СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ В АЛЮМИНИЕВОМ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЕ Российский патент 2003 года по МПК C25C3/20 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, и может быть использовано в автоматических системах управления технологическим процессом.

Известно, что концентрация глинозема в электролите является одним из важнейших параметров процесса электролиза. От концентрации глинозема в электролите зависят технико-экономические показатели процесса, такие как производительность электролизера и удельный расход электроэнергии. В настоящее время не существует надежных способов автоматического контроля концентрации глинозема в процессе электролиза. В промышленных условиях концентрация глинозема в электролите оценивается технологами приблизительно на основе информации об изменении текущего напряжения на электролизере. Загрузка глинозема в электролит осуществляется либо в результате периодических обработок электролизера напольной техникой, либо подачей в электролит небольших порций глинозема через механизмы автоматизированной подачи глинозема (АПГ). Последний метод является предпочтительным и более эффективным с экономической и экологической точек зрения.

Известен способ управления алюминиевыми электролизерами, включающий периодическую обработку корки электролита, измерение напряжения на электролизере и тока серии, расчет сопротивления электролита в междуполюсном пространстве, его среднего значения и концентрации глинозема в электролите по математической модели. Изменение скорости подачи глинозема в электролизер проводят в зависимости от отклонения расчетного значения концентрации от заданного значения (патент RU 2106435 С1, АО "ВАМИ", С 25 С 3/20, 10.03.1998) [1] .

Недостаток способа [1] состоит в том, что его невозможно использовать на современных электролизерах, оборудованных механизмами АПГ. Данный способ пригоден только для тех электролизеров, загрузка глинозема в которые осуществляется в результате периодических обработок корки электролита.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предложенному является способ управления технологическим процессом в алюминиевом электролизере. Способ включает измерение текущих значений напряжения и тока электролизера и вычисление по ним приведенного напряжения, скорости изменения последнего во времени и концентрации оксида алюминия в электролизере, сравнение текущих значений этих параметров с заданными значениями, поддержание приведенного напряжения электролизера в заданных пределах перемещением анода и регулированием количества загружаемого в электролизер глинозема путем чередования режимов избыточного и недостаточного питания (патент RU 2113552 С1, ОАО "Братский алюминиевый завод", С 25 С 3/20, 20.06.1998) [2] (ближайший аналог).

Способ управления [2] основан на известной зависимости между напряжением электролизера U_эл и концентрацией глинозема в электролите С_гл. При неизменности остальных параметров электролиза любое изменение напряжения будет обусловлено только изменением концентрации глинозема в электролите и, следовательно, по скорости изменения напряжения dU_эл/dt можно приблизительно определить С_гл.

Недостаток данного способа состоит в том, что зависимость U_эл=f(C_гл) имеет нелинейный характер с минимумом в диапазоне С_гл=3,5-4,5%. Таким образом, в диапазоне высоких концентраций глинозема (больше 4%) рост напряжения электролизера будет свидетельствовать о повышении С_гл, а в диапазоне низких концентраций глинозема (меньше 4%) будет свидетельствовать о снижении С_гл и приближении анодного эффекта. В промышленной практике диапазон низких концентраций обычно называют "левая ветвь концентрационной кривой", а диапазон высоких концентраций - "правая ветвь концентрационной кривой".

Производственный опыт показывает, что использование данного способа не всегда дает положительный результат. Для правильного управления технологическим процессом необходимо сначала определить знак ветви концентрационной кривой, на которой в данный момент работает электролизер. Если же ветвь будет определена неверно, то эффект от управляющего воздействия (регулирования количества загружаемого в электролизер глинозема) будет прямо противоположен ожидаемому результату.

Задача изобретения состоит в реализации автоматического контроля концентрации глинозема С_гл в расплаве и ее стабилизации на заданном уровне.

Технический результат изобретения состоит в повышении технико-экономических показателей процесса электролиза алюминия.

Технический результат обеспечивается тем, что способ управления технологическим процессом в алюминиевом электролизере обеспечивается следующими операциями: измеряют текущие значения силы тока I и напряжения электролизера U_эл, вычисляют по ним приведенное напряжение U_пp и концентрацию глинозема в электролите С_гл, сравнивают текущие значения U_пp и С_гл с заданными значениями и поддерживают U_пp и С_гл в установленных пределах путем перемещения анода и регулирования количества загружаемого в электролизер глинозема. Текущие значения U_пp и С_гл дополнительно корректируют методами нейросетевого программирования, для чего проводят компенсацию скачков U_пp, связанных с перемещениями анода, осуществляют фильтрацию U_пp при помощи сглаживающего фильтра, созданного на основе первой искусственной нейронной сети, обученной посредством выборки предварительно сглаженного приведенного напряжения U_пp, и получают в качестве выходного сигнала фильтрованное напряжение U. Затем определяют скорость изменения фильтрованного напряжения U во времени dU/dt, преобразуют эту величину в первую производную фильтрованного напряжения dU/dC_гл, используя в качестве коэффициента преобразования значение dC_гл/dt, определяют вторую и третью производные упомянутого напряжения d²U/dC_гл ² и d³U/dC_гл ³. При этом полученные значения первой, второй и третьей производной напряжения U используют в качестве входных сигналов для второй искусственной нейронной сети, обученной посредством аналитических зависимостей между первой, второй и третьей производными напряжения U и концентрацией глинозема в электролите, а в качестве выходного сигнала используют значение текущей концентрации глинозема С_гл.

Способ может характеризоваться тем, что компенсацию скачков приведенного напряжения U_пp, связанных с перемещением анода, осуществляют путем формирования компенсирующего напряжения ΔU_ПР, равного по величине скачку приведенного напряжения.

Способ может характеризоваться также тем, что значение dC_гл/dt определяют как разность между приходом и расходом глинозема в процессе электролиза.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:
на фиг.1 представлена структурная схема системы управления для реализации патентуемого способа;
на фиг.2 - структурная схема блока расчета U_пp и U;
на фиг.3 - структурная схема блока расчета С_гл;
на фиг.4 - графики зависимости производных dU/dC_гл от величины С_гл;
на фиг.5 - график зависимости U_пp и С_гл от времени, зарегистрированный в процессе функционирования электролизера по патентуемому способу.

В основе патентуемого метода лежат следующие предпосылки.

Как отмечалось выше, технико-экономические показатели процесса производства алюминия напрямую зависят от адекватности работы системы автоматического регулирования. В патентуемом изобретении предлагается более совершенный алгоритм управления с использованием принципов нейросетевой нечеткой логики. Организация в способе управления первой нейронной сети позволяет повысить качество фильтрации приведенного напряжения и получить такую переменную U, которая не зависит от перемещений анода, а определяется только изменением концентрации глинозема в процессе электролиза. Организация второй нейронной сети, в алгоритме которой учитываются три первых производных U вместо одной, позволяет значительно повысить точность определения величины С_гл и исключить ошибки, связанные с неправильным определением ветви концентрационной кривой.

Преимущества систем, использующих нейрокомпьютерное программирование, для целей повышения качества продукции при уменьшении ресурсо- и энергозатрат, известно (см., например, Круглов В.В., Дли М.И., Годунов Р.Ю. "Нечеткая логика и искусственные нейронные сети". Учебное пособие. - М.: Издательство Физико-математической литературы, 2001 г.) [3]. Они обеспечивают более высокую устойчивость к воздействию мешающих факторов по сравнению с традиционными системами автоматического управления. Программные продукты, обеспечивающие решение технологических задач упомянутыми методами, описаны (см. [3], а также Сигеру Омату, Марзуки Халид, Рубия Юсоф "Нейроуправление и его приложения", кн. 2, пер. с англ. Н. В. Батина, под ред. А.И. Галушкина, В.А. Птичкина, М: - ИПРЖР, 2000 г. [4]) и имеются в продаже. К ним относятся "нейросетевые симуляторы", такие как Stuttgart Neural Net Simulator v. 4.1, NeuroShell 4.0., Qnet., принципы построения которых патентуются (см, например, патент US 6317730, Neuneir, et al., 706/2, G 06 F 15/18, 13.11.2001) [5] . Средства и принципы построения систем автоматизации промышленных установок с использованием нейронных систем подробно описаны (см., например, заявку RU 99124583, Сименс Акциенгезелльшафт, G 05 B 13/02, 17/02, oп. 27.09.2001) [6] . С использованием программного продукта Stuttgart Neural Net Simulator осуществлена реализация патентуемого способа, особенности которой описаны ниже.

По отношению к прототипу [2] у предлагаемого способа имеются следующие особенности. Во-первых, рассчитанные значения U_пp корректируются с учетом операционных сообщений АСУ ТП для того, чтобы компенсировать скачки приведенного напряжения, вызванные перемещениями анода. Во-вторых, выполняется фильтрация полученных значений приведенного напряжения при помощи сглаживающего фильтра, созданного на основе нейронной сети. В-третьих, выполняется преобразование скорости изменения фильтрованного напряжения во времени dU/dt в переменную dU/dC_гл, причем в качестве коэффициента преобразования используется величина dC_гл/dt, определяемая через расчет разности между приходом и расходом глинозема в процессе электролиза. В-четвертых, для определения текущей концентрации глинозема в электролите наряду с первой производной используются вторая и третья производные напряжения. В-пятых, текущая концентрация глинозема в электролите определяется при помощи нейронной сети, обученной на основе аналитических зависимостей между первыми тремя производными U и концентрацией глинозема в электролите. Анализ, проведенный заявителем, показал, что совокупность признаков является новой, а сам способ удовлетворяет условию изобретательского уровня ввиду новизны причинно-следственной связи "отличительные признаки - технический результат".

Сущность способа удобно пояснить на примере функционирования системы управления, структурная схема которой представлена на фиг.1-3.

В процессе управления технологическим процессом автоматическая система управления постоянно контролирует значения силы тока I и напряжения U_эл электролизера 10. Контроль осуществляют известными способами, предусматривающими сглаживание измеренных значений, например, путем усреднения за интервал времени Т_ус. В конце интервала Т_ус по сглаженным значениям напряжения U_эл и силы тока I в блоке 12 вычисляют текущее значение приведенного напряжения U_пp по следующей формуле:
U_пр=(U_эл-Е₀)I_н/I+Е₀, (1)
где E₀ - номинальное значение обратной ЭДС электролизера, В;
I_н - номинальное значение силы тока, кА.

Более подробно структура блока 12 приведена на фиг.2. Значения силы тока I и напряжения U_эл электролизера в блоке 121 расчета приведенного напряжения контролируются в автоматическом режиме, а значения Е₀ и I_н устанавливаются оператором АСУ ТП. Блок 121 реализует расчет приведенного напряжения U_пp по формуле (1). Блок 122 анализа операционных сообщений регистрирует все сообщения о перемещениях анода в ручном или автоматическом режимах. После каждого сообщения блок 122 формирует такую добавку напряжения ΔU_ПР, которая позволяет компенсировать скачок приведенного напряжения, вызванный перемещением анода, и подает его на блок 123. Приведенное напряжение, скорректированное с учетом операционных сообщений, поступает на вход первой искусственной нейронной сети 124, выполняющей функции сглаживающего нейросетевого (НС) фильтра.

НС-фильтр представляет собой многослойную нейронную сеть, основные характеристики которой приведены в табл. 1. Обучение нейронной сети осуществляется посредством блока 125 на выборке предварительно сглаженного приведенного напряжения. Размер обучающей выборки составил 40000 пятиминутных отчетов приведенного напряжения по группе алюминиевых электролизеров, которые работали в различных технологических режимах. При разработке НС-фильтра использовались функции преобразования сигмоидального вида. Структура нейронной сети может быть реализована на различных типах "нейросетевых симуляторов", таких как Stuttgart Neural Net Simulator v. 4.1, NeuroShell 4.0., Qnet [4].

На основе полученной информации в блоке 14 рассчитывается скорость изменения фильтрованного напряжения во времени dU/dt.

Другой отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что одновременно с измерением напряжения электролизера и определением величины dU/dt система управления непрерывно отслеживает приход глинозема в электролизер через механизмы АПГ, что осуществляется блоком 16. Масса глинозема, поступающего в электролизер в течение времени t, определяется по формуле:
Ф_апг=М_ДОЗ•N_ДОЗ=М_ДОЗ•t/Т_ПИТ (2)
где М_ДОЗ - масса разовой дозы глинозема, кг;
М_ДОЗ - суммарное количество доз глинозема, поступающих в электролит за время t;
Т_ПИТ - текущий интервал питания (уставка АПГ), ч.

Расход глинозема в процессе электролиза зависит от производительности электролизера и определяется по формуле:
Ф_РАСХОД = 1,91•η•k•I•t, (3)
где η - выход по току, доли ед.;
k=0,335 - электрохимический эквивалент алюминия, г/(А•ч);
I - сила тока серии, кА;
t - время работы электролизера, ч.

Таким образом, изменение концентрации глинозема в электролите в течение периода времени t может быть рассчитано по формуле:
(4)
где М_ЭЛ - масса электролита в шахте электролизера, кг.

Определение текущей скорости изменения С_ГЛ во времени реализуется в блоке 16. Используется формула (5), полученная в результате дифференцирования и преобразования формулы (4):
dC_ГЛ/dt = (M_ДОЗ/T_ПИТ-0,64•η•I)•100/М_ЭЛ (5)
В данной формуле параметры М_доз, η и М_эл являются настроечными коэффициентами, которые задает оператор АСУ ТП в зависимости от результатов последних технологических замеров на электролизере, а параметры I и Т_ПИТ непрерывно отслеживаются в автоматическом режиме.

На следующем этапе в блоке 18 выполняется преобразование скорости изменения фильтрованного напряжения во времени dU/dt, вычисленное в блоке 14, в переменную dU/dC_ГЛ по следующей формуле:
dU/dC_ГЛ=[dU/dt]/[dC_ГЛ/dt] (6)
Рассчитанная по формуле (6) переменная dU/dC_ГЛ дифференцируется 2 раза, в результате чего формируются переменные d²U/dC_ГЛ ² и d³U/dC_ГЛ ³. Полученные производные U (первая, вторая и третья) поступают на вход блока 20 определения текущей концентрации глинозема С_ГЛ, обработка в котором осуществляется посредством второй искусственной нейронной сети.

На фиг. 3 приведена структурная схема блока 20. НС-датчик концентрации глинозема представляет собой также, как в случае блока 12, многослойную нейронную сеть, основные характеристики которой приведены в табл. 2. Блок 20 образован второй искусственной нейронной сетью - НС-датчиком 201 концентрации глинозема, связанным с блоком 202 обучения по аналитическим зависимостям первых трех производных. Выход датчика 201 подключен к входу блока 203 оценки достоверности С_ГЛ. При разработке НС-датчика использовались функции преобразования сигмоидального вида. Структура нейронной сети также может быть реализована на различных типах "нейросетевых симуляторов", таких как Stuttgart Neural Net Simulator v. 4.1, NeuroShell 4.0., Qnet [4].

Для обучения НС-датчика используются аналитические зависимости между первыми тремя производными U и концентрацией глинозема в электролите. Вид этих зависимостей приведен на фиг.4. Использование в алгоритме обработки сигналов трех первых производных U, вместо одной, позволяет значительно повысить точность определения величины С_ГЛ и исключить ошибки, связанные с неправильным определением знака ветви концентрационной кривой. Блок обучения включает четыре массива данных. К ним относятся один массив заданных значений С_ГЛ в диапазоне от 1,0 до 7,5%, интервал между которыми составляет 0,01%, и три массива значений переменных dU/dC_ГЛ, d²U/dC_ГЛ ² и d³U/dC_ГЛ ³, рассчитанных по уравнениям dU/dC_ГЛ= f(C_ГЛ), d²U/dC_ГЛ ²=f(C_ГЛ) и d³U/dC_ГЛ ³= f(C_ГЛ).

Рассчитанные значения текущей концентрации глинозема поступают на вход блока 203 оценки достоверности С_ГЛ. Блок рассчитывает изменение концентрации глинозема за определенный период времени ΔC_ГЛ по формуле:
ΔC_ГЛ = |(C_ГЛ)_N-(C_ГЛ)_N-1| (7)
где (C_ГЛ)_N - текущее значение концентрации глинозема, %;
(С_ГЛ)_N-1 - предыдущее значение концентрации глинозема, %.

В том случае, если рассчитанное изменение концентрации глинозема за определенный период времени превышает предельно допустимое значение (ΔC_ГЛ)_ЗАД, установленное оператором АСУ ТП, блок 203 оценки достоверности С_гл корректирует текущее значение концентрации глинозема в соответствии со следующими правилами:


Такой алгоритм позволяет минимизировать погрешность определения С_гл, вызванную случайными флуктуациями U, не связанными с изменением концентрации глинозема в электролите.

После этого рассчитанные в блоках 12 и 20 значения параметров U_ПР и С_ГЛ сравниваются в блоках 22, 24 с их заданными значениями и поддерживаются блоком 26 в установленных пределах изменением межполюсного расстояния (перемещением анода) и регулированием количества загружаемого в электролизер глинозема путем чередования режимов избыточного и недостаточного питания.

Таким образом, исходя из приведенной выше блок-схемы, способ осуществляется в следующей последовательности:
1. Выполняется измерение мгновенных значений силы тока I и напряжения электролизера U_ЭЛ.

2. Производится вычисление действующего значения этих параметров путем их усреднения за определенный интервал времени Т_УС.

3. По формуле (1) выполняется расчет приведенного напряжения электролизера U_ПР.

4. Рассчитанные значения U_ПР корректируют с учетом операционных сообщений АСУ ТП для того, чтобы компенсировать скачки приведенного напряжения, вызванные перемещениями анода.

5. Производится фильтрация полученных значений приведенного напряжения при помощи первой искусственной нейронной сети, в результате чего формируется переменная U.

6. Рассчитывается скорость изменения фильтрованного напряжения во времени dU/dt.

7. Определяется средний интервал питания Т_ПИТ за некоторый промежуток времени.

8. По формуле (5) определяется текущая скорость изменения концентрации глинозема во времени dC_ГЛ/dt.

9. По формуле (6) выполняется преобразование скорости изменения фильтрованного напряжения во времени dU/dt в переменную dU/dC_ГЛ.

10. Переменная dU/dC_ГЛ дифференцируется 2 раза, в результате чего формируются переменные d²U/dC_ГЛ ² и d³U/dC_ГЛ ³.

11. Полученные производные U поступают на вход второй искусственной нейронной сети, обученной на основе известных аналитических зависимостей между первыми тремя производными U и концентрацией глинозема в электролите, которая определяет текущую концентрацию глинозема С_ГЛ.

12. По формуле (7) определяется изменение концентрации глинозема за определенный период времени ΔC_ГЛ и в том случае, если ΔC_ГЛ превышает предельно допустимую величину, выполняется коррекция текущего значения С_ГЛ.

13. Рассчитанные значения параметров U_ПР и С_ГЛ сравнивают с их заданными значениями и поддерживают в установленных пределах перемещением анода и регулированием количества загружаемого в электролизер глинозема путем чередования режимов избыточного и недостаточного питания.

Эффективность патентуемого способа показана на электролизере типа С-8БМ с верхним токоподводом, работающем на силе тока 158 кА, который оснащен АСУ ТП "ТРОЛЛЬ" в комплекте с системой автоматизированной подачи глинозема АПГ. Установленное оператором АСУ ТП значение концентрации глинозема в электролите (уставка концентрации) составляет 3±0,3%. Приведенное напряжение электролизера поддерживается на уровне 4,42±0,04 В. При этом автоматическое регулирование межполюсного расстояния МПР разрешено только тогда, когда значение С_ГЛ находится в заданном диапазоне концентраций (от 2,7 до 3,3%).

На фиг. 5 приведены экспериментальные графики изменения двух параметров работы электролизера (приведенного напряжения U_ПР и текущей концентрации глинозема С_ГЛ) в течение суток. Как видно из графиков, предлагаемый способ управления позволяет свести к минимуму отклонение данных параметров от их заданных значений в процессе электролиза. В приведенном примере получены следующие среднесуточные показатели: U_ПР=4,41 В, С_ГЛ=2,88%.

Реализация предложенного способа управления технологическим процессом в алюминиевом электролизере позволяет улучшить технико-экономические показатели процесса электролиза за счет более точной стабилизации концентрации глинозема в электролите и снизить количество технологических нарушений режима работы электролизеров, вызванных отклонениями текущей концентрации глинозема от области оптимальных значений.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия. При управлении технологическим процессом в алюминиевом электролизере измеряют текущие значения силы тока I и напряжения электролизера U_эл. По ним вычисляют приведенное напряжение U_пр и концентрацию глинозема в электролите С_гл. Сравнивают текущие значения U_пр и С_гл с заданными значениями и поддерживают U_пр и С_гл в установленных пределах путем перемещения анода и регулирования количества загружаемого в электролизер глинозема. Текущие значения U_пр и С_гл дополнительно корректируют методами нейросетевого программирования. Проводят компенсацию скачков U_пр, связанных с перемещением анода. Осуществляют фильтрацию U_пр при помощи сглаживающего фильтра. Сглаживающий фильтр создают на основе первой искусственной нейронной сети, обученной посредством выборки предварительно сглаженного приведенного напряжения U_пр. Получают в качестве выходного сигнала фильтрованное напряжение U. Определяют скорость изменения фильтрованного напряжения во времени dU/dt. Преобразуют эту величину в первую производную фильтрованного напряжения dU/dC_гл, используя в качестве коэффициента преобразования значение dC_гл/dt. Определяют вторую и третью производную напряжения d²U/dC_гл ² и d³U/dC_гл ³. Полученные значения первой, второй и третьей производной напряжения U используют в качестве входных сигналов для второй искусственной нейронной сети, обученной посредством аналитических зависимостей между первой, второй и третьей производными напряжения U и концентрацией глинозема в электролите. В качестве выходного сигнала используют значение текущей концентрации глинозема С_гл. Изобретение позволяет повысить технико-экономические показатели процесса электролиза алюминия. 2 з.п.ф-лы, 5 ил., 2 табл.

1. Способ управления технологическим процессом в алюминиевом электролизере, при котором измеряют текущие значения силы тока I и напряжения электролизера U_эл, вычисляют по ним приведенное напряжение U_пр и концентрацию глинозема в электролите С_гл, сравнивают текущие значения U_пр и С_гл с заданными значениями и поддерживают U_пр и С_гл в установленных пределах путем перемещения анода и регулирования количества загружаемого в электролизер глинозема, отличающийся тем, что текущие значения U_пр и С_гл дополнительно корректируют методами нейросетевого программирования, для чего проводят компенсацию скачков U_пр, связанных с перемещением анода, осуществляют фильтрацию U_пр при помощи сглаживающего фильтра, созданного на основе первой искусственной нейронной сети, обученной посредством выборки предварительно сглаженного приведенного напряжения U_пр, и получают в качестве выходного сигнала фильтрованное напряжение U, затем определяют скорость изменения фильтрованного напряжения во времени dU/dt, преобразуют эту величину в первую производную фильтрованного напряжения dU/dC_гл, используя в качестве коэффициента преобразования значение dC_гл/dt, определяют вторую и третью производную напряжения d²U/dC_гл ² и d³U/dC_гл ³, при этом полученные значения первой, второй и третьей производной напряжения U используют в качестве входных сигналов для второй искусственной нейронной сети, обученной посредством аналитических зависимостей между первой, второй и третьей производными напряжения U и концентрацией глинозема в электролите, а в качестве выходного сигнала используют значение текущей концентрации глинозема С_гл. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что компенсацию скачков приведенного напряжения U_пр, связанных с перемещением анода, осуществляют путем формирования компенсирующего напряжения ΔU_пр, равного по величине скачку приведенного напряжения. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что значение dC_гл/dt определяют как разность между приходом и расходом глинозема в процессе электролиза.