基于知识驱动的电解槽优化控制--《重庆大学》2011年硕士论文
基于知识驱动的电解槽优化控制
【摘要】：随着国民经济迅猛发展,人们对铝的需求越来越大,同时由于原材料、能源的日趋紧张,国家提倡低碳高效的政策,因此如何提高铝电解效率,延长电解槽使用周期,节约能源成了铝电解行业工艺技术研究的方向。
本文针对目前铝电解行业的生产控制状况,以中国铝业贵州分公司电解车间160KA预焙槽控制系统技术改造为背景,提出了基于知识驱动的电解槽优化控制方案并从三个方面进行设计。针对铝电解生产工艺过程复杂和技术参数难以全面检测的问题,论文以历史数据和实时数据为基础,描述了知识获取、知识表达以及知识管理等关键技术,利用先进的知识驱动方法来解决复杂数据模型的建立。对原始数据进行了SOM聚类分析并利用遗传优化的BP神经网络对分类后数据进行训练,建立电解槽槽况识别模型;针对电解槽中氧化铝浓度难以准确跟踪控制的问题,论文利用模糊解耦的方式,对槽电压数据进行数值处理得到新数据样本,结合专家知识建立氧化铝浓度检测模型。利用最小二乘递推方法辨识了电解槽特征控制模型;针对电解槽的两个控制参数下料间隔(NB)和给定槽电阻值是相互影响的,控制系统采用仿人智能控制与模糊逻辑控制相结合的算法,根据上述两个模型推理得到的槽况以及氧化铝浓度制定控制策略,在特征控制模型基础上改变设定槽电阻值以及氧化铝下料间隔,使得电解槽控制更快速、更精确、更高效。根据具体的算法应用MATLAB对所设计的控制系统进行仿真,结果表明基于知识驱动的优化控制优于传统控制算法,仿人控制结合模糊控制使整个电解槽控制系统具有良好的鲁棒性,控制效果明显优于传统的控制模式,从而可以使阳极效应次数减少,电流效率提高,保持电解槽物料平衡和能量平衡,实现节能降耗,延长生命周期的目的。
基于知识驱动的优化控制系统已成功应用于中国铝业贵州分公司电解铝车间,经过长期的生产运行和专家的分析,优化效果明显。电解槽槽况识别和氧化铝浓度判断的准确性达到了90%以上。控制过程快速精确,实现了吨铝节电160度以上。
【关键词】：
【学位授予单位】：重庆大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2011【分类号】：TF821【目录】：
摘要3-4ABSTRACT4-81 绪论8-12 1.1 研究背景与意义8-9 1.2 国内外现状9-10 1.3 本文主要研究内容与创新10-12
1.3.1 本文主要研究内容10-11
1.3.2 本文创新处11-122 电解铝工艺机理的分析12-18 2.1 铝电解基本原理12-13 2.2 铝电解工艺主要技术参数13-14 2.3 槽电阻控制14-15 2.4 氧化铝浓度控制15-17 2.5 本章小结17-183 基于知识驱动的电解槽优化控制系统总体方案18-28 3.1 电解槽传统控制系统分析18-19 3.2 电解槽优化控制系统的需求分析19-22 3.3 铝电解优化控制系统总体解决方案22-27
3.3.1 铝电解槽工艺条件优化分析22-24
3.3.2 知识驱动技术分析24-25
3.3.3 电解槽优化控制系统的总体解决方案设计25-27 3.4 小结27-284 基于知识驱动的电解槽状态识别与浓度测量系统设计28-52 4.1 电解槽运行状态识别的分析28-30 4.2 基于知识驱动的电解槽状态智能识别系统设计30-43
4.2.1 基于知识驱动的电解槽状态智能识别总体思路30-31
4.2.2 基于知识驱动的电解槽状态智能识别参数选择31-33
4.2.3 基于SOM 聚类分析的遗传BP 神经网络算法33-37
4.2.4 基于SOM 聚类分析的遗传BP 神经网络的模型37-40
4.2.5 电解槽运行状态识别仿真结果分析40-43 4.3 氧化铝浓度测量系统设计43-51
4.3.1 氧化铝浓度新型检测算法45-48
4.3.2 氧化铝浓度测量结果分析48-51 4.4 小结51-525 铝电解槽智能优化控制系统设计52-74 5.1 基于知识驱动的电解槽智能控制设计53-72
5.1.1 铝电解槽特征控制模型53-58
5.1.2 智能控制策略58-59
5.1.3 基于槽况与浓度的下料间隔推理算法设计59-63
5.1.4 基于仿人智能的辅助下料间隔推理算法设计63-70
5.1.5 基于知识驱动的模糊控制器算法设计70-72 5.2 基于知识驱动的优化控制仿真与现场应用72-73 5.3 本章小结73-746 系统实现与效果分析74-82 6.1 网络系统构成74 6.2 硬件系统构成74-75 6.3 软件系统构成75-80
6.3.1 数据库和数据仓库设计75-77
6.3.2 程序功能模块77-80 6.4 系统应用效果分析80-81 6.5 本章小结81-827 结论与展望82-84 7.1 全文总结82 7.2 展望82-84致谢84-86参考文献86-90附录90 A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录90 B. 作者在攻读学位期间参与完成的科研项目及获奖情况90
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技术支持：北京安泰科信息开发有限公司 电话:010-8件；熟的清洁生产工艺运用可控气氛、真空热处理、离子热；淬火成套技术电效率比电子管式电源由50％提高到8；或其他异形材料制作，以增大挂具与导电棒的接触面，；镀层具有良好的防护性，且可减少氢脆和镉脆；
件。具有节省投资、质量好、产品成本低、减少噪音的特点。第三节、热处理工艺的节能减排3.1 热处理工艺的节能途径与方法3.1.1 改革热处理炉(1)合理选用能源从能源利用角度考虑,采用燃料炉将有更高的能源有效利用率。日本加热炉采用电能的仅占1/5，其余大部分采用燃科(重油和液化丙烷气等)。由于其控温技术良好，并采用了空气预热、控制空气过剩系数和多种节能措施，故既保证了热处理件的质量，也使炉子的能源利用率提高到60％。因此，在有条件的地方，特别是对大型工件的热处理，应大力发展燃料炉。(2)箱式、井式电阻炉的改造将井式电阻丝改成电阻炉，并涂上红外涂料，既加强辐射传热，又保护电阻带；炉壁用轻质保温砖砌成，并用陶瓷纤维毡，反射热量，以防止热量散失。改造前井式电阻炉的效率只有25％，改造后可达到40-50％。(3)盐浴炉的改造①减少辐射热损失和散热损失增加保温炉盖，可使盐浴炉节电12-30％，经测试，在熔盐表面撒一层3-5mm的石墨粉及采用保温炉盖后，可节电37％；采用活动炉膛使盐浴炉的维修简便(创造一套备用活动炉膛进行更换)，并防止了炉膛漏盐，减少了盐浴炉的蓄热、散热损失，可节电20-30％。②减少电极的损耗应减少电极与铜接触的电耗和减少电极的电耗。广州一厂采用水内冷双金属电极后，平均节电28％。(4)改革感应热处理设备①经试验，改造一台GP-60(60kW)高频设备可年节电近4万kWh；使用改造的中频变压器，变压器效率提高6％，每小时节电4kWh。(5)更新热处理设备选用新的高效节能新设备代替陈旧落后的旧设备，这样也可以达到节能减排的目的。3.1.2 改革热处理生产工艺，推广节能的热处理新工艺、新技术(1)加热淬火装置利用工件自身的电阻直接通电加热，是目前一种节能的方法，并已用于工件的淬火加热。自身加热淬火，用于长杆、轴类等定型产品的批量生产中，并通过实践确定其最适宜的工艺参数。(2)缩短加热时间实践证明,通过①选择合理的加热系数②应用快速加热等方法来缩短加热的时间,这样就能达到节能降耗的目的。(3)优化热处理工艺①优化渗碳工艺在满足使用要求条件下,尽量减少渗碳层厚度，可达到节能目的。②简化调质工艺国内在简化调质工艺上进行了很多研究，并用于实际生产，已取得了良好的节能效果。③应用感应热处理和局部热处理一般感应热处理较普遍热处理节能50-60％，而感应加热淬火的能耗仅为整体加热的1/7-1/8,其热效率高达75-80％。(4)推广运用热处理新技术3.2 热处理工艺的减排途径与方法3.2.1 积极运用已成熟
熟的清洁生产工艺运用可控气氛、真空热处理、离子热处理、激光热处理等清洁热处理工艺。真空热处理具有无氧化、无脱碳、脱气、脱脂、表面质量好、变形小等特点，综合性能优，无污染无公害，自动化程度高等一系列优点。目前，真空技术已进入退火、淬火、渗碳、渗氮，烧结，钎焊，渗金属，离子渗碳(氮)等领域。3.2.2 运用热处理清洗工艺及设备运用有机溶剂清洁工艺及设备、真空清洗工艺及设备，根据产品对象，采用不同清洗工艺，能取得较好的减排效果。3.2.3 采用水基淬火介质代替淬火油，减少油烟污染。水基淬火介质的特点是无名火、无油烟污染，同时避免老化油处理引起的环境污染，符合洁净热处理的总体要求，同时也能改善车间的环境。3.2.4 运用热处理油烟静电净化处理热处理车间的回火炉、油炉、淬火压床、淬火油槽等都产生大量的油烟，运用油烟静电净化机从源头将油烟收集净化，能极大的改善生产环境。3.3 推广的新工艺、新技术3.3.1 真空加热油冷淬火、常压和高压气冷淬火技术在冷壁式炉中实施钢件的真空加热、油中淬火和在1-20巴(bar)压力下的中性或惰性气体中的冷却，可使工模具、飞机零件获得无氧化、无脱碳的光亮表面，明显减少零件热处理畸变，数倍延长其使用寿命。真空热处理技术的普及程度是当前热处理技术是否先进的主要标志，而气冷淬火更是先进的清洁生产技术。微型轴承用真空热处理取代盐浴和氨分解保护加热淬火，可节电约62％，劳动生产率提高100％，人工减少40％，成本降低75％，零件畸变减少1/2－2/3，使用寿命增长一倍以上，消除环境污染。自攻螺丝搓丝板用真空淬火代替盐浴，完全杜绝废盐、废水排放，工件表面光亮，畸变减少5/6，使用寿命提高2-3倍，人工费减少50％。3.3.2 低压渗碳和低压离子渗碳气冷淬火技术低压渗碳和低压离子渗碳虽一次投资比气体渗碳高20-60％，但由于生产过程中水电消耗少，节省清洗工序，生产成本降低5％，零件质量好，能延长寿命至少30％，设备投资3-5年即可收回，而设备寿命一般在20年以上。由于低压用气量很少，又可以省略清洗工序，无废气，环境效益明显。3.3.3 真空清洗干燥技术用加热的水系清洗液、清水、防锈液在负压下对零件施行喷淋、浸泡、搅动清洗，随后冲洗、防锈和干燥。在负压下，清洗液的沸点比常压低，容易冲洗干净和干燥。此方法可代替碱液和用氟氯烷溶剂清洗，能实行废液的无处理排放，不使用破坏大气臭氧层物质。真空清洗干净，工件表面残留物少，对环境没有污染。3.3.4 机电一体化晶体管感应加热
淬火成套技术电效率比电子管式电源由50％提高到80％。由于加热快，用水基介质冷却，完全无污染。第四节、其他机械工业的节能减排4.1 金属切削加工工艺的节能减排4.1.1 金属切削加工工艺的节能途径及方向(1)加大切削用量
据试验，将机床的切削用量提高30％，生产效率可提高30％，能耗降低16％。(2)改造、更新陈旧设备对陈旧设备应进行分期分批改选和更新，如对旧设备改装数控、数显装置，以提高其工作效率；加大设备的负荷率，由一班制改为两班制或三班制，使其适当“超载”，以缩短其使用年限，尽快进行设备的更新，并更多地采用高效的先进设备。为了使机床在低负荷时有更高的效率，可在机床上加装功率因数控制器和节电器；或应用变速电机，一般可节电40％。(3)改进生产工艺，推广各种切削加工新工艺①采用减少切削加工的毛坯进行切削加工。加用精铸、模段、冷挤压、冷精轧等各种工艺的毛坯，将大大减少金属切削的加工余量。这不仅节约了原材料，也减少了切削加工的能耗。②减少金属切削机体的空转，提高生产效率。③推广应用各种先进切削方法。如强力切削、多刀多刃切削、组合夹具、组合刀具、不重磨刀具和振动切削及各种先进的加工方法，以提高机床的生产效率，提高设备的负荷率。④采用先进高效机床，如多功能组合机床，数控机床等，以提高效率。4.1.2 金属切削加工工艺的减排途径及方向(1)采用干切削加工技术：干切削就是在加工过程中不用任何切削液的工艺方法。它具有形成的切削干净、清洁、无污染，易于回收和处理、不污染环境等一系列优点。(2)采用准干切削(微量润滑技术)。(3)采用绿色切削液。4.2 表面处理工艺的节能减排4.2.1 表面处理的节能途径及方向表面处理包括电镀、涂装、防锈等多种表面保护工艺，它在机械工业中也耗用大量的电、蒸汽和压缩空气等能源，其节能也是值得注意的。(1)直流电流的节约①合理选择、使用整流器以硅整流器代替直流发电机组，可使电效率提高85-95％；同时选择适合的整流器，应每槽一台整流器，并使其额定电流接近电镀槽的工作电流，以减少其空耗损耗。②改进挂具采用绝缘涂料使挂具不导电部分封闭保护，不通过电流；选用合适的挂具材料，以防止其阳极氧化或溶解，也可在基体上涂覆导电材料，以增加其导电性。③减少直流电传输线路的损耗整流器应尽量接近电解槽，以竖放铜排进行传输；减少铜排连接处的接触电阻，连接处用焊接取代压接应铆接；改进导电装置，导电棒采用空心矩形、三角形
或其他异形材料制作，以增大挂具与导电棒的接触面，从而减少接触电阻。④合理选择镀液不同镀液在电解槽内有不同的电压差，其电镀功率消耗不同。酸性镀液电位低，电流效率高，耗电少，但其镀深能力和分解能力差；碱性镀液电位高，电流效率低，耗电多，但镀深能力及分解能力好。要根据不同零件的形状、批量等要求，选择合适的渡液，以节约能源。 (2)抽风和清洗中的节能应采用单槽抽风，减少多槽的风管阻力；采用吹排相结合的抽风系统；改进槽体结构，设置槽盖，提高排风系统的密封性能，以减少抽风量。电镀中耗水较多，可采用一水多用、多层次的逆流漂洗、喷淋清洗和冷却水重复使用等措施，以节约水的消耗。(3)溶液加热的节能一般是用蒸汽对各种表面处理溶液加热。其节能方法主要是对槽体加强保温；用自动控制的直接加热代替间接加热，采用鳍片管或换热器提高换热效率；改进工艺，用低温处理、低温除油，用水基清洗剂代替过去的碱性陈油等。(4)烘干设备的节能采用直热式远红外元件，使远红外线辐射能对油漆膜进行烘烤，其干燥时间为红外灯干燥的1/2，为热风干燥的l/10，可节电50％以上。如汽车外壳的油漆干燥，采用远红外烘烤比金属板状加热器烘烤的时间缩短1/2，节电达50％。4.2.2 电镀工艺的减排途径和方向(1)采用低毒无毒电镀清洁工艺：如无氰电镀代替氰化物电镀工艺、取代六价铬电镀、无氟和无铅电镀；(2)改进镀件清洗方法，采用逆流清洁技术；(3)减少镀件附着液的带出量和槽液蒸发量；(4)采用替代电镀的清洁技术及开发电镀新工艺新技术。4.2.3 推广的技术(1)无毒气保护焊丝双线化学镀铜技术: 采用可靠的镀铜前脱脂除锈工艺，如砂洗、电解热碱洗、电解酸洗等，再采用优化的镀铜液，确保化学置换反应稳定可靠，最终使镀铜质量达到国家镀铜焊丝优等品标准。(2)氯化钾镀锌技术：氯化钾镀锌技术无氰无毒无铵，镀液中的氯化钾对锌虽有络合作用，但它主要是起导电作用，氯的存在有助于阳极溶解。其镀液稳定，电流效率高，沉积速度快，镀层结晶细微光亮，废水易于处理。槽液无氰无毒无铵，减少污染，废水处理费用低。(3)镀锌层低铬钝化技术：低铬钝化与高铬钝化的设备相同，但低铬钝化铬酸浓度低，因而铬的流失率低，可使清洗水中流失的铬减少80％，降低原料成本和处理费用，同时也减少污染。(4)镀锌镍合金技术：镀锌层在大陆性气候条件下防护性较好，但在海洋性气候中易被腐蚀。镉镀层在海洋性气候条件下，耐蚀性能好，但镉的毒性大，污染严重。锌镍合金
镀层具有良好的防护性，且可减少氢脆和镉脆。设备与氰化镀锌、氯化钾镀锌相同，投资相近。镀锌镍合金技术的生产成本较低，防护性能高，可焊性好，毒性降低，减少污染。(5)低铬酸镀硬铬技术：可利用原有设备，无需投资，原料利用率高，成本降低。低铬酸镀硬铬工艺产生的铬雾气体和铬件带出液中含铬量减少1/3以上，处理费用降低，有利于环境保护。4.3 焊接工艺的节能减排途径及方向4.3.1 焊接工艺的节能途径及方向(1)焊接方法的节能氩弧焊电弧在氩气流的压缩作用下，电弧热量集中，所以氩弧焊的热影响区要比手工电弧焊小，亦即用于熔化金属形成焊缝的热量比手工电弧焊的要多。因此，采用手工氩弧焊代替手工电弧焊，在节能方面能取到明显效果。(2)正确选择焊接工艺如电阻点焊时，应采用大电流密度、缩短通电时间的强规范，并采用直接通电的方式；而采用间接通电方式则电能消耗将增加15-30％，并引起电极端部的烧损。此外，还应注意选用焊接新材料和新工艺。如焊接不锈钢、高镍合金钢和铝钢材料时，应采用隋性气体的保护焊接，这样可节电约50％。(3)其他方面的节能途径①焊后热处理的热源 焊后的工件一般要进行热处理 ，而设备安装施工部门由于条件限制，常用交流电焊机作电源进行工件的工频感应加热。对于热处理工件的加热，不需要电源有陡降的外特性，因此，电焊机电抗器的存在只是消耗能量。所以在使用时最好进行改装，将感应线圈拆除后使用，可以节能。②焊接材料应改进碱性焊条的性能，使其适用于交流电焊机。如用改进的新热307酸性交直流两用焊条代替热347焊条即可用于交流电焊机，这样就能节能。4.3.2 焊接中减排的途径和方向(1) 使用高效的焊接方法。(2) 使用低尘低毒焊条。
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