）由于铝电解槽内高温（940970）熔体的强腐蚀性，浓度、极距和温度等重要的被控参数目前尚不能在线检测，能在线检测的信号只有槽电压和系列电流；所以能及时地反映电解槽状态变化的主要参数便只有由这两个信号采集值计算得到的表观槽电阻（简称槽电阻）： 铝电解过程的特点（续）槽电阻的变化是多种互有关联的因素综合作用的结果，因此难以建立起槽电阻与被控参数间的确定性的数学模型。可见，该被控对象具有模型的

8、不确定性。 铝电解过程对控制系统的要求： 生产实践与理论研究表明，要获得理想的技术经济指标，关键是： 控制好几个主要的技术参数，使铝电解槽能处于理想的物料平衡与热平衡状态下稳定运行，从而使物理场稳定，引起电流效率损失的二次反应最大程度地被抑制。 为达到这一目标，现代铝电解工艺对控制系统提出如下要求： 铝电解过程对控制系统的要求（续）1）控制好铝电解槽的物料平衡由于氧化铝的添加是引起物料平衡变化的主要因素，因此最重要的是控制好氧化铝的添加速率（即下料速率），使氧化铝浓度的变化能维持在预定的一个很窄的范围内。 铝电解过程对控制系统的要求（续）：2）控制好铝电解槽的热平衡和极距主要的目的是，以移动阳

9、极作为调整极距和改变输入电功率为手段，既维持合适的极距又保持最佳的热平衡。 上限目标值下限下降阳极提升阳极 铝电解过程对控制系统的要求（续）：3）槽况的综合分析与辅助决策由于存在：不能由计算机直接控制的操作工序和工艺参数， 检测不到的干扰因素和变化因素， 控制误差的积累，导致：铝电解槽的物料平衡，热平衡，以及互有关联的物理场会发生缓慢的变化。这些变化积累到一定的程度后会导致： 电解槽正常的动态平衡的崩溃，即电解槽成为病槽。因此：计算机应该具有利用各种可获取的信息综合解析电解槽的变化趋势，并及时诊断病槽或尽早发现病槽形成趋势的能力，以便能及时地调整有关控制参数或提出人工进行维护性操作的建议。 2

10、0世纪80年代点式下料器的成功开发应用，实现了下料方式从“人工下料定时（批量）自动下料准连续自动下料”的转变。下料控制（氧化铝浓度控制）技术的发展：中间点式下料器C1234567dd+md-md ：设定极距 R槽电阻氧化铝浓度利用槽电阻与氧化铝浓度存在一定的对应关系的原理，人们发现，通过跟踪槽电阻的变化，可以判断和控制氧化铝浓度。点式下料技术与氧化铝浓度控制技术相结合，使传统的定时下料控制技术转变到准连续“按需”下料控制技术。法国提出了一种在铝业界有重要影响的专利技术。该技术采用“欠量下料”与“过量下料”交替进行的下料方式，通过跟踪槽电阻变化曲线来判断和控制氧化铝浓度。特点：借鉴了现代控制理论

11、中的系统辨识原理，即通过设计能对系统（铝电解槽）产生激励作用的输入信号（下料速率），实现对模型参数的辨识，而被辨识的模型参数能反映系统的状态（氧化铝浓度）。 也许是受此方法的启示，挪威提出了用现代控制理论中的一种先进控制方法自适应控制来控制氧化铝浓度的技术： 该技术按自适应控制系统的建模方法建立氧化铝浓度的估计模型，使用欠量过量交替下料方式来对系统（铝电解槽）产生“激励”，然后用递推最小二乘法等参数估计方法来估计能反应氧化铝浓度状况的模型参数。 欠量过量欠量过量欠量槽电阻下料速率简单的“欠量过量”交替下料技术基本原理C1234567 R 简单的“欠量过量”交替下料技术的缺点： 电解槽始终处于“

12、振荡”状态； 电压调节不及时，且变化范围太大； 出现异常槽况时，易出现控制失误。 异常槽况易导致控制失误的原因是，除了氧化铝浓度外，还有许多其他的因素会引起槽电阻的变化。 为了克服常规的“欠量过量”交替下料控制技术的缺点，提高氧化铝浓度控制的精确性和可靠性，我们应用现代智能控制技术开发了一种专家模糊控制器（算法），该算法根据对槽况的综合分析来判断和控制氧化铝浓度。 上位机监控模块 通信接口 通信接口 自调整 规则库 机构 数据库 推理机 执行机构 数据处理 信号采集 I,V 铝电解槽 手动信号 槽况综合分析与 参数优化决策 专 家 系统 过程监控 模 块 U 槽控机模糊专家控制器 铝电解智能模

13、糊控制系统控制原理槽控机上位机 铝电解槽计算机控制系统（硬件）的发展：6070年代初期： 小型机群控；70年代中期80年代： “上位机（小型机）槽控机”两级集中式控制系统；80年代后期90年代初期： “上位机（小型机）槽控机”两级分布式控制系统；90年代： “上位机（微机）槽控机”两级分布式控制系统；90年代末期以来： “管理机监控机槽控机”网络式（全分布式）控制系统。1号槽控机 监控机电流信号传输线 通信线1号电解槽2号槽控机2号电解槽n号槽控机n号电解槽铝电解槽计算机控制系统计算站电解车间整流车间1号槽控机系列电流 检测信号交换机1#监控微机电流信号传输线CANBUS 通信网M#监控微机1

14、号电解槽2号槽控机2号电解槽n号槽控机n号电解槽服务器接其他监控、管理微机接车间、分厂工作站以太网（TCPIP通信）铝电解智能模糊控制系统硬件配置图整流车间电解车间计算站 基于计算机技术的槽控机的发展： 80年代以来开发应用： 插板式槽控机STD总线（并行）结构、插板方式； 90年代中期以来开发应用： 大板式槽控机STD总线（并行）结构、大板方式； 90年代末期以来开发应用： 网络式槽控机CAN总线（串行）结构，网络方式。注：自焙槽曾使用：PLC槽控机。 网络式槽控机设计方案 l因槽控机的基本功能可划分为采样，解析、操作（动作）、显示和通信等，所以可相应地设计若干个智能化的功能模块（简称智能模

15、块）。各智能模块均带有自己的微处理器，因此均能相对独立地运行和发挥自己的功能。 l各智能模块通过以双绞线（或双芯电缆）为通信介质的现场总线互联，实现模块间的数据交换和多个微控制器的协同工作，从而使槽控机的逻辑单元成为一个先进的网络体系。并且，该体系与外设（上位机）的接口也采用CAN总线协议，以满足构造全分布式控制系统的要求。YFC-99网络式槽控机硬件原理图 槽控机控制软件的功能：（1） 信号采集（2） 槽况解析（3） 下料与电阻智能模糊控制（4） 氟化铝添加控制（5） 设定参数的自修正功能（6） 多模式控制方式的自选择（7） 人工操作工序监控（8） 数据处理与存储（9） 与上位机的数据交换（

16、10）故障报警与事故保护 上位机监控软件功能 为了实现控制功能和便于生产管理，监控软件应具有以下功能：(1) 与槽控机通信的功能；(2) 实时监控功能； (3) 报表处理功能；(4) 槽控机设定参数查看/修改功能；(5) 槽状态曲线显示功能； (6) 面板模拟显示功能；(7) 槽况诊断与维护决策功能。计算机在铝厂其他控制装置中的应用 ： 电解车间的物料配送系统； 烟气净化系统； 变电整流所中的安全保护、自动稳流和整体监控； 阳极焙烧系统；各类信号检测与计量系统等； 特点：中、低档的PLC成为构造这些系统的自动化单元的首选控制装置。 铝电解企业的综合自动化建设 综合自动化建设的基本原则：铝电解企

17、业为了实现综合自动化建设的目标，应该遵循下列基本原则： 在构造或选购信号采集与过程控制系统时，应选择新型的数字化、网络化、开发式的仪器仪表与自动化装置，特别是尽可能选用具有开放式软硬件平台，支持软硬件组态和用户“二次开发”的智能集成型自动化系统。 按过程控制与信息管理一体化网络的建设原则进行全厂计算机网络的整体规划与建设，解决原来的自动化“孤岛”问题并避免产生新的自动化“孤岛”。注重信息资源管理系统的开发与应用，提高各类信息收集、处理、共享及应用水平，并在此基础上建立实用的企业信息及决策系统，提高企业决策和管理现代化水平。 对于大型铝电解企业，应按照CIMS（流程工业现代集成制造系统）的思想并

18、结合铝电解工业自身的特点，进行基于PCSMESERP三级结构的CIMS建设: PCS 以产品质量和工艺要求为指标的先进 控制技术; MES 以经济指标为目标的生产过程优化运 行、优化控制与优化管理技术; ERP 以财务分析决策为核心的整体资源优 化技术。 将CIMS的控制、优化与决策功能与办公自动化、电子商务、远程监控等功能集成于一体，构成企业的综合自动化网络体系。 YFC-ERP：基于ERP思想的大型预焙铝电解厂管控一体化整体解决方案 长沙业翔科技发展有限公司2004年5月20日系统概述 以铝电解生产为核心，将生产的各个要素有机地整合在一起，从全局的高度来准确把握电解铝厂信息化建设的宗旨，提

19、高系统实施的可行性和实用性，形成一套铝冶炼企业信息化建设完整的解决方案。 软件架构YFC-ERP整体解决方案模块划分图总体思想：模块化分层构架，进行动态组装；第一层：车间控制级，在各电解车间内实现生产过程的网络监控；第二层：电解分厂管理级，以调度系统为核心，实现电解分厂内的生产过程网络监控、结合神经网络专家系统进行槽况诊断、对各种生产资料和库存产品进行信息化管理；第三层：基于ERP思想的全厂管理控制一体化系统，整合电解、碳素、动力等电解铝厂各生产部门的资源，无缝集成企业内部与外部的工作流程，实现企业各部门的协同工作。软件运行环境服务器操作系统：Microsoft Windows 2000 Se

20、rver 中文标准版。客户端操作系统：Microsoft Windows 9x中文版。后台数据库与数据仓库：Oracle8i或MS SQL Server2000中文企业版。安全可靠的大容量数据库功能强大的一体化系统实用高效的生产管理功能及时便利的网络化管理友好清晰的导航界面良好的客户关系管理快捷方便的报表查询智能分布式控制系统特点主要模块功能介绍1）过程监控系统 是整体解决方案的核心部分，也是目前通用管理系统的一个空白领域；它与铝电解生产的控制过程和工艺过程紧密相关，具有很强的领域专业性。控制原理接口机子系统强大的功能监控表的动态建立过程接口机监控主界面客户端子系统客户端主界面电解槽历史曲线查

21、询工艺参数数据录入界面工艺参数数据查询操机员参数数据电解槽单槽月份分析电解槽单槽跨度分析后台数据管理子系统服务器监视程序服务器是数据存储中心和网络监视中心 2）库存管理系统库存管理系统的目标：保障公司生产车间、其它科室所需的各类物资的供应，保障生产过程中所需的机械设备、备件的供应工作，并通过有效的管理，提高库存周转率，降低资金的占用，杜绝物料的积压与短缺现象。 库存管理是企业物流系统的重要环节。库存管理系统强大的查询功能3）专家系统 电解槽的槽况分析与判断及相应工艺技术参数的调整是生产过程中的关键。铝电解槽专家诊断决策系统4）人力资源管理系统从员工信息、绩效工资等角度帮助企业管理好企业的人力资源。当日考勤查询5）办公自动化系统 办公自动化系统是以流程核心为基础、以B/S为结构、基于Internet架构的网上办公管理系统，为企事业单位的正常运转提供了许多必不可少的功能，为业务的开展提供了极大的保证。办公自动化系统主界面6）数据挖掘器数据挖掘器的三个主要子模块：数据预处理、算法选择和挖掘组件。 OLAP数据分析应用 以某电解铝厂2000年11月11日到2003年01月03日一个200kA系列的历史数据为例，进行OLAP数据分析。 考核指标综合分析分析对象：电解铝厂目标管理的六个主要考核指标。 系列历年考核目标分析表系列历年工艺数据分析表电解质水