第4篇第1章—計(jì)算機(jī)控制—概述

1、第四篇、鋁電解計(jì)算機(jī)控制及鋁廠信息化第一章 鋁電解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與功能自60年代起，傳統(tǒng)的鋁電解產(chǎn)業(yè)便開始采用新興的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制理論和技術(shù)以及鋁電解工藝的發(fā)展，20世紀(jì)70年代后大多數(shù)技術(shù)水平的先進(jìn)的國家已普遍實(shí)現(xiàn)電解鋁生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)控制與管理。計(jì)算機(jī)控制管理功能的不斷加強(qiáng)，不僅逐步把操作者從高溫、強(qiáng)磁場和高煙塵環(huán)境下的繁重的體力勞動中解放出來，而且準(zhǔn)確、及時(shí)、穩(wěn)定和精細(xì)的控制，也使采用大容量(180500kA)預(yù)焙槽，并在低溫、低分子比、低Al203濃度這些有利于大幅度提高電流效率和降低能耗的技術(shù)條件下進(jìn)行電解成為可能。當(dāng)前國際上先進(jìn)的電流效率指標(biāo)(94%

2、96%)和直流電耗指標(biāo)（1300013300kWh/t-Al）都是在先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控下取得的。鋁電解槽自動化操作水平的提高，也使高度封閉式電解糟的設(shè)計(jì)成為了可能，從而有力地推動著鋁電解生產(chǎn)朝著低污染、或無污染的方向邁進(jìn)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用，還使鋁電解這一傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的管理方式迅速地走向數(shù)據(jù)化、標(biāo)準(zhǔn)化和科學(xué)化?？傊?，計(jì)算機(jī)控制與管理系統(tǒng)已成為現(xiàn)代鋁電解生產(chǎn)過程必不可少的自動化裝備，它的發(fā)展水平已成為當(dāng)代鋁冶煉技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的發(fā)展概況按控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式與控制方式來分類，鋁電解控制系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了單機(jī)群控、集中式控制、集散式（或分布式）控制、先進(jìn)集散式（或網(wǎng)

3、絡(luò)型）控制幾個(gè)階段1-5。而伴隨著結(jié)構(gòu)與控制方式的發(fā)展，是控制方法與功能的不斷發(fā)展。1.1.1 單機(jī)群控系統(tǒng)（20世紀(jì)60年代 70年代）早在20世紀(jì)60年代，當(dāng)小型機(jī)應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上變得可行時(shí)，鋁工業(yè)便從1964年開始采用它對鋁電解生產(chǎn)系列進(jìn)行監(jiān)控。受當(dāng)時(shí)技術(shù)上的限制，加之計(jì)算機(jī)昂貴，一個(gè)電解系列只能采用一臺小型機(jī)（經(jīng)濟(jì)許可時(shí)再備用一臺），安裝于計(jì)算站對全系列的電解槽進(jìn)行監(jiān)控。專門的信號采樣裝置實(shí)現(xiàn)對全系列各槽槽電壓的循環(huán)掃描采集和對來自整流所的系列電流信號的采集。來自電解槽旁的槽控箱只是一個(gè)簡單的電動執(zhí)行單元，它接受計(jì)算機(jī)的輸出信號，完成陽極移動等功能。單機(jī)群控系統(tǒng)的主要功能

4、是：依據(jù)其在線采集的系列電流、各槽的槽電壓，進(jìn)行簡單的分析運(yùn)算和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的整理報(bào)告，并通過控制各槽的陽極升降裝置，實(shí)現(xiàn)對槽電壓（即極距）的自動調(diào)節(jié)，以及依據(jù)槽電壓的躍升，進(jìn)行陽極效應(yīng)報(bào)警等。1.1.2 集中式控制系統(tǒng)（20世紀(jì)70年代 80年代）進(jìn)入20世紀(jì)70年代，人們對控制系統(tǒng)自動下料控制功能的追求導(dǎo)致了各類自動下料裝置的出現(xiàn)。與此同時(shí)，微型計(jì)算機(jī)（微機(jī)）的發(fā)展使得構(gòu)造能實(shí)現(xiàn)更多控制功能的先進(jìn)控制系統(tǒng)成為可能。例如，Z80等單板機(jī)曾被應(yīng)用于槽控箱（從此，槽控箱也被稱為槽控機(jī)），使槽控機(jī)除了簡單的“執(zhí)行”功能外，還具有定時(shí)下料和簡單的故障診斷等功能。功能強(qiáng)一點(diǎn)的槽控機(jī)還具有獨(dú)立完成槽電壓采樣

5、的功能。但此階段的槽控機(jī)一般無獨(dú)立控制功能，整個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一種集中式控制系統(tǒng)，即采用一臺小型機(jī)作為上位機(jī)（主機(jī)），與每臺電解槽（或數(shù)臺電解槽）配備一臺的槽控機(jī)構(gòu)成兩級集中式控制系統(tǒng)，由上位機(jī)集中控制、集中監(jiān)視。以我國貴州鋁廠20世紀(jì)80年代初期從日本引進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為例，應(yīng)用程序在主機(jī)（PDP11小型機(jī)）內(nèi)運(yùn)行，槽控箱（以Z80單板機(jī)為核心）的存貯器只存有若干條按固定邏輯驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的固定程序。二級的分工是：主機(jī)進(jìn)行系列全部槽的信號采集和解析（槽電阻計(jì)算、槽電阻穩(wěn)定性分析、槽電阻調(diào)節(jié)、AE預(yù)報(bào)、定時(shí)下料安排等）；根據(jù)解析結(jié)果向槽控箱發(fā)布控制命令和監(jiān)視其對命令的執(zhí)行情況；以及累計(jì)數(shù)據(jù)、

6、編制報(bào)表。槽控箱則接受經(jīng)由輸出接口設(shè)備傳來的主機(jī)命令，按其內(nèi)部固定邏輯驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)（馬達(dá)、風(fēng)機(jī)、各電磁閥）進(jìn)行有序動作，從而完成陽極升/降，定時(shí)加料和陽極效應(yīng)處理；通過接口設(shè)備向主機(jī)反饋以及在自己的操作面板上以信號燈顯示各種狀態(tài)信號（如手動或自動；料箱高、低料位；陽極升降時(shí)由脈沖計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的代表陽極移動量的脈沖數(shù)等)；此外，在槽控箱上可以實(shí)現(xiàn)自動/手動切換和手動操作，并在脫離主機(jī)時(shí)自動完成定時(shí)下料作業(yè)。集中式控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)之一是，作為下級機(jī)的槽控箱無獨(dú)立控制能力，主機(jī)負(fù)荷重，因此當(dāng)電解槽數(shù)目多、或引入較多的控制信號，采用（準(zhǔn)）連續(xù)按需下料等較復(fù)雜且實(shí)時(shí)性要求較高的控制模型時(shí)，主機(jī)的采樣和解析速

7、度就難以滿足要求；缺點(diǎn)之二是，主機(jī)一旦發(fā)生故障便會造成全系列槽的失控。雖然可采取一些措施來彌補(bǔ)這些不足，例如選用速度更高的采樣設(shè)備，選用內(nèi)存更大、運(yùn)算速度更高的小型或微型機(jī)作主機(jī)和改進(jìn)應(yīng)用軟件的編制等來提高主機(jī)的解析與控制速度，采用雙臺主機(jī)互為備用的方式來提高系統(tǒng)的可靠性，以及在電解槽數(shù)較多時(shí)于兩級間增加一級區(qū)域通迅微機(jī)或區(qū)域控制機(jī)來分擔(dān)主機(jī)的部分任務(wù)（具有區(qū)域分散式控制系統(tǒng)的特征），但是進(jìn)入80年代后，隨著造價(jià)低、性能好的微機(jī)的出現(xiàn)，以及集散系統(tǒng)這種新一代工業(yè)過程控制機(jī)的應(yīng)用普及，集中式系統(tǒng)正逐步被集散式系統(tǒng)所取代。1.1.3 集散式（分布式）控制系統(tǒng)（20世紀(jì)80年代 90年代）集散式（或

8、分布式）控制系統(tǒng)采用“集中操作，分散控制”方式。各槽配備一臺的槽控箱（或稱槽控機(jī)）作為直接控制級，內(nèi)含一個(gè)獨(dú)立的以微控制器為核心的控制系統(tǒng)，能獨(dú)立地完成對所轄電解槽進(jìn)行信號（電流、電壓）采樣、分析運(yùn)算和實(shí)施控制的功能；所有槽控機(jī)通過通信線連接到計(jì)算機(jī)站的上位機(jī)（過程監(jiān)控級），由上位機(jī)對槽控機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控。90年代以前，上位機(jī)仍采用小型機(jī)，90年代以后則普遍采用工控微機(jī)作為上位機(jī)。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟之前，國外一些電解槽數(shù)目較多的廠家采用了三級以上的集散式控制系統(tǒng)，如美國Kaiser鋁業(yè)公司曾采用“廠部主機(jī)-廠房通信機(jī)-槽系列中心服務(wù)機(jī)-槽控機(jī)”四級集散式控制系統(tǒng)1。傳統(tǒng)的集散式控制系統(tǒng)采用“

9、主-從式”通訊方式，槽控機(jī)僅在主機(jī)要求時(shí)才會與主機(jī)聯(lián)系，接受主機(jī)的命令，并定期將記錄的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至主機(jī)。受通信方式與通信技術(shù)的制約，傳統(tǒng)集散式控制系統(tǒng)中的上位機(jī)與槽控機(jī)的數(shù)據(jù)交換速度不能滿足鋁電解工業(yè)對過程實(shí)時(shí)監(jiān)控愈來愈高的要求。集散式控制系統(tǒng)保留了集中式控制系統(tǒng)的集中操作特點(diǎn)，但擁有集中式控制系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在顯著增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全可靠性和硬件配置靈活性，同時(shí)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算及快速處理與存儲能力更好地滿足了應(yīng)用軟件日益擴(kuò)充的需要。在集散式控制系統(tǒng)硬件功能與操作系統(tǒng)（軟件平臺）的強(qiáng)大支持下，鋁電解控制模型與應(yīng)用軟件也快速發(fā)展，主要體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：（1）氧化鋁濃度控制。這是最引人注目

10、的進(jìn)步。由于氧化鋁濃度的在線檢測問題始終無法解決，人們便通過應(yīng)用一些先進(jìn)的控制理論與技術(shù)來建立氧化鋁濃度的“辨識”（估計(jì)）與控制算法，從而使鋁電解槽的下料控制方式從過去的定時(shí)下料過渡到按需下料。最有代表性的是法國鋁業(yè)公司率先成功應(yīng)用的基于槽電阻跟蹤的氧化鋁濃度控制方法6。這種基于槽電阻跟蹤的方法歷經(jīng)多年的發(fā)展，形成了各式各樣的氧化鋁濃度控制方法，利于基于現(xiàn)代控制理論的自適應(yīng)控制技術(shù)7-11，基于智能控制方法的智能模糊控制技術(shù)與模糊專家控制技術(shù)12-17、以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)18-20等。關(guān)于此方面的一些重要內(nèi)容將在本篇第四章中詳細(xì)討論。（2）槽電阻（極距）、熱平衡以及電解質(zhì)成分控制。由于槽溫、

11、極距和電解質(zhì)成分的連續(xù)在線檢測問題始終無法解決，人們便應(yīng)用一些先進(jìn)的控制理論與技術(shù)來改進(jìn)極距、熱平衡以及電解槽成分控制算法。在氧化鋁濃度控制中使用的一些自適應(yīng)與智能控制技術(shù)同樣也用到極距與熱平衡控制方面，例如電解質(zhì)動態(tài)平衡溫度的自適應(yīng)預(yù)報(bào)估計(jì)模型與控制模型 10,21，基于模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的極距與熱平衡方法等22-25。并且，研究者們愈來愈重視電解質(zhì)成分（分子比）自動控制對熱平衡穩(wěn)定控制的重要性，這導(dǎo)致氟化鋁自動添加裝置（即用于氟化鋁添加的下料器）在鋁電解槽上的廣泛使用以及各類與熱平衡（槽溫）控制密切相關(guān)的分子比判斷與決策（控制）方法的開發(fā)應(yīng)用，例如基于槽溫、分子比實(shí)測值的查表控制法26-3

12、0、基于分子比、槽溫等參數(shù)間的回歸方程的控制法31-36、基于初晶溫度（過熱度）實(shí)測值的控制法（九區(qū)控制法）37、基于模糊邏輯模型的分子比控制方法38、以及基于槽況綜合分析的控制法25,39。關(guān)于此方面的內(nèi)容將在本篇第三章和第五章中詳細(xì)討論。（3）槽況綜合分析（槽況診斷）對不斷改進(jìn)控制功能與效果的不懈追求，使鋁工業(yè)不再滿足于簡單的槽況分析功能，如電阻波動解析、AE預(yù)報(bào)等（詳見本篇第二章）。開發(fā)槽況分析（尤其是槽況綜合分析）功能成為20世紀(jì)90年代以來鋁電解控制技術(shù)開發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)。并且，“直接過程級過程監(jiān)控級”的兩級集散式控制方式使槽況分析功能也采用兩級配置方式。一級設(shè)置在直接控制級（槽控機(jī)）中

13、，利用該級獲得的實(shí)時(shí)動態(tài)信息實(shí)現(xiàn)對槽況的快速實(shí)時(shí)分析，例如，槽電壓（或槽電阻）波動特性的快速實(shí)時(shí)解析、電阻控制與下料控制過程的各類異常現(xiàn)象的快速實(shí)時(shí)分析等，從而直接服務(wù)于實(shí)時(shí)控制級的下料控制與電阻控制；另一級設(shè)置在過程監(jiān)控級，利用該級存儲的歷史數(shù)據(jù)（信息）實(shí)現(xiàn)對槽況中、長期變化趨勢的綜合分析（包括對病槽的診斷），從而可定期（或不定期地）對槽控機(jī)中的相關(guān)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化（調(diào)整），或者為人工維護(hù)槽況提供決策支持。事實(shí)上，上面提到的各類熱平衡與分子比控制方法同時(shí)也屬于槽況分析的方法，并且大多設(shè)置在過程控制級，用于為槽控機(jī)（或操作者）確定相關(guān)控制（或設(shè)定）參數(shù)，例如設(shè)定電壓、氟化鋁基準(zhǔn)添加速率以及出鋁

14、量等。此外，對槽況綜合分析的要求已經(jīng)從過去的單槽分析發(fā)展到多槽分析，即把一個(gè)區(qū)域（大組、段、車間乃至全系列）的電解槽作為一個(gè)整體來進(jìn)行綜合分析。為了實(shí)現(xiàn)槽況的綜合分析，首先必須獲得用于槽況分析的足夠信息。為此人們從兩個(gè)方面進(jìn)行努力：一方面是增加參數(shù)的自動檢測項(xiàng)，即開發(fā)新的傳感器，增加在線信號以及人工檢測的數(shù)據(jù)（詳見第二篇第四章）；另一方面是對可測數(shù)據(jù)（參數(shù)）進(jìn)行“深加工”?！吧罴庸ぁ奔夹g(shù)又被稱為“軟測量”技術(shù)。 由于鋁電解在經(jīng)濟(jì)實(shí)用的傳感器方面尚無突破，因此軟測量技術(shù)是增加槽況綜合分析信息量的重要方法。事實(shí)上，下料控制中的氧化鋁濃度估計(jì)算法、熱平衡控制中的熱平衡狀態(tài)分析算法以及分子比控制中的分

15、子比狀態(tài)分析算法也都可以視為“軟測量”。至今人們研究過的用于鋁電解槽槽況分析中的軟測量技術(shù)可以歸為如下幾類：系統(tǒng)辨識與參數(shù)估計(jì)技術(shù)10, 11, 21、數(shù)理統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)40-43、鋁電解槽物理場的計(jì)算機(jī)動態(tài)仿真技術(shù)44、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊專家系統(tǒng)等智能技術(shù)23, 39, 45。關(guān)于此方面的內(nèi)容將在本篇七章中詳細(xì)討論。1.1.4 先進(jìn)的集散式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)（20世紀(jì)90年代 至今）進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，隨著可構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)的各類現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的集散式（分布式）控制系統(tǒng)開始采用“現(xiàn)場控制級（槽控機(jī)）過程監(jiān)控級”兩級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。例如在我們于90年代中期推出的網(wǎng)絡(luò)型智能

16、控制系統(tǒng)中（詳見下節(jié)“系統(tǒng)配置實(shí)例”），現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)采用一種先進(jìn)的現(xiàn)場總線CAN總線來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)控制設(shè)備（槽控機(jī)）及其他現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備的互連；過程監(jiān)控級則使用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)本級中各設(shè)備（工控微機(jī)及服務(wù)器等）的互連，并實(shí)現(xiàn)與全企業(yè)局域網(wǎng)的無縫聯(lián)接。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化以及與企業(yè)計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的“無縫”聯(lián)接，使“人、機(jī)交互”和“管、控一體”變得更為方便，因此，這不僅推動了各類需要人機(jī)交互的槽況分析系統(tǒng)的發(fā)展與實(shí)用化，而且使大型鋁電解企業(yè)實(shí)現(xiàn)綜合自動化與信息化的目標(biāo)變得更加容易。關(guān)于此方面的內(nèi)容將在本篇八章中詳細(xì)討論。1.2 系統(tǒng)配置實(shí)例1.2.1 一種簡單的兩級集散式（分布式）控制系統(tǒng)的基本配置圖1-1

17、所示的兩級分布式鋁電解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般配置形式是一種最簡單的兩級集散式（分布式）系統(tǒng)配置形式。它可以分為直接控制級（槽控機(jī)）和過程監(jiān)控級。直接控制級設(shè)在電解車間，主體控制裝備是每槽配備一臺槽控機(jī)（又被稱為下位機(jī)）。過程控制級設(shè)在計(jì)算站，它的主要監(jiān)控設(shè)備是一臺計(jì)算機(jī)（一般采用工控微機(jī)），又被稱為上位機(jī)。一條通信線（包括必要的通信器件）可以將直接控制級中的所有槽控機(jī)與過程監(jiān)控級中的監(jiān)控微機(jī)連接在一起，構(gòu)成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。1號槽控機(jī) 監(jiān)控機(jī) 通信線1號電解槽2號槽控機(jī)2號電解槽n號槽控機(jī)n號電解槽計(jì)算站電解車間整流車間電流信號傳輸線圖1-1 兩級分布式鋁電解控制系統(tǒng)的一般配置形式上述這種只有

18、一臺監(jiān)控微機(jī)作上位機(jī)的簡單結(jié)構(gòu)適應(yīng)于電解槽數(shù)量較少的情形。如果電解槽數(shù)量較多，一般將電解槽按所在地域分區(qū)（例如，若一個(gè)電解系列中有200臺電解槽分布在兩棟廠房中，則可以按四個(gè)分區(qū)），給每個(gè)區(qū)配備一套如上所述的控制系統(tǒng)。各區(qū)的監(jiān)控微機(jī)（即區(qū)域監(jiān)控微機(jī)）都安裝在計(jì)算站，通過局域網(wǎng)將區(qū)域監(jiān)控微機(jī)聯(lián)接在一起，便使整個(gè)生產(chǎn)系列的控制系統(tǒng)成為一個(gè)整體。1.2.2一種兩級網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)的基本配置大型鋁電解企業(yè)的鋁電解控制系統(tǒng)可采用由直接控制級與過程監(jiān)控級兩級構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖1-2是我們于90年代后期推出的一種網(wǎng)絡(luò)型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本配置圖。該系統(tǒng)的過程監(jiān)控級“融入”到了企業(yè)的全廠綜合自動化與信息化網(wǎng)絡(luò)中

19、，該級中的的工控機(jī)及服務(wù)器通過交換機(jī)組成以太網(wǎng)（Ethernet），在網(wǎng)絡(luò)下并行工作，通過以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？紤]到過程監(jiān)控級使用的以太網(wǎng)通信方式難以滿足電解車間惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定可靠通信要求，在直接控制級中采用現(xiàn)場總線（CAN總線）構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)現(xiàn)直接控制級的CAN總線網(wǎng)絡(luò)與過程監(jiān)控級的以太網(wǎng)絡(luò)的無縫聯(lián)接，在直接控制級與過程監(jiān)控級之間安裝有若干臺CAN-Ethernet智能轉(zhuǎn)換器，它們可并行運(yùn)行，互為備用。也可以使用工控微機(jī)充當(dāng)CAN-Ethernet智能轉(zhuǎn)換器（接口機(jī)），接口機(jī)的擴(kuò)展插槽中插上CAN總線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)網(wǎng)卡，分別聯(lián)接上、下兩級。1# 槽控機(jī)CAN總線1#

20、槽n# 槽整流車間2# 槽系列電流信號2# 槽控機(jī)n# 槽控機(jī)1# 工作站服務(wù)器Ethernet（TCPIP）Ethernet/CAN轉(zhuǎn)換器m# 工作站交換機(jī)電解車間計(jì)算站圖1-2 網(wǎng)絡(luò)型鋁電解控制系統(tǒng)的一般配置形式1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)實(shí)例1.3.1 現(xiàn)代鋁電解工藝對控制功能的基本要求由于鋁電解過程復(fù)雜且重要參數(shù)難以在線檢測，所以鋁電解槽是一個(gè)非線性、多變量、大滯后且具有模型不確定性的復(fù)雜被控對象。生產(chǎn)實(shí)踐與理論研究表明，要獲得理想的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，關(guān)鍵是控制好鋁電解槽的幾個(gè)主要技術(shù)參數(shù)，使鋁電解槽能處于理想的物料平衡與熱平衡狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，從而使物理場穩(wěn)定，引起電流效率損失的二次反應(yīng)最大程度地

21、被抑制。為達(dá)到這一目標(biāo)，現(xiàn)代鋁電解工藝對控制系統(tǒng)提出了如下基本要求：（1）控制好鋁電解槽的物料平衡。由于氧化鋁的添加是引起物料平衡變化的主要因素，因此最重要的是控制好氧化鋁的添加速率（即下料速率），使氧化鋁濃度的變化能維持在預(yù)定的一個(gè)很窄的范圍內(nèi)，既要盡量避免沉淀的產(chǎn)生，又要盡量避免陽極效應(yīng)的發(fā)生。（2）控制好鋁電解槽的極距與熱平衡（包括分子比）。主要的目的是，以移動陽極作為調(diào)整極距和改變輸入電功率為手段，既要維持合適的極距，又要保持理想的熱平衡。同時(shí)通過氟化鋁添加控制，不僅保持電解質(zhì)成分的穩(wěn)定，而且為熱平衡的穩(wěn)定創(chuàng)造條件。（3）具備一定的異常槽況分析（病槽診斷）與輔助決策功能。由于至今鋁電解

22、槽上尚存在不能由計(jì)算機(jī)直接控制的操作工序和工藝參數(shù)，且存在一些檢測不到的干擾因素和變化因素，并由于控制誤差的積累，鋁電解槽的物料平衡，熱平衡，以及互有關(guān)聯(lián)的物理場會發(fā)生緩慢的變化。這些變化積累到一定的程度后會導(dǎo)致電解槽正常的動態(tài)平衡的崩潰，即電解槽成為病槽。因此計(jì)算機(jī)應(yīng)該具有利用各種可獲取的信息綜合解析電解槽的變化趨勢，并及時(shí)診斷病槽或盡早發(fā)現(xiàn)病槽形成趨勢的能力，以便能及時(shí)地調(diào)整有關(guān)控制參數(shù)或提出人工進(jìn)行維護(hù)性操作的建議?，F(xiàn)代鋁電解過程控制系統(tǒng)的功能就是以滿足上述要求為目標(biāo)來設(shè)計(jì)開發(fā)的，到目前，先進(jìn)控制系統(tǒng)的控制與管理功能逐步發(fā)展到包括下列幾個(gè)方面： 槽電阻解析與控制（包括：槽電阻異常分析、A

23、E預(yù)報(bào)、極距調(diào)節(jié)等）； 氧化鋁濃度控制（即下料控制）； 電解質(zhì)成分控制（即氟化鋁添加控制）； 人工操作工序的輔助管理與監(jiān)控； 槽況診斷（包括單槽及系列槽工況綜合分析）； 生產(chǎn)管理與輔助決策等。1.3.2 直接控制級（槽控機(jī)）的主要功能以上一節(jié)中介紹的“直接控制級-過程監(jiān)控級”兩級集散式（或網(wǎng)絡(luò)型）系統(tǒng)為例，直接控制級的主要功能包括： 數(shù)據(jù)采集：以14Hz的采樣速率，同步采集槽電壓及系列電流信號，并進(jìn)行槽電阻的計(jì)算、濾波等。 槽電阻解析及不穩(wěn)定（異常）槽況處理：實(shí)時(shí)地分析槽電阻的變化與波動，并據(jù)此對不穩(wěn)定及異常槽況（如電阻針振、電阻擺動、陽極效應(yīng)趨勢、陽極效應(yīng)發(fā)生、下料過程的電阻變化異常、極距調(diào)

24、節(jié)過程的電阻變化異常等）進(jìn)行預(yù)報(bào)、報(bào)警和自處理。 下料控制（即氧化鋁濃度控制）：基于對槽電阻和其他與物料平衡變化相關(guān)的因素的解析，判斷槽內(nèi)物料平衡（氧化鋁濃度）狀態(tài)，并據(jù)此調(diào)節(jié)下料器的下料間隔時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對下料速率的控制（即對氧化鋁濃度的控制）。 正常槽電阻控制（即極距與熱平衡控制）：基于對槽電阻、槽電阻波動和其他與極距或熱平衡相關(guān)的因素的解析，判斷電解槽的極距與熱平衡狀態(tài)，并據(jù)此進(jìn)行極距調(diào)節(jié)（即槽電阻調(diào)節(jié)），間接地實(shí)現(xiàn)對極距與熱平衡的控制。 AlF3添加控制：以上位機(jī)的AlF3添加控制程序給定（或直接由人工設(shè)定）的AlF3基準(zhǔn)添加速率作為控制基準(zhǔn)，結(jié)合自身對槽況及相關(guān)事件的判斷，調(diào)節(jié)氟化鋁下料

25、器的下料間隔時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對電解質(zhì)分子比的控制。 人工操作工序監(jiān)控：對換陽極、出鋁、抬母線等人工操作工序進(jìn)行監(jiān)控。 數(shù)據(jù)處理與存儲：為上位機(jī)監(jiān)控程序進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和記錄，并制作和儲存報(bào)表數(shù)據(jù)。 與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換：在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下通過通信接口與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。 故障報(bào)警與事故保護(hù)：診斷、記錄和顯示自身的運(yùn)行狀態(tài)和故障部位，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。1.3.3 過程監(jiān)控級（上位機(jī)體系）的主要功能對于一個(gè)由“直接控制級-過程監(jiān)控級”構(gòu)成的兩級分布式（或網(wǎng)絡(luò)型）系統(tǒng)為例，過程監(jiān)控級的主要功能包括： 槽工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示：以動態(tài)曲線與圖表形式，實(shí)時(shí)地顯示槽電壓、槽電阻、系列電流及其他各種動態(tài)參數(shù)與信息。 參數(shù)設(shè)定、

26、查看與修改：為用戶提供豐富的菜單，實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)（包括槽控機(jī)和上位機(jī)體系）中設(shè)定參數(shù)的設(shè)定、查看與修改。設(shè)定參數(shù)一般分為兩大類，即系列參數(shù)（全系列通用）和槽參數(shù)。 歷史數(shù)據(jù)（信息）查看與輸出：為用戶提供豐富的菜單及數(shù)據(jù)庫操作手段，以曲線和圖表等形式實(shí)現(xiàn)對電解槽各種歷史數(shù)據(jù)（信息）的查看與輸出（打印）。 報(bào)表制作與輸出：按照規(guī)定格式制作和輸出（打印）各種類型的報(bào)表，如解析記錄報(bào)、時(shí)報(bào)、班報(bào)、日報(bào)、月報(bào)、效應(yīng)報(bào)、槽狀態(tài)報(bào)、故障信息報(bào)等。 自動語音報(bào)警：配備有自動語音報(bào)警系統(tǒng)，向電解車間廣播重要提示信息，包括電解槽的異常信息（如AE發(fā)生、AE超時(shí)、電壓越限等）。 槽況分析：先進(jìn)的控制系統(tǒng)提供對各電解

27、槽及全系列變化趨勢進(jìn)行分析的功能。例如，基于對歷史數(shù)據(jù)的挖掘與分析，判斷單槽、或某個(gè)區(qū)、或全系列槽在某一時(shí)段的狀態(tài)（參數(shù)）變化趨勢，為生產(chǎn)過程優(yōu)化與控制優(yōu)化提供指導(dǎo)。 生產(chǎn)管理：與企業(yè)的局域網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各類信息的瀏覽、修改、上傳、下載、打印，滿足企業(yè)實(shí)現(xiàn)綜合自動化與信息化的要求。1.4 核心控制裝置槽控機(jī)簡介槽控機(jī)是鋁電解控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵控制裝備。目前我國的槽控機(jī)主要有單CPU型和多CPU網(wǎng)絡(luò)型兩種類型。過去在自焙鋁電解槽上還曾經(jīng)使用過可編程序控制器（PLC）型。1.4.1 可編程序控制器（PLC）型PLC是一種可廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)過程控制的通用設(shè)備。與專用型的單板機(jī)相比，它的顯著優(yōu)點(diǎn)是：硬件

28、可靠；輸入/輸出能力強(qiáng)；具有模塊化積木式結(jié)構(gòu)，因此組態(tài)靈活，通用性與可擴(kuò)性強(qiáng)；不需另設(shè)接口電路，且編程容易掌握，故開發(fā)周期短。但其缺點(diǎn)是，價(jià)格可接受的中、低檔PLC運(yùn)算能力差，不能對復(fù)雜被控對象進(jìn)行分析，因此一般只適合于作開關(guān)量的控制。1.4.2 單CPU型早期的槽控機(jī)多采用一片Z80CPU和復(fù)雜外圍電路構(gòu)成。由于電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是CPU的升級換代速度加快，所以現(xiàn)在一些槽控機(jī)廠家將386CPU配置在槽控機(jī)上替代原有Z80CPU，滿足應(yīng)用軟件升級的要求，但其硬件結(jié)構(gòu)并沒有實(shí)質(zhì)性的改變。硬件結(jié)構(gòu)采用插板式，將信號輸入輸出部分、槽電壓與系列電流轉(zhuǎn)換部分等做成插板，內(nèi)部信號傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)總線（S

29、TD總線），外部信號采用計(jì)算機(jī)常用的扁帶進(jìn)行轉(zhuǎn)接，與上位機(jī)的通信過去多采用RS-485/BitBus（位總線）方式，后來也逐步改用CAN總線等現(xiàn)場總線。這種槽控機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算速度快，有DOS系統(tǒng)支持，編程方式相對簡單；但其缺點(diǎn)不容忽視： 核心器件較落后：由于采用的是已被淘汰的386CPU產(chǎn)品，勢必失去器件廠家的未來技術(shù)支持，且會影響后期的產(chǎn)品供貨。 生產(chǎn)成本及后期維護(hù)成本均較高：386CPU采用表貼安裝方式，管腳密集不易焊接，要采用波峰焊等設(shè)備；同時(shí)，由于386CPU與外圍電路的連接復(fù)雜，各信號間的邏輯關(guān)系也很復(fù)雜，現(xiàn)場測試比較困難，對維護(hù)水平要求高且維護(hù)難度大；因?yàn)楣苣_密集不易焊接，所以出現(xiàn)

30、故障以后只能整板更換，備件購置費(fèi)用和系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用高。 對運(yùn)行環(huán)境要求較高：386CPU是為計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的，其對運(yùn)行環(huán)境要求比較高，粉塵和高磁場對其運(yùn)行可靠性有重大影響。 故障率較高：槽控機(jī)的接頭插件在電解現(xiàn)場強(qiáng)腐蝕高灰塵的環(huán)境中易氧化腐蝕，導(dǎo)致接觸不良、信號中斷和引發(fā)隨機(jī)性故障，整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性隨運(yùn)行時(shí)間延長而降低。 運(yùn)算能力沒有充分發(fā)揮：由于與之相配的外圍設(shè)備的運(yùn)行能力沒有提升，其運(yùn)算能力并沒有完全發(fā)揮。 不易于擴(kuò)展：鋁電解過程控制必然會隨著工藝技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生許多新的控制點(diǎn)，采用單CPU結(jié)構(gòu)后，對于每一個(gè)新的控制點(diǎn)都要重新設(shè)計(jì)槽控機(jī)硬件。為了解決上述單CPU型的插板式槽控機(jī)所存在的接插

31、件多，故障率高的問題，一些廠家推出了大板式槽控機(jī)。但“大板”故障風(fēng)險(xiǎn)集中，一旦“大板”中某一局部故障，則整塊板均需更換或修理，這可能還會導(dǎo)致工廠的備件購置費(fèi)用和系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用增高。1.4.3 多CPU網(wǎng)絡(luò)型90年代末期，我們開發(fā)了一種多CPU網(wǎng)絡(luò)型槽控機(jī)（全分布式槽控機(jī)），并迅速在我國鋁電解行業(yè)推廣應(yīng)用。從外觀來看，該種槽控機(jī)與單CPU型大板式槽控機(jī)類似，為壁掛式結(jié)構(gòu)，左、右機(jī)箱分別為動力箱、邏輯箱，這兩個(gè)箱體的外形尺寸相同（典型尺寸均為：寬400× 高550×厚200，見圖1-3）。但內(nèi)在的本質(zhì)區(qū)別是，摒棄了流行于80年代的STD總線技術(shù)，而采用采用先進(jìn)的現(xiàn)場總線（CAN

32、總線）技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將槽控機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為多CPU的智能分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。圖1-3 一種多CPU網(wǎng)絡(luò)型槽控機(jī)外形 CAN現(xiàn)場總線技術(shù)是一種多主總線技術(shù)，符合國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），通訊傳輸速率可達(dá)1Mbps，具有高可靠性和通訊的實(shí)時(shí)性，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)不受限制，易于功能的擴(kuò)展。我們按智能化、模塊化與網(wǎng)絡(luò)化的硬件設(shè)計(jì)原則來設(shè)計(jì)槽控機(jī)的邏輯單元。以YFC99型槽控機(jī)為例，將邏輯單元設(shè)計(jì)為3-CPU網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)含三個(gè)智能模塊：l 采樣模塊：完成槽電壓和系列電流的采樣，并進(jìn)行槽電阻計(jì)算，信號濾波等預(yù)處理。l 主模塊：對過程進(jìn)行解析；接收開關(guān)板的輸入信號；通過顯示面板的數(shù)碼管和指示燈輸

33、出運(yùn)行信息；實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備（上位機(jī)）的數(shù)據(jù)交換等。l 操作模塊：完成所有對動力單元的輸入輸出操作，如陽極升降、打殼、下料等動作信號的輸出以及執(zhí)行情況的檢測輸入。上述3個(gè)智能模塊均帶有自己的CPU，均能相對獨(dú)立地運(yùn)行和發(fā)揮自己的功能，彼此之間通過以雙絞線或雙芯電纜為通信介質(zhì)的CAN總線互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和協(xié)同工作，從而使整個(gè)槽控機(jī)的邏輯單元成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系。并且，該體系與外設(shè)的接口也采用CAN總線協(xié)議，以滿足構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)的要求。按上述設(shè)計(jì)方案所設(shè)計(jì)的槽控機(jī)的邏輯單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-4所示。可見，在整個(gè)槽控機(jī)中，電路板數(shù)量僅為5塊（3個(gè)智能模塊另加1個(gè)觸摸開關(guān)板和1個(gè)動力箱中的信號采集板）

34、。 主模塊 采樣模塊 操作模塊 槽電壓 系列電流 內(nèi)部CAN總線 動力單元 動作信號 手動信號 外部CAN總線（至上位機(jī)） 采集板 觸摸開關(guān) 圖1-4 YFC-99網(wǎng)絡(luò)型槽控機(jī)邏輯單元的基本構(gòu)成多CPU網(wǎng)絡(luò)型槽控機(jī)的主要特點(diǎn)是： 智能化程度高。多CPU網(wǎng)絡(luò)體系中的智能模塊能并行運(yùn)行、協(xié)同工作，因此綜合數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大（多個(gè)CPU的協(xié)同處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個(gè)CPU），能很好地滿足高度智能化控制的要求，避免了單CPU型槽控機(jī)單純依賴CPU的升級來提高數(shù)據(jù)處理能力的局限性。例如，使用16位或32位CPU芯片（如Intel80386等）來替代單片機(jī)芯片雖然可以解決數(shù)據(jù)處理能力的問題，但帶來了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高

35、溫下運(yùn)行穩(wěn)定性較差且維護(hù)困難等新問題。 結(jié)構(gòu)簡潔、集成度高、安全可靠、維護(hù)性好。智能模塊（電路板）采用類似的硬件結(jié)構(gòu)，其CPU均采用適于工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的單片機(jī)系列（如90C32系列CPU），并設(shè)計(jì)有可編程的電源監(jiān)視和WatchDog（防程序走飛）的器件；外圍接口電路采用高集成化器件（PSD），以簡化電路設(shè)計(jì)提高可靠性；高集成度器件與網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的采用使槽控機(jī)內(nèi)部連接線極少，降低了接插性故障，同時(shí)該方式使得故障分散，易于維護(hù)，維護(hù)費(fèi)用低，而且當(dāng)某一模塊的CPU工作故障時(shí)能被其它無故障的模塊檢出，從而自動采取保護(hù)措施。參考文獻(xiàn)1 R.A.Mohr. Light Metals 1982C. War

36、rendale, PA: USA, TMS, 1982: 479-4932 Y. Macaudiere. Recent Advances in Process Control of the Potline. Light Metals 1988C. Warrendale, PA: USA, TMS, 1988: 6076123 李劼，丁鳳其，鄒忠，劉紅專，葉紹龍，肖勁. 基于現(xiàn)場總線的全分布式鋁電解槽自動控制機(jī). 輕金屬. 2001（4）：32-364 丁鳳其，李劼，鄒忠，劉紅專，葉紹龍，肖勁. 基于CAN總線的全分布式控制器及其在鋁電解過程控制中的應(yīng)用. 自動化儀表. 2001,22（7）：4

37、2-435 劉業(yè)翔，陳湘濤，張文根，任麗，鄒忠，李劼，丁鳳其. 基于數(shù)據(jù)倉庫的鋁電解網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 輕金屬 2003, 299（9）：25-296 Bonny.P, Gerphagnon.J.L, Laboure.G, et al. US4431491. 1984.2.147 Moen T, Aalbu A, Borg P. Adaptive Control of Alumina reduction cells with point feeders. Light Metals 1985C. Warrendale, PA: USA, TMS, 1985: 458-4698 P.Bor

38、g, T.Moen, J.Aalbu. Adaptive Control of Alumina Reduction Cells with Point Feeders. Modeling, Identification and Control (MIC), 1986, 7(1):45-569 J.S.McKenna, F.K.Omani, T.Nyadziehe. An Adaptive Feed Strategy for a Center-Break Reduction Cell. JOM-Journal of the Minerals Metals & Materials Socie

39、ty, 1993,45(12):44-4710 李劼. 點(diǎn)時(shí)下料鋁電解槽計(jì)算機(jī)控制模型的研究. 中南工業(yè)大學(xué)博士論文，1993.511 Li Jie, Huang Yongzhong, Wang Huazhang, Liu Yexiang. An Estimation Model of Alumina Concentration for Point-Feeding Aluminium Reduction Cells. Light Metals 1994 C. Warrendale, PA: USA, TMS, 1994: 441-44712 Jie Li, Jin Xiao, Yexiang

40、Liu, Shengwen Shi, Feng Wang. Hierarchical Intelligent Control System for Aluminum Reduction Cells. Light Metals 1997 C. Warrendale, PA: USA, TMS, 1997: 463-46713 Li Jie，Xu Fucang，Xiao Jin，Wang Qianpu，Li Minjun，Liu Yexiang. An Intelligent Fuzzy Control System for Prebaked-Anode Aluminum Reduction Ce

41、lls. Proceedings of The International Conference on Artificial Intelligence for Engineering, Edited by Huang Xinhan et al. Wuhan, China: HUST Press, 1998.6: 476-47914 李劼，王前普，肖勁，張?zhí)┥剑瓮?，劉鋼，丁鳳其，邊友康，吳智明等. 鋁電解槽智能模糊控制系統(tǒng). 中國有色金屬學(xué)報(bào)，1998，8(3)：557-56215 李劼，肖勁，張?zhí)┥?，劉業(yè)翔，丁鳳其，吳智明，邊友康. 鋁電解槽點(diǎn)式下料的專家模糊控制方法. 中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).

42、1998,29(1)：32-3516 李劼，丁鳳其，鄒忠，李民軍等. 鋁電解模糊專家控制器的開發(fā)與應(yīng)用 有色金屬. 2000，52（4）：558-56117 李劼, 張文根, 丁鳳其等. 基于在線智能辨識的模糊專家控制方法及其應(yīng)用 J. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）. 2004, 35(6): 911-91418 A.Meghlaoui,R.T.Bui,J.Thibault,et al. Intelligent control of the feeding of aluminum electrolytic cells using neural networks. Metallurgical an

43、d Materials Transactions B, 1997,28B(4):215-22119 A.Meghlaoui, R.T.Bui, J.Thibault, et al. Predictive control of aluminum electrolytic cells using neural networks. Metallurgical and Materials Transactions B, 1998,29B(10):1007-101920 A.Meghlaoui, J.Thibault, R.T.Bui, et al. Neural networks for the id

44、entification of the aluminum electrolysis process. Computer & Chemical Engineer, 1998,22(10):1419-142821 Li Jie，Liu Yexiang，Huang Yongzhong，et al. Bath Temperature Model for Point-Feeding Aluminium Reduction Cells. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 1994,4(1)：26-3222 李劼，李民軍，肖勁等.

45、 鋁電解槽槽電阻的智能控制方法研究. 中國科協(xié)第三屆青年學(xué)術(shù)年會論文集“信息科學(xué)與微電子技術(shù)”，北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，1998.8：495-49723 李民軍. 大型預(yù)焙鋁電解槽模糊專家控制器及新穎熱平衡控制模型的研究. 中南大學(xué)博士論文，1999.1224 F.Frost, V.Karri. Intelligent Control of Aluminium Reduction Cells Using Backpropagation Neural Networks. In: M. Mohammadian, eds. International Conference on Advances

46、in Intelligent Systems: Theory and Applications(AISTA2000). Canberra, ACT, Australia: IOS Press, 2000. 34-3925 F.Frost, V.Karri. Identifying Significant Parameters for Hall-Heroult Process Modelling using General Regression Neural Network. In: R. Loganantharaj, G. Palm, M. Ali, eds. Thirteenth Inter

47、national Conference on Industrial and Engineering Applications of Artificial Intelligence and Expert Systems(IEA/AIE2000). New Orleans, Louisiana, USA: Springer, 2000. 73-7826 D.J.Salt. “Bath Chemisty Control System”. Light Metals 1990C, Warrendale, PA: TMS, 1990: 299-304.27 M.Barber. “The Optimizat

48、ion and Control of Bath Chemistry”. Proceedings of the International Symposium on Qality and Process Control in the Reduction and Casting of Aluminum and Other Light Metals, New York: Pergmon Press, 1987: 51-58.28 J.M.Peyneau. “The Automated Control of Bath Composition on High Amperage Cells”. Proce

49、edings of the International Symposium on Reduction and Casting of Aluminum, New York: Pergmon Press, 1988: 189-195.29 D.J.Madsen, “Temperature Measurement and Control in Reduction Cells”, Light Metals 1992C, Warrendale, PA:TMS, 1992: 453-456.30 J.J.del Campo and J.P.Sancho. “Low Bath Ratio Operation in Side Breaking V.S.S. Pots”. Aluminium, 1994, 70(9-10): 587-589.31 P.Desclaux. “AlF3 Additions Based on Bath Temperature Measurements”. Light Metals 1987C, Wa