基于数据驱动的电解槽优化控制研究
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摘要:针对电解槽运行工况复杂,仅靠槽控机进行控制难以更大程度提高电解槽运行效益的现状,本文通过挖掘电解铝监控系统中的信息,赋予电解槽槽况、工况新的物理含义.根据槽况、工况对槽控机的控制参数NB来设定电压,从而进行优化控制. 在贵铝160kA电解槽上进行了实验.实验结果表明,该方法不仅可以降低电解铝的能耗,而且可以改善电解槽的槽况。
Abstract: In allusion to the complexity of electrolytic bath running , it is impossible to improve the running benefit of electrolytic bath more only by managing cell control machine. By mining the information from electrolytic aluminium monitoring system , this paper gives newphysical meanings to the status of reduction cell. Then it conducts optimize control to NB by setting voltage of cell control machine according to the status of reduction cell . It experimented on 160KA cells of China Aluminum Guizhou branch. The result indicates that the method can not only reduce energy consumption of aluminum electrolytic , but also improve the status of reduction cell.
关键词:铝电解槽;数据挖掘;优化控制;在线检测
Key words: aluminum reduction cell;data mining;optimized control;online measuring
中图分类号:TP274+.2 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)10-0073-02
0引言
铝电解工业作为我国支柱产业,是一种典型的流程工业、高耗能产业,随着市场竞争加剧和能源供应日益紧张,降低电解铝的电耗已成为全国各电解铝厂降低出铝成本、增加经济效益的有效途径,文献[1]中介绍了中国电解铝行业电力消耗情况及吨铝电耗的分布状况,并总结了影响中国电解铝能源消耗高低的因素,文献[2-3]中介绍了试验测试的槽电阻与氧化铝浓度的关系曲线和测试方法,并研究了对该关系曲线的重要影响因素,文献[4]中通过工艺试验研究,解决了槽表观电阻与氧化铝浓度特征曲线随时间漂移下的控制问题,文献[5]中指出优化电解槽母线和内衬设计,降低电解槽各部位电压降,合理控制电解温度 等是节能降耗的有效途径。
电解槽的控制由槽控机完成,由于槽控机的控制对实时性要求较高,且槽控机不太可能去处理大量数据,故槽控机不论采用何种控制算法,基本都是据最近两个小时内所采集的电压、电流数据进行处理和推理。只根据电解槽的实时数据,显然是无法判断出比较准确的槽状态和其变化原因.从控制角度分析,电解槽控制存在可以继续完善的地方。
1电解槽优化控制的总体框架
由于电解槽监控系统中已经存储了大量的数据,而槽控机没有充分的时间对电解槽的槽况、工况等进行准确的判断,因此可以充分利用电解槽槽控机所采集的历史数据和实时数据,从中分析挖掘出电解槽的槽况、工况判断指标,实现对各个电解槽槽况和工况的准确判断。本研究设计的电解槽优化控制系统的总体结构如图1。
在推理机上设计电解槽优化控制推理软件.该软件可以实现对电解槽槽况、工况、氧化铝浓度的判断,并根据电解槽的槽况、工况、氧化铝浓度实时推理出电解槽的控制策略。
2电解槽状态判断
2.1 槽况的判断电解槽的槽况代表电解槽具有的电解能力,本研究将槽况分为健康、基本健康、亚健康、临界健康、轻微病态、中度病态、严重病态七种状态.电解槽槽况可通过分析电解槽最近一段较长时间内的槽电压波动值和工况情况来确定.本研究通过多次验证,确定了以下计算指标:
2.1.1 电压摆动平均值电压摆动值=│本次采样值- 上一次采样值│,当电压摆动值大于30mV,则累加该值,摆动次数加1,直到该时间段内所有采集点全部处理完,计算其平均值,即可得到电压摆动平均值。
2.1.2 电压摆动平均值=电压摆动平均值×摆动点数,表示电压的稳定性。
2.1.3 投入电量=10天内(加料次数/((电压设定值-炉底电压)×(电压采样值-炉底电压))的平均值)。通过现场实验和工艺专家的评判,该算法对电解槽槽况判断的准确性达到了92%以上。
2.2 工况的判断电解槽工况表征为电解槽当前电解能力与输入能量的匹配关系的指标,该指标独立于槽况,现将工况分为非常正常、正常、基本正常、临界正常、轻微恶化、中度恶化、严重恶化七种状态,电解槽的工况可通过波形来判断,经过反复不断地探索,本研究提出了根据一段时间内,整个波形的升降情况、波形的波动幅度、波形突变的情况进行工况判断的算法,具体步骤如下:①波形的升降情况,表面一段时间内波形上升的幅度和下降的幅度;②波形的波动幅度,表面一段时间内波形振动的幅度;③波形突变的情况,表面波形幅值发生较大变化的次数与弊变化值;④波形波动值=上升斜率平均×上升区数/(总区数)-下降斜率平均×下降区数/ (总区数);⑤波形波动幅度=(上升平均值+下降平均值)/2;⑥波形突变值=平均偏差×发生偏差的点数
通过现场实验和工艺专家的评判,该算法对电解槽工况判断的准确性达到了95%以上。
2.3 氧化铝浓度的判断电解槽属于非线性、时变、大滞后系统,一般采用的槽电阻跟踪法常会出现对氧化铝浓度跟踪丢失的问题.为此,本研究提出了氧化铝浓度判断的新思想:根据瞬时电压历史数据绘制出曲线,从当前时刻向前寻找10个波峰,计算该波峰段累计斜率乘以对应的加权NB,最后筛选出最大值的点作为浓度最低点;再从那个时刻根据规则推理到当前,得出当前浓度。当判定出浓度最低的初始点以后,每隔10分钟,计算该段时间内槽电压的变化率乘以对应NB的加权平均,最后得出一个N值,直接参与推理。若10分钟有升降阳极的动作,则需要去掉动极前一分钟和动极后两分钟内的数据。氧化铝浓度判定算子为:boolflag=false;//初始化
① 从当前点Now 向前搜索5天内报告浓度过低(CMD=30)的点 Pk(1
② 扫描每一个Pk前后7分钟的范围(LS_TIME BETWEEN 'DZ_TIME-7' AND 'DZ_TIME+7'),得到每一个Pk在此范围内的瞬时电压的最大值点对应的时刻TV。在TV前后十分钟的范围内(TV-10到TV+10),检查是否存在cmd=3,4,5,6,15,16,18,19,20,
21,22,23,24,25,26槽动作,不存在这些槽动作的点TV形成一个新的点集M(k)(1
③ 扫描这个新的点集M(k)。For(k=1;k
{ 向前取10分钟 T1=T-10
向后也取10分钟 T2=T+10
扫描从T1时刻到T
计算每13个点的累计斜率Ki(1
设第十三个点的电压对应的加料间隔为NB(i)
Y1=Abs(sum(K1*NB1+K2*NB2+K2*NB3+….+Kn*NBn)).
扫描T2(方向:从T时刻到T2)
计算每13个点的累计斜率Ki (1
设第十三个点的电压对应的加料间隔为NBi
Y2=Abs((sum(K1*NB1+ K2*NB2+K2*NB3+….+Kn*NBn)).
Z(j)=Y1+Y2 (1
④比较Z1,Z2, Z3,……Zn(n=10),找出他们的最大值Zk
If(Zk>4000)
{ Then 计算 系数K =Zk/10
st=M(k).TV//得到计算的起点时刻,也就是设定在Zk处浓度最低(初始状态10),然后根据规则向后推理。
flag=true;}
if(flag==false)Then
{没有找到初态点 继续向前搜索5天低浓度点转第一步}
根据以上算法可实现对当前时刻氧化铝浓度的准确判定.氧化铝的浓度不会突变,据氧化铝浓度的初始状态和氧化铝的浓度变化的速度可以推算出任何时间段的氧化铝浓度。通过现场实验和实际测量,该算法对电解槽氧化铝浓度判断的准确性达到了95%以上。
3电解槽优化控制策略
槽控机的电压设定值、加料间隔时间(NB)与电解槽的槽况和工况均有关系,电解槽的槽况决定电解槽加料间隔的时间和最佳的浓度控制范围,电解槽的工况决定电解槽设定电压的控制范围。在浓度增大趋势中:若浓度增大速度过快,则提高设定电压,若浓度增大速度过慢则降低设定电压;在浓度减小趋势中:若浓度减小速度过快,则降低设定电压,若浓度减小速度过慢则提高设定电压;因此,根据浓度对槽控机的控制方法为:①氧化铝浓度为高欠料区时:设置浓度增大方向,间隔时间NB缩小;②氧化铝浓度为中欠料区且浓度方向为增大方向时:设置浓度朝增大方向;③氧化铝浓度为低欠料区且浓度方向为增大方向时:设置浓度朝增大方向;④氧化铝浓度为高正常料区且浓度方向为增大方向时:设置浓度朝增大方向;⑤氧化铝浓度为中正常料区且浓度方向为增大方向时:设置浓度朝增大方向;⑥氧化铝浓度为低正常料区且浓度方向为增大方向时:设置浓度朝增大方向;⑦氧化铝浓度为低过料区且浓度方向为增大方向时:设置浓度朝增大方向;⑧氧化铝浓度为中过料区且浓度方向为增大方向时:设置浓度朝增大方向;⑨氧化铝浓度为高过料区,设置浓度方向为减小方向时:设置浓度朝减小方向,NB加大,有提高电压的可能;⑩氧化铝浓度为右区,设置浓度方向为减小方向时:设置浓度朝减小方向,NB加大;{11}氧化铝浓度为中过料区且浓度方向为减小方向时:设置浓度朝减小方向;{12}氧化铝浓度为低过料区且浓度方向为减小方向时:设置浓度朝减小方向;{13}氧化铝浓度为低正常料区且浓度方向为减小方向时:设置浓度朝减小方向;{14}氧化铝浓度为中正常料区且浓度方向为减小方向时:设置浓度朝减小方向;{15})氧化铝浓度为高正常料区且浓度方向为减小方向时:设置浓度朝减小方向;{16}氧化铝浓度为低欠料区且浓度方向为减小方向时:设置浓度朝减小方向;{17}氧化铝浓度为中欠料区且浓度方向为减小方向时:设置浓度朝减小方向;基于以上控制方法,本研究建立了一套具有自适应能力的电解槽状态的评价体系和电解槽状态的智能诊断体系,如图2所示,该体系可根据电解槽状态的历史数据和当前数据准确判断电解槽的当前状态和建议采取的控制策略。
4结语
本研究通过对电解槽状态及运行参数的分析,
提出基于数据驱动的电解槽优化控制方法,建立了一套适合各个电解铝企业电解槽槽况的评价体系和电解槽运行工况的智能诊断体系,构实现了电解槽运行工况的可引导性和可控性,达到了铝电解节能降耗和延长电解槽寿命的目的.
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