铝电解数字孪生体构建及应用研究

铝电解数字孪生体构建及应用研究摘要：在我国快速发展下，社会经济不断提升，带动了科技的不断进步。目前，智能制造与传统铝电解技术的深度融合，引领着铝电解行业可持续发展，但是当前铝电解实体装备与数据模型缺乏有效映射，阻碍了铝电解行业智慧转型的步伐。因此，本文将数字孪生技术与铝电解生产技术有机结合，开展铝电解数字孪生体整体架构设计、关键技术研发及应用研究，构建物理实体、虚拟模型、孪生数据、智能决策服务及虚拟−现实交互连接五维模型。铝电解物理实体划分为电解厂、电解车间及电解设备三个层级，通过三维场景数字化建模、离线物理场建模及动态仿真数学建模，映射与之对应的虚拟模型。使用交互连接技术进行物理实体与虚拟模型实时同步孪生数据，部署铝电解数字孪生体原型系统，实现铝电解生产环节虚实映射，为铝电解行业数字化、智能化转型提供了先进思路与技术方法。关键词：铝电解；智能制造；数字孪生1虚拟模型1.1三维场景数字化建模构建虚拟模型是构建数字孪生体的核心环节，虚拟模型负责物理实体数据信息的获取及反馈，直观表征物理实体内部复杂结构并作为展示载体。通过实地考察调研，参照实拍数据及铝电解槽相关基础资料，进行三维场景准确重构，提取关键结构特征，使用3dsMax软件对电解车间级的重要设备(如：电解槽、天车、工艺车、抬包、抬母线装置等)进行精细化建模，以铝电解单槽三维场景模型为例，如图1所示。随着建模工作深入，完善三维模型库。图1电解槽三维场景模型1.2离线物理场建模在数化建模的基础上，增加物理实体的物理属性、约束、特征等信息，基于电解槽物理场、化学关系模型，进行温度场、电−热场、电−磁−流等研究，开展全周期全领域的物理场仿真。使用ANSYS等工具进行动态多尺度仿真分析，结合实时数据，不断训练及优化模型以达到高水平映射，为数字孪生体提供离线物理场模型库。以下料周期内极距区域水平截面(z=1.1177m)氧化铝质量分数仿真结果为例。2阳极效应铅电解生产过程中发生在阳极上的一种特殊现象称么为阳极效应，而阳极附近氧化招浓度低是阳极效应发生的主要原因。铅电解槽正常运行时，加入氧化铅原料，在经过电化学反应后，铅离子在阳极失去电子生成氧气，氧气和碳在高湿的环境下生成CO2和少量的CO气体。在正常情况下，如AL2O3浓度较高使得碳阳极表面张力较小，很好地润湿阳极使得阳极气体不能在阳极底面一直停留，这种情况下阳极效应不会发生。但是随着电解反应的进行，AL2O3的含量不断降低使得湿润作用下降，阳极的底部生成的气泡将其覆盖使得一部分阳极无法导电，所谓高电阻区就是指这不导电的部分，此区的电流密度会相对于反应初期相比较大，当电流密度大到某一临界值时就导致了阳极效应的发生。另外，当电解槽内电解质水平过低时，由于电解槽漏电解质或槽电压过低也会导致阳极效应发生。当槽电压较低时，槽的保温效果也会随之而下降，由于输入能量的降低而破坏了电解过程的热平衡，电解质收缩从而产生阳极效应。阳极效应发生时，会发生Ｗ下现象：在阳极周围会产生明亮的小火花、阳极上气泡停止析出、电解质停止沸腾。这时，电子停止在阳极与电解质之间传递，造成槽电压增高（30-50伏）和电流下降。阳极效应发生时会融化槽底沉淀，有助于碳渣分离，有利于粘附在阳极底部的碳渣清理；但同时它也促使结壳融化，导致四氣化碳和六氣化二碳析出，电解温度升高，电能消耗增加，铅的损失增加。3电解温度采样温度采集是槽控机控制系统中重要的一环，因为温度直接反映了铝电解过程的热平衡问题，因此必须准确掌握电解温度的变化情况。在实际应用中，比较合适的电解温度范围是940-960℃。温度的测量需要探头插入电解槽内，由于化学原料的腐蚀作用极强，一般的热电偶无法在槽中持续工作。为此，选用加保护套管的Ｋ型热电偶，提高探头的使用寿命。K型热电偶是工业上常用的测温工具，检测温度范围广且精度较高，但它的输出为毫伏级的电压信号，且存在冷端温度误差，有时输出的电压信号和温度信号成非线性。根据热电偶的检测特性，在电路设计中配备了相应的热电偶放大器AD8497，并通过模数转换器MCP3421实现串行模数转换。温度的测量范围为0-1000℃，对应的热电偶检测输出信号为0-40ｍV，AD8497为集成热电偶冷结温度补偿器的精密仪器放大器，冰点基准与预校准放大器的结合，使其能直接从热电偶信号产生高电平（5ｍV/℃）输出，可以覆盖近1000度的温度范围，与Ｋ型热电偶的特性相匹配，另外，其具有高共模抑制功能，能够抑制热电偶的长引线拾取的共模噪声，这样使得Ｋ型热电偶温度检测装置的软硬件设计大大简化。MCP3421为单通道、高精度、差分输入的AD转换器，分辨率高达18位，差分输入电压为±2.048V，使用2线I2V兼容串行接口，将转换完的数据传送给DSP控制器。4铝电解槽对能量平衡的自调节文献中提到：严格来讲，电解槽内的能量收支是“不平衡”的。这是槽体系的热散失较能量收入具有被动滞后性造成的，即只有能量收入（系列电流、槽电压）发生改变时，热散失才会跟随其变化，而且有一定的滞后；同时，槽体系对电解温度、散热也有阻滞的效果；但电解槽的自调节是有限度的，当超出这一限度时，电解槽会发生热槽现象，稳定性变差，文中还给出实例，这里不进行具体讨论。对本文而言，一方面，极距的变化不会造成系列电流、槽电压的剧烈变化；另一方面，文中建立的电解槽模型主要应用于控制系统中，其中极距作为控制目标，在发生变化后会通过控制器较快地调节原有位置。所以，根据自调节理论，可认为由极距变化引起系列电流、槽电压的变化不会破坏原有的能量平衡，电解温度不会发生明显变化，对外散失的热量也不会改变，这是极距变化时，能量平衡依然成立的前提条件。结语1)定义了铝电解数字孪生体五维模型，设计了标准体系并明确了研究方法，构建物理实体、虚拟模型、孪生数据、服务及交互连接五维模型，在五维模型的协同作用下构成铝电解数字孪生体。2)开发了一种氧化铝质量分数动态仿真方法，构建基于阳极电流在线采样的等效支路槽电阻模型，辅以ConvLSTM模型构建氧化铝变化速率模型，并结合氧化铝质量分数仿真结果，实现全槽质量分数结果优化，该方法获得的氧化铝质量分数预测趋势基本与电解槽运行过程实际趋势相符。3)构建了铝电解数字孪生体的原型系统，该系统包括电解厂级、电解车间级、电解设备级三个层级，具有实时监控、数据管理、虚实映射三大功能特性。参考文献[1]卢浩洁,王婉君,代敏,等.中国铝生命周期能耗与碳排放的情景分析及减排对策[J].中国环境科学,2021,41(1):451−462.[2]桂卫华,曾朝晖,陈晓方,等.知识驱动的流程工业智能制造