回转窑煅烧过程综合协调控制方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种电解铝炭素阳极的熟料煅烧过程中 回转窑的控制方法及系统。
【背景技术】
[0002] 炭素阳极在铝电解槽生产过程中起着十分重要的作用，它作为导体将直流电导入 电解槽，并作为电解槽阳极材料参与阳极反应过程。每生产一吨原铝要消耗500公斤左右 的炭素阳极。因此，炭素阳极的各项质量指标直接影响到电解槽的正常生产及原铝的产量、 质量、炭耗和电耗等各项技术经济指标。
[0003] 炭素阳极的熟料煅烧的重要设备是炭素回转窑，回转窑运行情况的好坏，直接影 响着炭素熟料的产量、质量和能耗。其设备具有以下几方面特点：
[0004] 1)回转窑是一个大惯性、大滞后性、存在时变参数的控制对象，即使是最简单的回 转窑，物料在窑内的运动过程也是高度非线性、复杂的，它不仅涉及到复杂的传热、传质机 理，还与窑内物质的物料特性密切相关；
[0005] 2)关键工艺参数难以准确及时的测量，窑体结构的主要部分处于回转状态，检测 仪器通常只能安装在窑的两端，导致关键工艺参数难以准确及时的测量，因此我们很难定 量的描述封闭窑内的热工状况；这种参数信息的模糊性，使得建模的难度非常大，导致传统 的控制策略难以实施；
[0006] 3)控制手段多样化，各控制手段之间耦合现象严重；其控制手段包括回转窑转 速、给料量、负压、旋风除尘及二、三次风量等多种控制手段，每种控制手段在一定工况下都 可以产生影响回转窑煅烧的正反两种趋势，从而造成回转窑控制的严重耦合、工作稳点区 域狭小等问题，难以找到控制手段较优的配合方法。
[0007] 国外一些国家（如美国）已经实现了炭素回转窑的自动控制，但是我国在这方面 的研究和发展相对落后，由此导致了煅烧生产的指标低于这些国家的水平。80年代末期， 在工业发达的国家，已普遍实现了回转窑煅烧过程的计算机双级稳定化控制。其中以法国 SATERAM公司及瑞士 R&D公司为代表的燃烧装置及控制系统，领导着世界上石油焦煅烧生 产的最先进水平，不但提高了炭块煅烧的均质性，降低了煅烧炉的单位能耗，而且促进了环 保效果，提高了经济效益。
[0008] 国内从80年代初开始进入回转窑煅烧过程计算机控制应用阶段。长期以来，科研 技术人员进行了大量研究工作，将数学模型与窑温控制相结合，引入自动控制的方法，在多 家回转窑煅烧过程进行了计算机控制尝试。例如，云南铝厂、贵州铝厂、包头铝厂等在不同 程度上对回转窑煅烧过程进行了计算机自动化控制，有一定的成效。但回转窑煅烧过程计 算机控制水平与工业发达国家相比，起步晚、差距比较大，并且发展十分不平衡。到目前为 止，国内相当一部分回转窑煅烧过程还是手动操作，加上工艺技术落后，工作环境恶劣，设 备陈旧，造成回转窑长期处于不经济状态，严重影响煅后焦质量。同时，劳动生产率低，能耗 大，环境污染严重。这些差距严重威胁到我国铝业的生存和发展，大大削弱了其参与国际市 场竞争的能力。
[0009] 现有炭素回转窑煅烧控制技术主要存在如下缺陷：
[0010] 1)石油焦原料在回转窑内煅烧过程温度可以达到1200~1300°C，炭素晶格细化 致密化，以满足煅后焦真密度、比电阻指标；但是国内煅烧带温度的测量粗糙，不能真实反 映的煅烧带温度、位置、长度数据，煅烧带形成控制全靠操作人员经验人工调节，自动控制 尚是空白；
[0011] 2)大多数回转窑控制系统结构分为过程自动化级和基础自动化级两层，但是在过 程自动化控制过程中，由于现场环境影响和回转窑自身系统的复杂性，所以一般控制系统 中的控制手段多为单一量操作；但是单一变量的操作使得该变量与其他控制变量的耦合关 系难以排除，系统难以通过优化的方式运行到更优稳定点上；
[0012] 3)加入第三级专家控制和故障诊断系统，改变了原有系统的双级控制通信拓扑结 构，没有实现DCS (分布式集散控制系统），第三级专家控制和故障诊断系统无法与下面两 级系统进行有效数据通信，从而无法实现回转煅烧窑工艺全过程的计算机集成监视控制。
【发明内容】
[0013] 本发明针对当前铝电解阳极炭素回转窑煅烧检测与自动控制系统现状，提供一种 回转窑煅烧过程综合协调控制方法及系统，以克服现有技术存在的煅烧带温度的测量粗 糙，不能真实反映的煅烧带温度、位置、长度数据的问题；同时从回转窑生产工艺控制角度 出发，发明一种铝电解阳极炭素回转窑的分布式集散控制系统，将计算机、专家系统、优化 技术、数据分析理论、数据通信等技术进行有机融合；在现有回转窑自动控制的基础上，加 入一种高效、稳定、实时的网络通信方案，在不破坏原来通信系统的基础上，建立统一数据 库实现新系统与原系统的有效信息交互，并通过通信系统协助实现一、二、三级分布式集散 控制系统的回转窑煅烧过程综合协调控制，克服集中式控制系统中对控制器处理能力和可 靠性要求高的缺陷，将控制和管理功能分开，以实现信息、操作管理集中化和控制分散化， 从而达到提高产品质量、节能降耗、可靠稳定运行的目标。考虑到系统设备增添、调整和升 级，在系统配置上充分考虑了系统软、硬件资源的可扩展性，以便往后在不影响现有设备运 行的情况下，即可将系统扩大升级成包含多台回转窑的全厂计算机自动控制系统。
[0014] 为实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种回转窑煅烧过程综合协调控 制方法，其包括：
[0015] 1)根据窑皮温度和窑内温度的非线性传热关系，按照BP神经网络和有限元模拟 的混合建模方法，建立窑内温度与窑皮温度的非线性映射关系；
[0016] 2)利用红外窑体扫描设备对回转窑的窑皮温度进行实时连续的数据采集，并根据 窑内温度与窑皮温度的非线性映射关系，构建窑内温度的温度曲线，利用最小二乘法进行 窑内温度的数据拟合，并根据煅烧带建立标准，计算煅烧带及窑内热值信息；
[0017] 3)根据煅烧带信息以及现场工艺直接采集参数，按照自动控制程序调节多种控制 手段形成煅烧带，完成回转窑煅烧过程综合协调控制；
[0018] 其中，所计算的煅烧带信息包括煅烧带平均温度、长度、位置等；所采用的多种控 制手段包括二次风、三次风、窑转速、引风机、给料量等。
[0019] 优选的，所述窑内温度与窑皮温度的非线性映射关系的建立方法包括以下步骤：
[0020] 1)建立光学测温计历史数据集：利用回转窑煅烧过程数据库中获取的2-3个月表 征窑内温度和窑皮温度的历史数据，其中排除掉天气变化引起的窑皮温度变化，例如下雪， 下雨造成温度骤降问题；
[0021] 2)建立回转窑传热系数模型：在回转窑传热机理的基础上，获取回转窑内壁与煅 烧原料颗粒间换热模型的基本构成；再根据窑内衬材料的构成，研究窑内的温度梯度，构建 窑内壁与窑皮在正常天气情况下的温度非线性关系，即回转窑传热系统本质动态特性的数 学模型；
[0022] 3)使用BP神经网络与有限元模拟的混合建模方法对回转窑传热系统本质动态特 性及热应力进行数学建模。
[0023] 优选