嵌入式电熔镁炉智能控制系统研究

摘要

电熔镁砂具有熔点高、抗氧化、绝缘性强等特性，主要用于生产各种类型的镁制耐火材料。电熔镁砂的生产过程以菱镁矿石为原料，采用我国特有的三相交流电熔镁炉进行熔炼，通过调整三相电极与熔池液面之间的位置来控制三相电极电流，使之产生电弧，通过电弧放热使炉内原料受热熔化形成熔液，熔液再经过冷却结晶后生成成品。电熔镁炉是一种典型的高耗能设备，电能成本占整个生产成本的60％以上，因此熔炼过程的控制目标是:在满足产量约束的前提下，使单吨合格产品所消耗的电能，即产品的单吨能耗指标处于目标值范围内并尽可能小。产品单吨能耗与三相电极电流值密切相关，熔炼过程要求将三相电极电流控制在理想的电流值范围内并尽量减小电流值波动。
　　电熔镁炉熔炼过程包括加热熔化、加料和排气三种正常工况，具有复杂的动态特性，主要体现在:1）以单吨能耗为输出，三相电极电流为输入的运行层模型具有强非线性、多变量耦合、熔炼机理不清、难以建立数学模型等特点，其动态特性受原料颗粒长度、杂质成分等边界条件和熔炼工况变化的影响。2）原料颗粒长度、杂质成分变化导致电极与熔池液面之间的电弧电阻变化进而造成电流异常波动时，电流设定值不做调整会造成“半熔化”、“过加热”、“加料异常”、“排气异常”等异常工况发生。3）单吨能耗无法在线检测，只能在熔炼过程结束后通过产品化验获得。4）以三相电极电流为输出，以三相拖动电机的转速和方向为输入的控制层模型在加料和排气工况下具有强非线性。
　　为了使电熔镁炉优化运行，控制系统需要能够实现电流设定控制、电流跟踪和逻辑控制、异常工况诊断和过程监控等四种功能。由于电熔镁炉熔炼环境恶劣，具有高粉尘、高温、强电磁干扰等特点，由可编程逻辑控制器(PLC)和计算机构成的常规控制系统难以安全可靠运行，因此需要研制能够一体化实现上述四种功能的智能控制系统。
　　电熔镁炉难以采用已有的运行优化控制方法，熔炼过程还处于人工设定控制状态，导致普遍存在单吨能耗高、产量低、异常工况频发等问题。本文在国家973计划项目“复杂生产制造全流程一体化控制系统整体控制策略与运行控制方法(2009CB320601)”的支持下，开展了嵌入式电熔镁炉智能控制系统的研究，取得的主要成果如下:
　　1、以将单吨能耗控制在目标值范围内并尽可能小为目标，提出了由电流闭环设定控制和跟踪电流设定值切换控制组成的电熔镁炉智能运行反馈控制方法。其中电流闭环设定控制算法由基于案例推理的电流预设定模块、单吨能耗混合预报模型、电流预设定值的前馈和反馈PI补偿模块组成;跟踪电流设定值切换控制算法由基于PID的加热熔化工况电流控制模块、基于规则推理的加料、排气工况电流控制模块和相应切换机制组成。
　　2、以能够及时发现和处理熔炼过程异常工况为目的，提出了由异常工况识别算法和自愈控制算法组成的数据驱动的电熔镁炉异常工况识别和自愈控制方法。其中，异常工况识别算法采用数据驱动的规则推理技术诊断熔炼过程的异常工况。当异常工况发生时，自愈控制模块采用案例推理技术获得电流设定值的调整量，通过控制电流跟踪调整后的设定值，使异常工况消除。
　　3、研制了能够一体化实现四种复杂功能的嵌入式电熔镁炉智能控制系统。设计了基于嵌入式PC/104总线的硬件平台，包括CPU主板和信号输入输出模块，并针对恶劣熔炼环境开发了信号隔离保护电路板。基于RTAI-Linux双内核实时嵌入式操作系统软件平台，采用所提出的智能运行反馈控制方法、异常工况识别和自愈控制方法，开发了电熔镁炉智能控制软件，该软件同时还具有逻辑控制、过程监控等功能。电熔镁炉智能控制软件将实现不同功能的程序分为实时程序和非实时程序两类，并通过实时硬件抽象层（RTHAL）和控制中间件实现两类程序之间的管理和调用。
　　4、开展了嵌入式电熔镁炉智能控制系统在电熔镁炉实际熔炼过程中的工业实验与应用研究。针对电流闭环设定控制算法、异常工况识别和自愈控制算法，进行了熔炼工况和生产边界条件频繁变化情况下的电流设定实验，实验结果表明采用上述算法能够及时获得合适的电流设定值，与人工设定相比，单吨能耗降低了3％，产品产量提高了1.2％，异常工况发生率降低了50％以上;针对跟踪电流设定值切换控制算法进行了电流回路控制效果的对比实验，实验结果表明采用跟踪电流设定值切换控制算法能够明显降低电流波动幅度，相对于人工控制方法，电流跟踪误差超出允许范围的比例降低了29.8％;实际工业运行效果表明，嵌入式电熔镁炉智能控制系统能够使单吨能耗降低6.2％，产量提高2.9％，并能保证熔炼过程安全稳定优化运行。针对其他类似的高耗能、高污染生产过程，本文研究的嵌入式电熔镁炉智能控制系统在生产过程的优化设定和一体化实现多种复杂控制功能等方面具有参考和推广价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 工业过程运行反馈控制研究现状

1．2．1 工业过程运行反馈控制的含义

1．2．2 基于模型的运行反馈控制方法

1．2．3 基于智能技术的运行反馈控制方法

1．3 电熔镁炉过程控制的研究现状

1．3．1 研究电熔镁炉运行反馈控制的必要性

1．3．2 电熔镁炉熔炼过程建模技术

1．3．3 电熔镁炉熔炼过程电流回路控制技术

1．3．4 电熔镁炉熔炼过程故障诊断技术

1．4 电熔镁炉自动控制装置的研究现状

1．5 存在的问题和本文的主要工作

第2章 电熔镁炉熔炼过程控制问题描述与控制现状分析

2．1 电熔镁炉熔炼过程工艺描述

2．1．1 电熔镁炉熔炼原理

2．1．2 电熔镁炉熔炼设备构成

2．1．3 电熔镁炉熔炼工艺过程介绍

2．2 电熔镁炉熔炼过程的控制目标

2．3 电熔镁炉熔炼过程特性分析

2．3．1 运行模型特性分析

2．3．2 异常工况特性分析

2．3．3 控制模型特性分析

2．4 电熔镁炉熔炼过程的控制难点

2．5 电熔镁炉熔炼过程控制现状和存在的问题

2．5．1 电熔镁炉熔炼过程控制现状

2．5．2 现有控制方式存在的主要问题

2．6 本章小结

第3章 电熔镁炉智能运行反馈控制方法

3．1 控制方法的结构和功能

3．2 电流闭环设定控制算法

3．2．1 基于案例推理的电流预设定模块

3．2．2 基于机理分析和神经网络的单吨能耗混合预报模型

3．2．3 基于PI控制和案例推理的电流预设定值前馈补偿模块

3．2．4 基于PI控制和案例推理的电流预设定值反馈补偿模块

3．3 跟踪电流设定值切换控制算法

3．3．1 基于PID的加热熔化工况电流控制模块

3．3．2 基于规则推理的加料工况电流控制模块

3．3．3 基于规则推理的排气工况电流控制模块

3．3．4 切换机制

3．4 本章小结

第4章 数据驱动的电熔镁炉异常工况识别和自愈控制方法

4．1 控制方法的结构和功能

4．2 数据驱动的异常工况识别算法

4．2．1 数据采集与处理模块

4．2．2 数据驱动的异常工况规则提取模块

4．2．3 异常工况规则推理模块

4．2．4 仿真对比实验

4．3 基于案例推理的自愈控制算法

4．4 本章小结

第5章 嵌入式电熔镁炉智能控制系统的设计和实现

5．1 嵌入式电熔镁炉智能控制系统结构和功能设计

5．2 嵌入式电熔镁炉智能控制系统硬件设计与开发

5．2．1 嵌入式电熔镁炉智能控制系统硬件结构设计

5．2．2 嵌入式电熔镁炉智能控制系统硬件平台设计

5．2．3 信号隔离保护电路板的设计与开发

5．2．4 硬件驱动程序开发

5．2．5 嵌入式电熔镁炉控制系统防尘、散热设计

5．2．6 执行机构与检测装置

5．3 嵌入式电熔镁炉智能控制系统软件设计与开发

5．3．1 软件开发平台

5．3．2 嵌入式操作系统

5．3．3 电熔镁炉智能控制软件结构和功能设计

5．3．4 电熔镁炉智能控制软件开发

5．4 本章小结

第6章 工业实验与应用研究

6．1 应用背景简介

6．2 控制算法参数选择

6．3 实验研究

6．3．1 电流跟踪控制效果

6．3．2 电流设定控制效果

6．4 工业应用

6．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读博士期间所获学术成果和所做科研项目

作者简介