回轉(zhuǎn)窯煅燒過程綜合協(xié)調(diào)控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及自動控制技術領域，具體涉及一種電解鋁炭素陽極的熟料煅燒過程中 回轉(zhuǎn)窯的控制方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 炭素陽極在鋁電解槽生產(chǎn)過程中起著十分重要的作用，它作為導體將直流電導入 電解槽，并作為電解槽陽極材料參與陽極反應過程。每生產(chǎn)一噸原鋁要消耗500公斤左右 的炭素陽極。因此，炭素陽極的各項質(zhì)量指標直接影響到電解槽的正常生產(chǎn)及原鋁的產(chǎn)量、 質(zhì)量、炭耗和電耗等各項技術經(jīng)濟指標。
[0003] 炭素陽極的熟料煅燒的重要設備是炭素回轉(zhuǎn)窯，回轉(zhuǎn)窯運行情況的好壞，直接影 響著炭素熟料的產(chǎn)量、質(zhì)量和能耗。其設備具有以下幾方面特點：
[0004] 1)回轉(zhuǎn)窯是一個大慣性、大滯后性、存在時變參數(shù)的控制對象，即使是最簡單的回 轉(zhuǎn)窯，物料在窯內(nèi)的運動過程也是高度非線性、復雜的，它不僅涉及到復雜的傳熱、傳質(zhì)機 理，還與窯內(nèi)物質(zhì)的物料特性密切相關；
[0005] 2)關鍵工藝參數(shù)難以準確及時的測量，窯體結(jié)構(gòu)的主要部分處于回轉(zhuǎn)狀態(tài)，檢測 儀器通常只能安裝在窯的兩端，導致關鍵工藝參數(shù)難以準確及時的測量，因此我們很難定 量的描述封閉窯內(nèi)的熱工狀況；這種參數(shù)信息的模糊性，使得建模的難度非常大，導致傳統(tǒng) 的控制策略難以實施；
[0006] 3)控制手段多樣化，各控制手段之間耦合現(xiàn)象嚴重；其控制手段包括回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn) 速、給料量、負壓、旋風除塵及二、三次風量等多種控制手段，每種控制手段在一定工況下都 可以產(chǎn)生影響回轉(zhuǎn)窯煅燒的正反兩種趨勢，從而造成回轉(zhuǎn)窯控制的嚴重耦合、工作穩(wěn)點區(qū) 域狹小等問題，難以找到控制手段較優(yōu)的配合方法。
[0007] 國外一些國家（如美國）已經(jīng)實現(xiàn)了炭素回轉(zhuǎn)窯的自動控制，但是我國在這方面 的研究和發(fā)展相對落后，由此導致了煅燒生產(chǎn)的指標低于這些國家的水平。80年代末期， 在工業(yè)發(fā)達的國家，已普遍實現(xiàn)了回轉(zhuǎn)窯煅燒過程的計算機雙級穩(wěn)定化控制。其中以法國 SATERAM公司及瑞士 R&D公司為代表的燃燒裝置及控制系統(tǒng)，領導著世界上石油焦煅燒生 產(chǎn)的最先進水平，不但提高了炭塊煅燒的均質(zhì)性，降低了煅燒爐的單位能耗，而且促進了環(huán) 保效果，提高了經(jīng)濟效益。
[0008] 國內(nèi)從80年代初開始進入回轉(zhuǎn)窯煅燒過程計算機控制應用階段。長期以來，科研 技術人員進行了大量研究工作，將數(shù)學模型與窯溫控制相結(jié)合，引入自動控制的方法，在多 家回轉(zhuǎn)窯煅燒過程進行了計算機控制嘗試。例如，云南鋁廠、貴州鋁廠、包頭鋁廠等在不同 程度上對回轉(zhuǎn)窯煅燒過程進行了計算機自動化控制，有一定的成效。但回轉(zhuǎn)窯煅燒過程計 算機控制水平與工業(yè)發(fā)達國家相比，起步晚、差距比較大，并且發(fā)展十分不平衡。到目前為 止，國內(nèi)相當一部分回轉(zhuǎn)窯煅燒過程還是手動操作，加上工藝技術落后，工作環(huán)境惡劣，設 備陳舊，造成回轉(zhuǎn)窯長期處于不經(jīng)濟狀態(tài)，嚴重影響煅后焦質(zhì)量。同時，勞動生產(chǎn)率低，能耗 大，環(huán)境污染嚴重。這些差距嚴重威脅到我國鋁業(yè)的生存和發(fā)展，大大削弱了其參與國際市 場競爭的能力。
[0009] 現(xiàn)有炭素回轉(zhuǎn)窯煅燒控制技術主要存在如下缺陷：
[0010] 1)石油焦原料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒過程溫度可以達到1200~1300°C，炭素晶格細化 致密化，以滿足煅后焦真密度、比電阻指標；但是國內(nèi)煅燒帶溫度的測量粗糙，不能真實反 映的煅燒帶溫度、位置、長度數(shù)據(jù)，煅燒帶形成控制全靠操作人員經(jīng)驗人工調(diào)節(jié)，自動控制 尚是空白；
[0011] 2)大多數(shù)回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為過程自動化級和基礎自動化級兩層，但是在過 程自動化控制過程中，由于現(xiàn)場環(huán)境影響和回轉(zhuǎn)窯自身系統(tǒng)的復雜性，所以一般控制系統(tǒng) 中的控制手段多為單一量操作；但是單一變量的操作使得該變量與其他控制變量的耦合關 系難以排除，系統(tǒng)難以通過優(yōu)化的方式運行到更優(yōu)穩(wěn)定點上；
[0012] 3)加入第三級專家控制和故障診斷系統(tǒng)，改變了原有系統(tǒng)的雙級控制通信拓撲結(jié) 構(gòu)，沒有實現(xiàn)DCS (分布式集散控制系統(tǒng)），第三級專家控制和故障診斷系統(tǒng)無法與下面兩 級系統(tǒng)進行有效數(shù)據(jù)通信，從而無法實現(xiàn)回轉(zhuǎn)煅燒窯工藝全過程的計算機集成監(jiān)視控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明針對當前鋁電解陽極炭素回轉(zhuǎn)窯煅燒檢測與自動控制系統(tǒng)現(xiàn)狀，提供一種 回轉(zhuǎn)窯煅燒過程綜合協(xié)調(diào)控制方法及系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有技術存在的煅燒帶溫度的測量粗 糙，不能真實反映的煅燒帶溫度、位置、長度數(shù)據(jù)的問題；同時從回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝控制角度 出發(fā)，發(fā)明一種鋁電解陽極炭素回轉(zhuǎn)窯的分布式集散控制系統(tǒng)，將計算機、專家系統(tǒng)、優(yōu)化 技術、數(shù)據(jù)分析理論、數(shù)據(jù)通信等技術進行有機融合；在現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯自動控制的基礎上，加 入一種高效、穩(wěn)定、實時的網(wǎng)絡通信方案，在不破壞原來通信系統(tǒng)的基礎上，建立統(tǒng)一數(shù)據(jù) 庫實現(xiàn)新系統(tǒng)與原系統(tǒng)的有效信息交互，并通過通信系統(tǒng)協(xié)助實現(xiàn)一、二、三級分布式集散 控制系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)窯煅燒過程綜合協(xié)調(diào)控制，克服集中式控制系統(tǒng)中對控制器處理能力和可 靠性要求高的缺陷，將控制和管理功能分開，以實現(xiàn)信息、操作管理集中化和控制分散化， 從而達到提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能降耗、可靠穩(wěn)定運行的目標。考慮到系統(tǒng)設備增添、調(diào)整和升 級，在系統(tǒng)配置上充分考慮了系統(tǒng)軟、硬件資源的可擴展性，以便往后在不影響現(xiàn)有設備運 行的情況下，即可將系統(tǒng)擴大升級成包含多臺回轉(zhuǎn)窯的全廠計算機自動控制系統(tǒng)。
[0014] 為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術方案是：一種回轉(zhuǎn)窯煅燒過程綜合協(xié)調(diào)控 制方法，其包括：
[0015] 1)根據(jù)窯皮溫度和窯內(nèi)溫度的非線性傳熱關系，按照BP神經(jīng)網(wǎng)絡和有限元模擬 的混合建模方法，建立窯內(nèi)溫度與窯皮溫度的非線性映射關系；
[0016] 2)利用紅外窯體掃描設備對回轉(zhuǎn)窯的窯皮溫度進行實時連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，并根據(jù) 窯內(nèi)溫度與窯皮溫度的非線性映射關系，構(gòu)建窯內(nèi)溫度的溫度曲線，利用最小二乘法進行 窯內(nèi)溫度的數(shù)據(jù)擬合，并根據(jù)煅燒帶建立標準，計算煅燒帶及窯內(nèi)熱值信息；
[0017] 3)根據(jù)煅燒帶信息以及現(xiàn)場工藝直接采集參數(shù)，按照自動控制程序調(diào)節(jié)多種控制 手段形成煅燒帶，完成回轉(zhuǎn)窯煅燒過程綜合協(xié)調(diào)控制；
[0018] 其中，所計算的煅燒帶信息包括煅燒帶平均溫度、長度、位置等；所采用的多種控 制手段包括二次風、三次風、窯轉(zhuǎn)速、引風機、給料量等。
[0019] 優(yōu)選的，所述窯內(nèi)溫度與窯皮溫度的非線性映射關系的建立方法包括以下步驟：
[0020] 1)建立光學測溫計歷史數(shù)據(jù)集：利用回轉(zhuǎn)窯煅燒過程數(shù)據(jù)庫中獲取的2-3個月表 征窯內(nèi)溫度和窯皮溫度的歷史數(shù)據(jù)，其中排除掉天氣變化引起的窯皮溫度變化，例如下雪， 下雨造成溫度驟降問題；
[0021] 2)建立回轉(zhuǎn)窯傳熱系數(shù)模型：在回轉(zhuǎn)窯傳熱機理的基礎上，獲取回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁與煅 燒原料顆粒間換熱模型的基本構(gòu)成；再根據(jù)窯內(nèi)襯材料的構(gòu)成，研究窯內(nèi)的溫度梯度，構(gòu)建 窯內(nèi)壁與窯皮在正常天氣情況下的溫度非線性關系，即回轉(zhuǎn)窯傳熱系統(tǒng)本質(zhì)動態(tài)特性的數(shù) 學模型；
[0022] 3)使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡與有限元模擬的混合建模方法對回轉(zhuǎn)窯傳熱系統(tǒng)本質(zhì)動態(tài)特 性及熱應力進行數(shù)學建模。
[0023] 優(yōu)選