1 引言
鎳電解車間的三段凈化工序(除鐵、除銅、除鈷)是整個鎳精練系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),陽極液的凈化深度直接決定著電鎳的品位。由于電解現(xiàn)場物化條件差,設(shè)備(尤其是傳感元件)的可靠性不高,由于設(shè)備容量大,料液充分混合和反應(yīng)時間長,在控制上出現(xiàn)大滯后,料液配比也很難達到自動控制,傳統(tǒng)自動控制系統(tǒng)很難達到較好的控制效果,本文根據(jù)現(xiàn)場工藝過程,基于現(xiàn)場工程師控制經(jīng)驗的總結(jié),提出一種包含神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模、多變量模糊控制、專家控制和預(yù)測控制相結(jié)合的智能控制系統(tǒng),以良好的控制效果提高系統(tǒng)的工藝水平。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)分為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)站、操作車間站(加料設(shè)備站、三段流量控制站)、儀表檢測站(pH值檢測、氧化―還原電位檢測、溫度檢測、流量檢測等)、智能控制站。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
(1) FCS操作站 采用Profibus總線與現(xiàn)場總線操作站進行數(shù)據(jù)傳遞,實現(xiàn)系統(tǒng)溫度、流量、pH值的檢測和調(diào)節(jié)并向智能控制站發(fā)送檢測數(shù)據(jù),同時接收來自智能控制站的控制信號和控制數(shù)據(jù)。
(2) 操作車間站 操作車間站包括陽極泥與鎳礦加料設(shè)備和三段流量現(xiàn)場控制系統(tǒng)。陽極泥與鎳礦加料在設(shè)備上采取自動攪拌,緩送填料方式,加料量由智能控制站給出,加料完成后將現(xiàn)場數(shù)據(jù)反送智能控制站,等待下次數(shù)據(jù)。三段流量現(xiàn)場控制系統(tǒng)主要控制除鐵過程中碳酸鎳溶液的流量、除銅過程中硫酸的流量、除鈷過程中精碳酸鎳的流量和氯氣通入量。由智能控制站統(tǒng)一調(diào)配,其數(shù)據(jù)通過上傳儀表檢測站的數(shù)據(jù)得到。在操作車間站設(shè)有系統(tǒng)應(yīng)急保護裝置,作為系統(tǒng)初調(diào)和故障時的手動切換控制,一旦系統(tǒng)投入運行,一切由智能控制站完成。
(3) 儀表檢測站 儀表檢測站主要負責(zé)傳感數(shù)據(jù)的采集,時刻采集系統(tǒng)過程中的pH值、氧化―還原電位、系統(tǒng)溫度、溶液流量等信息,并將數(shù)據(jù)上傳到智能控制站。
(4) 智能控制站 智能控制站是整個鎳電解三段控制系統(tǒng)的核心,該站接收來自儀表檢測站的數(shù)據(jù),并進行大量智能算法和控制策略的實現(xiàn),然后將數(shù)據(jù)下傳現(xiàn)場總線操作站,由總線操作站控制和督導(dǎo)操作車間站,同時要接收來自現(xiàn)場操作站的數(shù)據(jù)。
3 控制策略
鎳電解三段凈化控制過程存在大時滯、大慣性、非線性、多變量等特點,整個過程既有快速反應(yīng)過程,又有緩慢過程,既有連續(xù)狀態(tài)信號,又有大量離散狀態(tài)信號,現(xiàn)場控制復(fù)雜,單純的控制策略很難取得成效。針對這種混雜系統(tǒng),必須研究一種行之有效的控制策略。系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場工程師的操作經(jīng)驗和鎳電解三段凈化過程的特點,設(shè)計了一種以模糊控制為核心,神經(jīng)非線性內(nèi)模控制為輔助,同時增加專家控制和預(yù)測控制,構(gòu)成一種綜合的智能控制算法。
3.1 控制過程及控制器總體設(shè)計
控制過程及控制器的總體系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示,上端為智能控制器部分,中間為檢測及控制部分,下端為控制過程部分。
圖2 控制過程及智能控制器設(shè)計
FLC:模糊邏輯控制,建立一系列模糊控制規(guī)則,實現(xiàn)對系統(tǒng)的配方管理控制。
FLC+PREC:模糊邏輯控制+預(yù)測控制,分析和處理來自信號檢測傳感變送裝置的信號,并做出預(yù)測及控制規(guī)則。
NNC:神經(jīng)內(nèi)模控制,根據(jù)專家和現(xiàn)場工程師經(jīng)驗總結(jié),建立內(nèi)部模型,處于恒運行狀態(tài),對系統(tǒng)整體作出反應(yīng)。
EC:專家控制,對系統(tǒng)各模塊作出反應(yīng)并進行相互協(xié)調(diào),必要時對系統(tǒng)施加自己的控制行為。
3.2 模糊控制器設(shè)計
系統(tǒng)中檢測變量較多,控制內(nèi)容較多,不能采用同一種模糊規(guī)則,采取面向具體對象模糊控制規(guī)則設(shè)計,同時求取偏差e和偏差變量變化率,控制器設(shè)計為在偏差變化率
較小時采用FLC(模糊邏輯控制),在偏差變化率較大時,采用FLC+PREC(模糊控制+預(yù)測控制),模糊控制規(guī)則表的設(shè)計在原始控制流程記錄下有專家給出,根據(jù)溫度,流量,pH值等綜合因素設(shè)置有溫升、穩(wěn)降狀態(tài)條件下的模糊控制規(guī)則表。根據(jù)具體對象,分別驅(qū)動自己的子控制系統(tǒng),最大限度的實現(xiàn)解耦和干擾消除。
3.3 神經(jīng)非線性內(nèi)模控制器設(shè)計
鎳電解三段凈化過程是一個非線性控制過程,被控對象是非線性的,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的非線性逼近能力、優(yōu)化能力和容錯能力。典型的神經(jīng)內(nèi)模控制結(jié)構(gòu)如圖3所示,P為非線性被控對象,為對象的內(nèi)部模型,D為內(nèi)模控制器,內(nèi)部模型和內(nèi)模控制器由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。
對象P是具有d階時延的非線性系統(tǒng),u,y分別為系統(tǒng)的輸入、輸出,用差分方程描述為:
圖3 神經(jīng)非線性內(nèi)模控制器設(shè)計
內(nèi)部模型由神經(jīng)辨識器采用串―并聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn):
d階時延逆,由串―并聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn):
或
內(nèi)模控制器D取P的逆模型,此時D的輸入是濾波器F的輸出g,則將
代入,內(nèi)模控制器D為:
濾波器F(z)設(shè)計為:
設(shè)計神經(jīng)非線性內(nèi)模控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能良好的優(yōu)點。在控制的初始階段和干擾作用的初始階段, 與D中的權(quán)值不斷調(diào)整,系統(tǒng)具有自適應(yīng)性,通過適當(dāng)調(diào)整參數(shù),即可達到很好的控制效果。
3.4 專家控制
專家系統(tǒng)無法表達符號以外的知識,并且獲取知識難,實時性和自適應(yīng)性差,把專家的經(jīng)驗引入到控制系統(tǒng)中,結(jié)合模糊邏輯控制技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),形成基于專家監(jiān)督指導(dǎo)的智能控制系統(tǒng),將會取得更好的智能化控制效果。
4 控制軟件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計,主要有智能控制計算模塊、通訊模塊、控制參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、現(xiàn)場總線模塊、顯示與曲線模塊、數(shù)據(jù)庫構(gòu)成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
4.1 智能控制計算模塊
該模塊主要有模糊算法單元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元、專家單元和預(yù)測單元構(gòu)成,主要是大量的控制算法,數(shù)值計算,偏差比較等。
4.2 通訊模塊
該模塊包括數(shù)據(jù)采集上傳通訊,與現(xiàn)場總線的組態(tài)軟件的通訊,控制命令下傳通訊等,軟件采用模塊式編程,各負其責(zé)。
4.3 現(xiàn)場總線模塊和顯示、報表、打印、趨勢曲線模塊
該兩模塊主要是進行組態(tài)畫面,通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)以及組態(tài)軟件自身功能實現(xiàn)現(xiàn)場的控制和實時檢測。
4.4 數(shù)據(jù)采集處理模塊
該模塊主要實現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)處理,采用模塊化編程,針對不同的采集量,對定時采樣數(shù)據(jù)和實時采樣數(shù)據(jù)采取不同的算法,數(shù)據(jù)做歸一化處理,曲線擬合。
4.5 數(shù)據(jù)庫
實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建,現(xiàn)場數(shù)據(jù)的存儲,系統(tǒng)參數(shù),控制器參數(shù)的設(shè)置、修改、存儲,歷史趨勢曲線表的調(diào)用,實時趨勢曲線表的訪問,報表顯示,系統(tǒng)狀態(tài)查看等功能。
5 結(jié)論
在鎳三段凈化工序中,采用鎳電解三段凈化智能控制系統(tǒng),通過控制參數(shù)的設(shè)置即可完成控制效果的改變,減少了系統(tǒng)的硬件開銷,提高了系統(tǒng)的可靠性。同時,通過接入網(wǎng)絡(luò)功能,即可簡單實現(xiàn)管控系統(tǒng),若對系統(tǒng)整體進行雙機冗余,雙設(shè)備冗余和雙網(wǎng)絡(luò)冗余,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性將會大大提高,鎳電解精練工藝將更加成熟,生產(chǎn)能力不斷擴大,生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)將得到明顯提高。
圖4 控制軟件結(jié)構(gòu)