今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
1 引言
鎳電解車間的三段凈化工序（除鐵、除銅、除鈷）是整個鎳精練系統的關鍵環節，陽極液的凈化深度直接決定著電鎳的品位。由于電解現場物化條件差，設備（尤其是傳感元件）的可靠性不高，由于設備容量大，料液充分混合和反應時間長，在控制上出現大滯后，料液配比也很難達到自動控制，傳統自動控制系統很難達到較好的控制效果，本文根據現場工藝過程，基于現場工程師控制經驗的總結，提出一種包含神經網絡建模、多變量模糊控制、專家控制和預測控制相結合的智能控制系統，以良好的控制效果提高系統的工藝水平。
2 系統結構
系統分為現場總線控制系統站、操作車間站（加料設備站、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。系統結構如圖1所示。
圖1 軟件系統結構
(1) FCS操作站 采用Profibus總線與現場總線操作站進行數據傳遞，實現系統溫度、流量、pH值的檢測和調節并向智能控制站發送檢測數據，同時接收來自智能控制站的控制信號和控制數據。
(2) 操作車間站 操作車間站包括陽極泥與鎳礦加料設備和三段流量現場控制系統。陽極泥與鎳礦加料在設備上采取自動攪拌，緩送填料方式，加料量由智能控制站給出，加料完成后將現場數據反送智能控制站，等待下次數據。三段流量現場控制系統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。由智能控制站統一調配，其數據通過上傳儀表檢測站的數據得到。在操作車間站設有系統應急保護裝置，作為系統初調和故障時的手動切換控制，一旦系統投入運行，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傳感數據的采集，時刻采集系統過程中的pH值、氧化―還原電位、系統溫度、溶液流量等信息，并將數據上傳到智能控制站。
(4) 智能控制站 智能控制站是整個鎳電解三段控制系統的核心，該站接收來自儀表檢測站的數據，并進行大量智能算法和控制策略的實現，然后將數據下傳現場總線操作站，由總線操作站控制和督導操作車間站，同時要接收來自現場操作站的數據。
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過程，又有緩慢過程，既有連續狀態信號，又有大量離散狀態信號，現場控制復雜，單純的控制策略很難取得成效。針對這種混雜系統，必須研究一種行之有效的控制策略。系統根據現場工程師的操作經驗和鎳電解三段凈化過程的特點，設計了一種以模糊控制為核心，神經非線性內模控制為輔助，同時增加專家控制和預測控制，構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計
控制過程及控制器的總體系統設計如圖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計
FLC：模糊邏輯控制，建立一系列模糊控制規則，實現對系統的配方管理控制。
FLC+PREC：模糊邏輯控制+預測控制，分析和處理來自信號檢測傳感變送裝置的信號，并做出預測及控制規則。
NNC：神經內模控制，根據專家和現場工程師經驗總結，建立內部模型，處于恒運行狀態，對系統整體作出反應。
EC：專家控制，對系統各模塊作出反應并進行相互協調，必要時對系統施加自己的控制行為。
3.2 模糊控制器設計
系統中檢測變量較多，控制內容較多，不能采用同一種模糊規則，采取面向具體對象模糊控制規則設計，同時求取偏差e和偏差變量變化率
，控制器設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+預測控制），模糊控制規則表的設計在原始控制流程記錄下有專家給出，根據溫度，流量，pH值等綜合因素設置有溫升、穩降狀態條件下的模糊控制規則表。根據具體對象，分別驅動自己的子控制系統，最大限度的實現解耦和干擾消除。
3.3 神經非線性內模控制器設計
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，神經網絡具有很強的非線性逼近能力、優化能力和容錯能力。典型的神經內模控制結構如圖3所示，P為非線性被控對象，
為對象的內部模型，D為內模控制器，內部模型和內模控制器由神經網絡來實現。
對象P是具有d階時延的非線性系統，u，y分別為系統的輸入、輸出，用差分方程描述為：
圖3 神經非線性內模控制器設計
內部模型
由神經辨識器采用串―并聯結構實現：
d階時延逆
，由串―并聯神經網絡實現：
或 
內模控制器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，內模控制器D為：
濾波器F(z)設計為：
設計神經非線性內模控制器具有結構簡單、性能良好的優點。在控制的初始階段和干擾作用的初始階段， 與D中的權值不斷調整，系統具有自適應性，通過適當調整參數，即可達到很好的控制效果。
3.4 專家控制
專家系統無法表達符號以外的知識，并且獲取知識難，實時性和自適應性差，把專家的經驗引入到控制系統中，結合模糊邏輯控制技術和神經網絡技術，形成基于專家監督指導的智能控制系統，將會取得更好的智能化控制效果。
4 控制軟件結構
系統軟件采用模塊化設計，主要有智能控制計算模塊、通訊模塊、控制參數設置模塊、數據采集處理模塊、現場總線模塊、顯示與曲線模塊、數據庫構成，其系統結構如圖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、神經網絡單元、專家單元和預測單元構成，主要是大量的控制算法，數值計算，偏差比較等。
4.2 通訊模塊
該模塊包括數據采集上傳通訊，與現場總線的組態軟件的通訊，控制命令下傳通訊等，軟件采用模塊式編程，各負其責。
4.3 現場總線模塊和顯示、報表、打印、趨勢曲線模塊
該兩模塊主要是進行組態畫面，通過動態數據交換（DDE）以及組態軟件自身功能實現現場的控制和實時檢測。
4.4 數據采集處理模塊
該模塊主要實現采集的數據處理，采用模塊化編程，針對不同的采集量，對定時采樣數據和實時采樣數據采取不同的算法，數據做歸一化處理，曲線擬合。
4.5 數據庫
實現歷史數據庫的創建，現場數據的存儲，系統參數，控制器參數的設置、修改、存儲，歷史趨勢曲線表的調用，實時趨勢曲線表的訪問，報表顯示，系統狀態查看等功能。
5 結論
在鎳三段凈化工序中，采用鎳電解三段凈化智能控制系統，通過控制參數的設置即可完成控制效果的改變，減少了系統的硬件開銷，提高了系統的可靠性。同時，通過接入網絡功能，即可簡單實現管控系統，若對系統整體進行雙機冗余，雙設備冗余和雙網絡冗余，系統的穩定性和可靠性將會大大提高，鎳電解精練工藝將更加成熟，生產能力不斷擴大，生產技術指標將得到明顯提高。
圖4 控制軟件結構
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號