загрузить автореферат

На правах рукописи
ПЕТРОВ Павел Андреевич
УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ
ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛГОРИТМА РАСЧЕТА
НЕНАБЛЮДАЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ
Специальность 05.13.06 –
Автоматизация и управление
технологическими процессами и
производствами (металлургия)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2009
Работа выполнена в Государственном образовательном
учреждении высшего профессионального образования СанктПетербургском государственном горном институте имени
Г.В. Плеханова (техническом университете)
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Юрий Васильевич Шариков
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Педро Анатолий Александрович
кандидат технических наук, доцент
Балыбердин Леонид Леонидович
Ведущая организация: кафедра математического моделирования и оптимизации химико-технологических процессов Санкт-Петербургского государственного технологического института СПбГТИ (ТУ)
Защита диссертации состоится 17 декабря 2009 г.,
в 17 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.03
в Санкт-Петербургском государственном горном институте
имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу:
199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 2203.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СанктПетербургского государственного горного института имени
Г.В. Плеханова (технического университета).
Автореферат разослан 16 ноября 2009 года.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета
д.т.н.
В.Н. БРИЧКИН
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Процесс электролитического производства алюминия составляет основу современной электрометаллургии алюминия и заключается в электролизе глинозема, растворенного в расплавленном криолите (способ Эру-Холла) с выделением на катоде металлического алюминия и газообразных продуктов
на аноде.
Электролизеры для производства алюминия, как и многие
другие высокотемпературные агрегаты, характеризуются недостаточным объемом измеряемых переменных состояния вследствие
агрессивности среды протекания электролиза и большого количества однотипных объектов управления. Эта особенность не позволяет рассматривать данный класс объектов как полностью наблюдаемый, и, следовательно, не полностью управляемый, и создает значительные трудности для создания систем управления такими объектами.
Огромный вклад в развитие и совершенствование алгоритмов управления объектами алюминиевой промышленности внесли
специализированные научно-исследовательские и проектные организации, среди них «ВАМИ», «СибВАМИ», «Цветметавтоматика»,
«Союзцветметавтоматика» и др. Хорошо известны работы и достижения в этой области таких крупных специалистов как Н. А. Калужский, М. М. Ветюков, Ю. В. Борисоглебский, А. М. Цыплаков,
А.И. Бегунов, М.В. Левин и ряд других ученых.
В то же время широко применяемый подход к управлению
высокотемпературными агрегатами носит статистический характер,
что ограничивает область применения такого подхода диапазоном
изменения управляемых переменных при сборе статистических данных. В связи с этим возникает необходимость поиска новых способов создания алгоритмов управления групповыми высокотемпературными объектами, в частности, электролизерами, что будет способствовать росту эффективности управления ими.
Особое значение такая разработка имеет для повышения качества управления алюминиевыми электролизерами на предприятиях с исторически сложившейся структурой использования электро3
лизеров относительно невысокой мощности и нуждающимися в модернизации применяемых систем управления.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной тематикой
НИР СПГГИ (ТУ) по теме 6.30.020. «Разработка систем управления
сложными техническими объектами с использованием математических моделей в контуре управления» (I кв. 2008 – IV кв. 2010 гг.), а
также в рамках проекта № РНП.2.2.2.3.16112 по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала
высшей школы (2006-2008 годы)».
Цель диссертационной работы – повышение качества
функционирования электролизеров для получения алюминия на основе модернизации систем управления технологическими процессами.
Идея работы – создание детальной математической модели,
позволяющей рассчитывать все переменные состояния объекта
управления в объеме, достаточном для расчета критерия качества
управления, за счет перевода этого объекта в класс полностью
наблюдаемых.





Задачи исследований:
анализ современных систем управления технологическими процессами в электролизерах алюминиевого производства;
установление функциональных зависимостей между измеряемыми и неизмеряемыми переменными, которые могут быть использованы в алгоритмах управления технологией получения
алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава;
разработка детальной математической модели, отражающей
установленные зависимости между переменными;
синтез усовершенствованных алгоритмов управления электролитическим получением алюминия;
имитационное моделирование подсистемы нижнего уровня системы управления с использованием математической модели работы объекта, позволяющее проверить предложенные алгоритмы.
Научная новизна работы.
4
1. Установлено, что применение в системе управления математической модели, построенной на основе знаний о протекающих
технологических процессах, позволяет перевести электролизер для
получения алюминия, как объект управления, в наблюдаемое состояние. При этом появляется возможность аналитического учета неизмеряемых переменных состояния (температура, содержание глинозема и фтористых солей в электролите, сопротивление электролита и
междуполюсное расстояние) как функции рабочего напряжения и
силы тока.
2. Научно обосновано, что повышение качества управления
процессом электролитического получения алюминия обеспечивается
учетом в алгоритмах нижнего уровня множественной зависимости
неизмеряемых переменных состояния и корректировкой управляющих воздействий на верхнем уровне. Уточнение управляющих воздействий и параметров модели на верхнем уровне осуществляется
по результатам расчета трехмерных физических полей электролизера.
3. Использование экспериментально установленных значений температуры плавления и кристаллизации реальных промышленных электролитов в математической модели является существенным фактором отработки управляющих воздействий.
Практическое значение работы.
1. Разработана структура трехуровневой системы управления
процессом электролитического получения алюминия, учитывающая
неизмеряемые переменные состояния, и определены функции каждого уровня, что позволяет использовать ее для большого класса
модельных объектов.
2. Создана программа для расчета электролизера с обожженными анодами, позволяющая определять основные конструктивные
параметры электролизера, свойства электролита и металла, составлять материальный, электрический и тепловой балансы электролизера и служащая для задания исходных данных, начальных условий
и ограничений в математическую модель.
3. Построена трехмерная модель электролизера на силу тока
80-100 кА с обожженными анодами для решения задачи выработки
5
корректирующих воздействий, передаваемых на нижний уровень
управления.
4. Научные результаты работы включены в курсы металлургического факультета СПГГИ (ТУ) для студентов специальностей
«Автоматизация технологических процессов и производств» и «Металлургия цветных металлов».
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Нахождение по измеряемым технологическим параметрам
(сила тока и напряжение) неизмеряемых рабочих показателей электролизера (температура расплава, содержание глинозема и фтористых солей в электролите, сопротивление электролита и междуполюсное расстояние), имеющих существенное значение для управления процессом получения алюминия, можно производить на основе
математической модели, включенной в контур управления.
2. Повышение критерия качества управления процессом
электролитического получения алюминия (технологической составляющей себестоимости) обеспечивается применением распределенной системы управления, на нижнем уровне которой в реальном
времени рассчитываются и поддерживаются на оптимальном уровне
неизмеряемые переменные состояния, которые передаются на верхний уровень, где производится численный расчет физических полей
электролизера по его трехмерной модели и корректировка управляющих воздействий, передаваемых на нижний уровень управления.
Методика исследований. Работа выполнена с использованием комплекса методов, включающего системный анализ задачи на
основе исследований российских и зарубежных ученых; патентноинформационный анализ; теоретические, натурные и компьютерные
методы изучения электролитического получения алюминия и управления процессом электролиза с применением стандартного и специального программного обеспечения.
В работе использованы методы компьютерного моделирования и современные исследовательские комплексы термического
анализа.
Достоверность научных результатов обоснована лабораторными экспериментальными исследованиями и совпадением полученных результатов с литературными данными и материалами
6
обследования промышленных объектов.
Апробация работы. Содержание и основные положения работы докладывались на семинаре «Промышленные печи и высокотемпературные реакторы» (ВО «РЕСТЭК», Санкт-Петербург, 2006,
2007, 2009); конференции «Асеевские чтения» (Санкт-Петербург,
2006); научно-технических конференциях молодых ученых СанктПетербургского государственного горного института (технического
университета) – Санкт-Петербург, 2006, 2007, 2008; семинарах кафедры автоматизации технологических процессов и производств
СПГГИ (ТУ), на семинарах для стипендиатов российско-германских
программ «Михаил Ломоносов» и «Иммануил Кант» (Бонн, Германия, 2008; Москва, 2009).
По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, из них
1 в издании, рекомендованном ВАК Минобрнауки России.
Личный вклад автора.
Автор самостоятельно выполнил:
 постановку задач и разработку общей методики исследований;
 анализ современных систем управления технологических процессов в электролизерах алюминиевого производства;
 лабораторные эксперименты на новом оригинальном оборудовании по изучению температуры плавления и кристаллизации реального образца промышленного электролита алюминиевого
электролизера;
 разработку математической модели алюминиевого электролизера;
 построение трехмерной геометрии алюминиевого электролизера;
 математическое моделирование алгоритмов управления технологическим процессом производства алюминия.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Содержит 190 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 10 таблиц,
список литературы из 130 наименований и приложений на 19 страницах.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
7
В первой главе рассмотрена технология производства алюминия, приведена характеристика электролизера как объекта управления, проанализированы современные системы управления технологическими процессами в электролизерах алюминиевого производства, способы контроля и управления, управляющие воздействия.
Во второй главе приведена методика составления конструктивного расчета, дано описание математической модели протекающих в электролизере процессов, позволяющей рассчитывать непосредственно не измеряемые переменные состояния.
Третья глава посвящена экспериментальному изучению
температуры плавления и кристаллизации промышленного электролита алюминиевого электролизера. Определены характерные температуры плавления образца и построены кривые изотермического
охлаждения электролита, установлено влияние температурного режима процесса на качественные характеристики расплава и условия
образования гарнисажа и настыли. Построена трехмерная геометрия
электролизера с обожженными анодами, позволяющая проводить
расчеты физических полей электролизной ванны.
В четвертой главе описываются алгоритмы системы управления алюминиевым электролизером на базе математической модели процессов получения алюминия. Представлена структура системы управления и проведен анализ результатов влияния управляющих воздействий на поведение объекта управления на основе имитационного моделирования нижнего уровня управления. Предложены рекомендации по использованию разработанных алгоритмов
управления и модели электролизера.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
1. Нахождение по измеряемым технологическим параметрам (сила тока и напряжение) неизмеряемых рабочих показателей электролизера (температура расплава, содержание глинозема и фтористых солей в электролите, сопротивление электролита и междуполюсное расстояние), имеющих существенное
значение для управления процессом получения алюминия, можно производить на основе математической модели, включенной
в контур управления.
8
В настоящее время на предприятиях алюминиевой промышленности применяются электролизеры различных типов и мощностей, но с общей для них чертой, заключающейся в недостаточном
количестве измеряемой информации. Это делает такие объекты не
полностью наблюдаемыми.
Предлагается подход к управлению таким технологическим
процессом, как электролитическое получение алюминия, на основе
детальной математической модели, позволяющей рассчитывать все
переменные состояния в объеме, достаточном для определения критерия качества управления. Введение такой модели в контур управления дает возможность перевести их в класс полностью наблюдаемых, а, следовательно, и управляемых, и создать алгоритм оптимального управления по сформулированному критерию качества.
В процессе электролитического получения алюминия в электролизной ванне динамически изменяется состав электролита из-за
прихода и расхода веществ, составляющих электролит (глинозем,
криолит, фториды алюминия, кальция, магния). При математическом описании предполагается, что при вводе компонентов в электролит не происходит образования осадка, и эти компоненты распределены равномерно по всему объему электролита. Исходя из этого, электролизер может быть представлен моделью идеального перемешивания, которая эквивалентна инерционному звену первого
порядка, описываемому уравнением материального баланса по i-му
компоненту расплава:
dCi
(1)
 Gi  K i  K  I c  ,
dt
где mel – масса жидкого электролита, кг; C i – концентрация компонента в электролите, массовые доли, кг/кг(электролита); G i – приход
загружаемого компонента, кг/с; K i – коэффициент расхода компонента, кг/кг(алюминия); K – электрохимический эквивалент алюминия, кг/(А∙с); I c – сила тока, А;  – выход по току, доли. ед.
mel 
Масса жидкого электролита не постоянна во времени, так
как изменяются его компоненты: глинозем с массовой концентрацией C Al2O3 , фторид алюминия C AlF3 , фториды кальция C CaF2 , лития
9
C LiF , магния C MgF2 , а также добавка криолита C Na 3 AlF6 . Количество
электролита также зависит от величины расплавляемого или образующегося гарнисажа mg .
Уравнения массы электролита и алюминия в ванне электролизера записаны в следующем виде:
dmel mel
dC dmg
,

 i 
dt
100 i dt
dt
(2)
dmAl
 K  I c   Gl ,
(3)
dt
где Gl – изменение массы алюминия при отборе его из ванны, кг/с.
Теплообмен в электролизере имеет распределенный в пространстве характер. Однако, принимая во внимание отсутствие в системе контроля и управления замера распределенных параметров
состояния и распределенных в пространстве управляющих воздействий, можно считать адекватной тепловой моделью электролизера
модель с сосредоточенными параметрами:
dT
mel  cel 
 I c  U  Q  Q  Ql ,
(4)
dt
где T – температура электролита, 0С; cel – теплоемкость электролита, кДж/(кг·К); U – греющее напряжение, В; Q – тепло экзотермических реакций, Q – затраты энергии на эндотермические реакции;
Ql – тепловые потери через конструктивные поверхности.
Тепловые потери конструктивными элементами электролизера рассчитаны с условием изменяющейся толщины гарнисажа и с
учетом влияния всех видов теплообмена: теплопроводности, конвекции и теплового излучения.
Температура электролита найдена по температуре кристаллизации и температуре перегрева электролита, который должен
находится на уровне 7-10°С. Для многокомпонентной смеси температура начала кристаллизации определена по приближенному уравнению Хаупина:
10

  0,0051  С  
10  С  0,736   С   0,063   С  С   3,19  С
,
0,03   С   0, 27   С  С   12, 2  4,75   С

2,5
t L  1011  0,14  С AlF3  0,072  С AlF3
3
AlF3
1,1
1,3
LiF
LiF
AlF3
CaF2
0,7
2
CaF2
LiF
AlF3
CaF2
(5)
1,2
Al2O3
где C Al2O3 , C AlF3 CCaF2 , C LiF , – массовые концентрации глинозема,
фторида алюминия, фторида кальция и фторида лития в электролите, %.
Значения температуры кристаллизации, рассчитанные по
формуле (5), с достаточной точностью совпадают с экспериментально найденной температурой реального промышленного образца
электролита по методу термического анализа.
На базе математического описания разработана программа
для расчета электролизера с обожженными анодами. Программа используется для расчета исходных данных для математической модели и установившихся значений параметров процесса.
Кроме переменных, характеризующих температуру и состав
электролита, важным неопределяемым параметром является расстояние между анодом и катодом (междуполюсное расстояние), которое описывается уравнением (6):
dL
 La  Lm  Ku  Lu  M up  M dn ,
(6)
dt
где La – скорость изменения уровня анодного массива за счет его
расхода; Lm – скорость изменения уровня металла; Lu – скорость
перемещения анода при управлении; M up , M dn  ручная подача анода
вверх и вниз; K u принимает значения -1; 0; 1.
Напряжение на электролизере U r и сила тока I c связаны с
переменными состояния электролизера через сопротивление электролита в междуполюсном зазоре R и электрохимическую составляющую E (обратная электродвижущая сила):
(7)
U r  I c R  E  U ,
где U  падение напряжения в аноде и катоде.
В окрестности номинального режима сопротивление R , зависящее от изменения междуполюсного расстояния, температуры
11
электролита и содержания глинозема, и обратная электродвижущая
сила E , как функция температуры электролита и концентрации
глинозема, определяются по выражениям:
R  Rn  K RL  L  Ln   K RT T  Tn   K RC C Al2O3  C Al2O3 n ,
(8)




E  En  K ET T  Tn   K EC  ln C Al2O3 / C Al2O3 n ,
(9)
где E n , Rn – номинальная обратная электродвижущая сила и сопротивление; K RL , K RT , K RC , K ET , K EC – положительные константы.
Математическая модель включает также расчеты плотностей
и теплоемкостей компонентов расплава, высоты слоя металла и
электролита, максимального содержания глинозема в электролите,
растворимости металла в электролите, вязкости электролита и алюминия, изменения состава электролита вследствие плавления гарнисажа.
Таким образом, получено математическое описание протекающих в электролизере процессов, позволяющее при использовании его в контуре управления получить оценку непрерывно не измеряемых переменных состояния на основе их зависимости от силы
тока и напряжения на электролизере, и перевести объект управления
в класс управляемых.
2. Повышение критерия качества управления процессом
электролитического получения алюминия (технологической составляющей себестоимости) обеспечивается применением распределенной системы управления, на нижнем уровне которой в
реальном времени рассчитываются и поддерживаются на оптимальном уровне неизмеряемые переменные состояния, которые
передаются на верхний уровень, где производится численный
расчет физических полей электролизера по его трехмерной модели и корректировка управляющих воздействий, передаваемых на нижний уровень управления.
При производстве алюминия ставятся задачи снижения
удельного расхода электроэнергии, повышения выхода алюминия по
току, увеличения срока службы электролизеров, сокращение выбросов загрязняющих веществ.
12
Температура и состав расплава, расстояние между анодом и катодом, форма рабочего пространства, уровни металла и электролита,
электрические параметры влияют на эффективность процесса электролиза, которая определяется удельным расходом электроэнергии и выходом по току. Эти показатели регулируются изменением междуполюсного расстояния, изменением загрузки в электролизную ванну глинозема и фторида алюминия.
В качестве критерия качества управления выбрана технологическая составляющая себестоимости K c , которая зависит от управления. Она определяется удельным расходом электроэнергии, зависящим
от сопротивления электролита, и выходом алюминия по току, на который оказывают влияние температура, состав и сопротивление электролита. Высокий выход по току приводит к снижению расхода электроэнергии и является следствием улучшения технологии получения алюминия, поддержания необходимого состава электролита, при котором
снижается растворимость алюминия, и напряжение на электролизере.
В общем виде зависимость K c может быть задана следующим
образом:
Kc    ui , fi , , yi  ,

ui  1 L, GAl2O3 , GAlF3

(10)
fi  1  I c ,  I , U 
где
воздействия
на
электролизер
u i – управляющие
( L, GAl O , GAlF – соответственно изменение междуполюсного рас2 3
3
стояния, загрузка глинозема и фторида алюминия); f i – возмущающие воздействия (  I c ,  I ,  U – флуктуации тока серии, помехи при
измерении тока и напряжения); yi – технологические ограничения,
накладываемые на процесс (допустимые диапазоны изменения переменных состояния);
Задача управления – минимизировать критерий качества
управления K c за счет зависимостей управляющих воздействий от измеряемых переменных, расходах сырьевых материалов и ограничениях
на процесс.
13
Качество стабилизации неизмеряемых параметров объекта
управления характеризуется квадратичным интегральным критерием
I st , представляющим собой сумму квадратов отклонений рассчитанных математической моделью переменных состояния от их заданных
значений:
t2
t2
I st  K L   L  t   L*  dt  KT  T  t   T *  dt 
2
t1
t2

*
 K AlF3  C AlF3  t   C AlF
3
2
t1

2
dt 
,
(11)
t1
t2


 K Al2O3  C Al2O3  t   C Al* 2O3 dt  min
2
t1
где K L , KT , K Al2O3 , K AlF3 – масштабные коэффициенты.
Для управления технологическим процессом получения
алюминия предлагается распределенная система управления. Нижний уровень системы решает задачи стабилизации переменных состояния объекта управления по электрическим параметрам: силе тока и напряжению с использованием математической модели в контуре управления. Нижний уровень подразделяется на подсистемы,
каждая из которых управляет одним электролизером.
Электролизер для получения алюминия как объект управления
представлен в виде структуры из уравнений динамики и статики (рисунок 1). Модель управляющего устройства в подсистемах нижнего
уровня включает модель электролизера и регулятора. Модель электролизера по напряжению, силе тока и управляющим воздействиям определяет оценочные значения показателей процесса (переменных состояния) и вырабатывает новые управляющие воздействия. Электролизеробъект описывается дифференциальными уравнениями, электролизермодель представляется дифференциальными уравнениями, преобразованными к разностному виду.
По измеренным рабочему напряжению U r (7) и силе тока
серии рассчитывается приведенное напряжение U pr с учетом переменной величины электрохимической составляющей E :
14
U pr 
U r  E  I n  E .
n
Ic
(12)
Затем это напряжение и сила тока усредняются за различные
интервалы времени в зависимости от задачи управления.
Рис. 1. Структура подсистемы управления электролизером
(нижний уровень)
В задаче управления энергетическим режимом принят пропорциональный закон регулирования – анод перемещается в течение
времени, пропорционального величине и знаку отклонения регулируемого параметра (приведенного напряжения) от задания. Также в
законе управления учитывается зона нечувствительности и ограничение разовой длительности перемещения анода в одном направлении. В данном случае управляющее устройство регулирует приведенное напряжение через определенные интервалы времени (10 минут). Регулирование междуполюсного расстояния прекращается во
время анодного эффекта, приводящего к резкому росту напряжения
на электролизере, при включении частого, редкого и ручного режимов питания.
На рисунке 2 приведены результаты стабилизации энергети15
ческого режима. Первый график − изменение напряжения при отклонениях междуполюсного расстояния. Второй – стабилизация
оценки междуполюсного расстояния при ручном воздействии на
двигатель анодной рамы (подъем и опускание рамы). Третий график
– сигналы на перемещение анодной рамы в нужном направлении.
Четвертый график − время и знак перемещения анодной рамы.
Рис. 2. Стабилизация теплового режима
Необходимость стабилизации концентрации глинозема
определяется требованиями, предъявляемыми к допустимому диапазону изменения концентрации глинозема в расплаве. Нижний предел
соответствует концентрации, при которой возникает анодный эффект (0,5–1,5%.). Верхний предел – образование осадков (7–8%).
Зависимости сопротивления и обратной электродвижущей силы от
концентрации глинозема противоположны и поэтому напряжение на
электролизере имеет экстремальный характер зависимости от концентрации. Оптимальный технологический режим электролиза близок к точке минимума этой зависимости, т.е. наилучшая концентрация глинозема должна находиться диапазоне 3–4%.
В задаче стабилизации концентрации глинозема и криолито16
вого отношения загрузка глинозема и фторида алюминия происходит через интервалы времени, определенные из уравнений балансов
концентрации этих веществ. На первом графике рисунка 3 показано
изменение концентрации глинозема в расплаве электролита при работе системы точечного питания глиноземом. На втором графике
представлены моменты срабатывания дозаторов и расход загружаемого глинозема
Рис. 3. Стабилизация концентрации глинозема
Моделируется также частый и редкий режим питания глиноземом. Если отклонение расчетной концентрации глинозема больше
задания на определенную величину, то период питания ванны увеличивается по отношению к нормальному режиму. Если разность
меньше заданной концентрации, то период питания глиноземом сокращается (дозаторы работают чаще).
Криолитовое отношение является важной переменной, характеризующей состав электролита. Его снижение приводит к
уменьшению температуры кристаллизации электролита и благоприятно влияет на выход по току. Стабилизация криолитового отношения на уровне, находящемся в диапазоне 2,1–2,2, обеспечивает высокий выход по току и минимальный расход электроэнергии для
электролизеров с обожженными анодами. Алгоритм поддержания
криолитового отношения аналогичен способу стабилизации концентрации глинозема.
На рисунке 4 представлены результаты имитационного моделирования подсистемы нижнего уровня управления при отклонении междуполюсного расстояния от номинального значения и нормальном режиме работы питателей. Приведены следующие графики:
усредненное приведенное напряжение и сила тока, междуполюсное
17
расстояние, сигналы на перемещение анодной рамы, концентрации
глинозема и фторида алюминия, температура электролита.
На верхнем уровне распределенной системы управления,
помимо информационных функций сбора и обработки данных, формирования отчетов и ручного изменения задания, предлагается использовать математическую модель, позволяющую проводить расчеты теплового, электрического и магнитогидродинамического полей электролизера на основе метода конечных элементов (рисунок
5). Данная модель просчитывается для каждого электролизера на
специализированном программном обеспечении, установленном на
верхнем уровне системы управления. В результате построения физических полей оператору предоставляется информация о распределении температуры в электролите и металле, контурах циркуляции
расплава, перекосе металла, тепловом и электрическом балансе ванны или элемента ванны, анодной и катодной плотности тока и т.д.
Рис. 4. Работа подсистемы при отклонении междуполюсного
расстояния от номинального значения
Полученные данные сопоставляются с информацией об измеряемых величинах и об определенных по модели нижнего уровня
неконтролируемых переменных состояния. Оператору системы вы18
даются рекомендации скорректировать параметры подсистемы нижнего уровня. Использование на данном уровне управления численных расчетов позволит повысить точность управления и приведет к
росту технико-экономические показателей производства алюминиясырца.
Рис. 5. Трехмерная геометрия для расчета физических полей
алюминиевого электролизера
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация представляет собой законченную научноквалификационную работу, в которой содержится новое решение актуальной для металлургии алюминия задачи управления процессом электролитическим получения алюминия с использованием алгоритма расчета ненаблюдаемых параметров.
Основные результаты выполненных исследований сводятся
к следующему:
1. Разработана математическая модель подсистемы управления алюминиевым электролизером, с помощью которой определяются переменные состояния (междуполюсное расстояние, температура и состав электролита) в объеме, достаточном для расчета критерия качества управления.
2. Составлена программа, позволяющая производить конструктивный расчет, составлять материальный, электрический и
тепловой баланс электролизера и находить исходные данные для
математической модели нижнего уровня системы управления.
3. Обоснована распределенная структура системы управле19
ния электролитическим получением алюминия, учитывающая неизмеряемые переменные состояния, и определены функции каждого
уровня.
4. Описаны алгоритмы управления алюминиевым электролизером, позволяющие повысить эффективность управления, с помощью математической модели расчета ненаблюдаемых параметров,
включенной в контур управления процессом получения алюминия.
5. Проведено имитационное моделирование подсистемы
управления, которое показало работоспособность предложенных
алгоритмов управления.
6. Построена трехмерная модель электролизера с обожженными анодами на силу тока 80-100кА, позволяющая проводить расчеты теплового, электрического, магнитогидродинамического полей
и служащая для выработки корректирующих воздействий на нижний
уровень управления.
7. Предложено использовать детальные математические модели не только для разработки алгоритмов управления действующих
производств, но и для вновь проектируемых процессов, для которых
использование статистических моделей невозможно.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
1. Петров П.А. Математическое моделирование подсистемы
управления алюминиевым электролизером с обожженными анодами / Петров П.А., Шариков Ю.В. // Цветные металлы – 2006 –
№10. – С.81–84.
2. Петров П.А. Математическое моделирование подсистемы
управления алюминиевым электролизером с обожженными анодами // Записки Горного института – 2007 – т. 170. – С.169–172.
3. Петров П.А. Управление алюминиевым электролизером на базе
математической модели // Современные проблемы науки и образования – 2009 – №6. (приложение “Технические науки”) – С. 7.
4. Петров П.А. Математическое моделирование подсистемы
управления электролизной ванной с обожженными анодами для
получения алюминия / Петров П.А., Шариков Ю.В. // Сборник
докладов семинара «Промышленные печи и высокотемпературные реакторы», М.: изд. дом «Руда и металлы» – 2006. – С. 79–
20
83.
5. Petrov P.A. Studying of thermal and hydrodynamic fields of aluminium cell with prebaked anodes // Materialien des wissenschaftlichen
Seminars von Stipendiaten der Programme "Michail Lomonosov II"
und "Immanuel Kant II" 2008/2009. Moskau.– P.182–185.
21