CN111910217A - 高效铝电解生产智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效铝电解生产智能控制系统，包括：铝电解生产控制系统，包括：zigbee协调器和若干数据采集节点；其中所述数据采集节点适于采集电解质温度数据和铝水平数据，并通过zigbee协调器发送至一服务器；本发明的铝电解生产控制系统通过各数据采集节点采集电解质温度数据和铝水平数据，以对采集的电解质温度数据和铝水平数据进行分析处理，以选取到电流效率较大、又比较容易控制的的生产工艺参数，从而提高铝电解生产效率，降低工厂的生产成本。

Description

高效铝电解生产智能控制系统

技术领域

本发明涉及工业铝电解生产技术领域，具体涉及一种铝电解生产控制系统。

背景技术

铝电解生产过程是一个时变、非线性、大时滞的复杂工业过程，电解槽参数众多，参数之间存在强耦合性，导致铝电解过程控制困难，电解效率过低，能耗过高，成本过高的问题。

在当前大多数铝厂的铝电解方式大多都是依靠人工调控参数，根据理论公式和粗略的经验公式，主观性强，盲目性大。会引发由多种参数调控的不合理以及不准确性而导致能量损耗，铝电解效率低的问题。

当前部分铝厂采用基于物联网的采集与监控系统，但目前主要停留在对数据进行采集和存储的阶段，没有达到对数据进行更深入的分析和挖掘的层次，不能进行较好的生产工艺参数设定。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝电解生产控制系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种铝电解生产控制系统，包括：zigbee协调器和若干数据采集节点；其中所述数据采集节点适于采集电解质温度数据和铝水平数据，并通过zigbee协调器发送至一服务器。

进一步，所述服务器对采集到的电解质温度数据和铝水平数据使用线性回归正规方程求解铝电解生产工艺参数，即

θ＝(X^TX)^-1X^Ty；

其中：矩阵X＝(X⁽¹⁾，X⁽²⁾，X⁽³⁾，X⁽⁴⁾)；X⁽¹⁾为电解质温度；X⁽²⁾为铝水平；X⁽³⁾为电解质中过剩的AlF3量；X⁽⁴⁾为槽龄；y为电流效率目标向量；θ为线性回归系数向量，且θ＝(θ⁽¹⁾，θ⁽²⁾，θ⁽³⁾，θ⁽⁴⁾)。

进一步，求解经验公式与线性回归参数的最佳组合比例系数，即目标函数L为：

其中：C₁为线性回归组合比例系数；C₂为伯奇-格洛泰姆方程组合比例系数；C₃为实际经验公式组合比例系数；i表示第i个样本；N为总样本数；

再使用梯度下降法求解C(C₁，C₂，C₃)，即

其中：α为步长；

当L(C)最小，即

趋近0时，迭代所得的C^*(C₁ ^*，C₂ ^*，C₃ ^*)为最优解。

进一步，根据迭代所得的C^*得到线性回归组合比例归一化系数a₁、伯奇-格洛泰姆方程组合比例归一化系数a₂和实际经验公式组合比例归一化系数a₃，即

根据a₁、a₂和a₃得到当前电流效率y_s与当前相关工艺参数的关系为：

y_s＝a₁X_sθ+a₂(-0.1388X_s ⁽¹⁾+0.59X_s ⁽³⁾+58.9sin(3X_s ⁽²⁾)-0.032X_s ⁽⁴⁾+163.7)+a₃(-0.051X_s ⁽⁴⁾+90.8)---公式(1)；

其中：X_s为当前工艺参数向量，X_s ⁽¹⁾为当前电解质温度；X_s ⁽²⁾为当前铝水平；X_s ⁽³⁾为当前电解质中过剩的AlF3量；X_s ⁽⁴⁾为槽龄。

进一步，遍历电解质温度t和铝水平h的可能取值，得到电流效率y为极大值的M组值及相应的电解质温度t和铝水平h，即

将电解质温度从t1增加到t2，每次增加Δt，且当电解质温度每到一个新的值后，保持电解质温度不变；

然后将铝水平从h1增加到h2，每次增加Δh；

将每次增加后的电解质温度与铝水平代入公式(1)中，得到多个电流效率值，从而得到电流效率为极大值的M组值及相应的电解质温度t和铝水平h；以及

从M组值中选取最适合的生产工艺参数；

其中：M为大于1的整数。

进一步，从M组值中选取对应生产工艺参数比较容易控制的电流效率极大值，即

将当前电流效率y_s的计算公式改写为以t，h为函数自变量，则

y_s＝f(t，h)＝a₁(θ⁽¹⁾t+θ⁽²⁾h+θ⁽³⁾X_s ⁽³⁾+θ⁽⁴⁾X_s ⁽⁴⁾)+a₂(-0.1388t+58.9sin(3h)-0.59X_s ⁽³⁾-0.032X_s ⁽⁴⁾+163.7)+a₃(-0.051X_s ⁽⁴⁾+90.8)---公式(2)；

根据公式(2)，以及采用有限差分法计算距各个极大值点(Δt，Δh)的四个点的梯度分别为：

则令第M组极值点周边的梯度模均值D_M为：

则

其中：y_sM为第M组电流效率；

根据P_M的值设定最适合的生产工艺参数，即

P_M越大，表明电流效率极大时，其变化也相对较平缓，则M组值中对应P_M最大的值为最适合的生产工艺参数。

本发明的有益效果是，本发明的铝电解生产控制系统通过各数据采集节点采集电解质温度数据和铝水平数据，以对采集的电解质温度数据和铝水平数据进行分析处理，以选取到电流效率较大、又比较容易控制的的生产工艺参数，从而提高铝电解生产效率，降低工厂的生产成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明铝电解生产控制系统的原理框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例1提供了一种铝电解生产控制系统，包括：zigbee协调器和若干数据采集节点；其中所述数据采集节点适于采集电解质温度数据和铝水平数据，并通过zigbee协调器发送至一服务器。

进一步，所述服务器对采集到的电解质温度数据和铝水平数据使用线性回归正规方程求解铝电解生产工艺参数，即

θ＝(X^TX)^-1X^Ty；

其中：矩阵X＝(x⁽¹⁾，X⁽²⁾，X⁽³⁾，X⁽⁴⁾)；X⁽¹⁾为电解质温度；X⁽²⁾为铝水平；X⁽³⁾为电解质中过剩的AlF3量；X⁽⁴⁾为槽龄；y为电流效率目标向量；θ为线性回归系数向量，且θ＝(θ⁽¹⁾，θ⁽²⁾，θ⁽³⁾，θ⁽⁴⁾)。

具体的，电解质中过剩的AlF3量可以根据铝电解质分子比计算得到；槽龄可以从工厂购买与使用电解槽管理记录中得到。

前述所求解的铝电解生产工艺参数需要采集较大数量的电解质温度数据和铝水平数据，且对采集的数据的准确性要求较高，而实际铝电解生产车间环境非常复杂，很难得到理想的电解质温度数据和铝水平数据，为了解决此问题，本实施例通过结合铝电解生产中常用的理论与实际经验公式，求解经验公式与线性回归参数的最佳组合比例系数，即所述步骤S2中的根据电解质数据求解铝电解生产工艺参数的方法还包括：求解经验公式与线性回归参数的最佳组合比例系数，即目标函数L为：

其中：C₁为线性回归组合比例系数；C₂为伯奇-格洛泰姆方程组合比例系数；C₃为实际经验公式组合比例系数；i表示第i个样本；N为总样本数；

再使用梯度下降法求解C(C₁，C₂，C₃)，即

其中：α为步长；

当L(C)最小，即

趋近0时，迭代所得的C^*(C₁ ^*，C₂ ^*，C₃ ^*)为最优解。

进一步，根据迭代所得的C^*得到线性回归组合比例归一化系数a₁、伯奇-格洛泰姆方程组合比例归一化系数a₂和实际经验公式组合比例归一化系数a₃，即

根据a₁、a₂和a₃得到当前电流效率y_s与当前相关工艺参数的关系为：

y_s＝a₁X_sθ+a₂(-0.1388X_s ⁽¹⁾+0.59X_s ⁽³⁾+58.9sin(3X_s ⁽²⁾)-0.032X_s ⁽⁴⁾+163.7)+a₃(-0.051X_s ⁽⁴⁾+90.8)---公式(1)；

其中：X_s为当前工艺参数向量，X_s ⁽¹⁾为当前电解质温度；X_s ⁽²⁾为当前铝水平；X_s ⁽³⁾为当前电解质中过剩的AlF3量；X_s ⁽⁴⁾为槽龄。

具体的，通过计算a₁、a₂和a₃，能够规避部分数据测量不精确不理想的问题，也可以规避由人工设定或单纯根据经验公式设定的主观性强、盲目性大的缺点，最大限度提高了铝电解生产中的电流效率，并降低了工厂的生产成本。

进一步，遍历电解质温度t和铝水平h的可能取值，得到电流效率y为极大值的M组值及相应的电解质温度t和铝水平h，即

将电解质温度从t1增加到t2，每次增加Δt(如从930摄氏度增加到960摄氏度，每次增加0.1摄氏度)，且当电解质温度每到一个新的值后，保持电解质温度不变；

然后将铝水平从h1增加到h2，每次增加Δh(如从15cm增加到20cm，每次增加0.1cm)；

将每次增加后的电解质温度与铝水平代入公式(1)中，得到多个电流效率值，从而得到电流效率为极大值的M组值及相应的电解质温度t和铝水平h；以及

从M组值中选取最适合的生产工艺参数；

其中：M为大于1的整数，可以由用户设定(如2，3，4，优选取M＝2或M＝3)。

M组值中尽管电流效率为极大值，但某些值对应的电流效率变化变化比较剧烈，导致生产工艺参数不好控制，因此生产工艺参数的参数选取需兼顾电流效率的最大与生产工艺参数的易控制性，即需要选取电流效率较大，生产工艺参数又比较容易控制的极大值点。

具体的，从M组值中选取对应生产工艺参数比较容易控制的电流效率极大值，即

将当前电流效率y_s的计算公式改写为以t，h为函数自变量，则

y_s＝f(t，h)＝a₁(θ⁽¹⁾t+θ⁽²⁾h+θ⁽³⁾X_s ⁽³⁾+θ⁽⁴⁾X_s ⁽⁴⁾)+a₂(-0.1388t+58.9sin(3h)-0.59X_s ⁽³⁾-0.032X_s ⁽⁴⁾+163.7)+a₃(-0.051X_s ⁽⁴⁾+90.8)---公式(2)；

根据公式(2)，以及采用有限差分法计算距各个极大值点(Δt，Δh)的四个点的梯度分别为：

则令第M组极值点周边的梯度模均值D_M为：

则

其中：y_sM为第M组电流效率；

根据P_M的值设定最适合的生产工艺参数，即

通过P_M的值来衡量电流效率极大值时，其变化剧烈程度，具体的，P_M越大，表明电流效率极大时，其变化也相对较平缓，则M组值中对应P_M最大的值为最适合的生产工艺参数。

具体的，通过梯度模均值D_M和P_M，能够从多个生产工艺参数中选取相对平缓、最适合的生产工艺参数，提高铝电解生产过程的稳定性，以使铝电解生产效率更高。

综上所述，本发明的铝电解生产控制系统通过各数据采集节点采集电解质温度数据和铝水平数据，以对采集的电解质温度数据和铝水平数据进行分析处理，以选取到电流效率较大、又比较容易控制的生产工艺参数，从而提高铝电解生产效率，降低工厂的生产成本。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种铝电解生产控制系统，其特征在于，包括：

zigbee协调器和若干数据采集节点；其中

所述数据采集节点适于采集电解质温度数据和铝水平数据，并通过zigbee协调器发送至一服务器。

2.根据权利要求1所述的铝电解生产控制系统，其特征在于，

所述服务器对采集到的电解质温度数据和铝水平数据使用线性回归正规方程求解铝电解生产工艺参数，即

θ＝(X^TX)^-1X^Ty；

其中：矩阵X＝(X⁽¹⁾，X⁽²⁾，X⁽³⁾，X⁽⁴⁾)；X⁽¹⁾为电解质温度；X⁽²⁾为铝水平；X⁽³⁾为电解质中过剩的AlF3量；X⁽⁴⁾为槽龄；y为电流效率目标向量；θ为线性回归系数向量，且θ＝(θ⁽¹⁾，θ⁽²⁾，θ⁽³⁾，θ⁽⁴⁾)。

3.根据权利要求2所述的铝电解生产控制系统，其特征在于，

求解经验公式与线性回归参数的最佳组合比例系数，即目标函数L为：

其中：C₁为线性回归组合比例系数；C₂为伯奇-格洛泰姆方程组合比例系数；C₃为实际经验公式组合比例系数；i表示第i个样本；N为总样本数；

再使用梯度下降法求解C(C₁，C₂，C₃)，即

其中：α为步长；

当L(C)最小，即

趋近0时，迭代所得的C^*(C₁ ^*，C₂ ^*，C₃ ^*)为最优解。

4.根据权利要求3所述的铝电解生产控制系统，其特征在于，

根据迭代所得的C^*得到线性回归组合比例归一化系数a₁、伯奇-格洛泰姆方程组合比例归一化系数a₂和实际经验公式组合比例归一化系数a₃，即

根据a₁、a₂和a₃得到当前电流效率y_s与当前相关工艺参数的关系为：

y_s＝a₁X_sθ+a₂(-0.1388X_s ⁽¹⁾+0.59X_s ⁽³⁾+58.9sin(3X_s ⁽²⁾)-0.032X_s ⁽⁴⁾+163.7)+a₃(-0.051X_s ⁽⁴⁾+90.8)---公式(1)；

其中：X_s为当前工艺参数向量，X_s ⁽¹⁾为当前电解质温度；X_s ⁽²⁾为当前铝水平；X_s ⁽³⁾为当前电解质中过剩的AlF3量；X_s ⁽⁴⁾为槽龄。

5.根据权利要求4所述的铝电解生产控制系统，其特征在于，

遍历电解质温度t和铝水平h的可能取值，得到电流效率y为极大值的M组值及相应的电解质温度t和铝水平h，即

将电解质温度从t1增加到t2，每次增加Δt，且当电解质温度每到一个新的值后，保持电解质温度不变；

然后将铝水平从h1增加到h2，每次增加Δh；

将每次增加后的电解质温度与铝水平代入公式(1)中，得到多个电流效率值，从而得到电流效率为极大值的M组值及相应的电解质温度t和铝水平h；以及

从M组值中选取最适合的生产工艺参数；

其中：M为大于1的整数。

6.根据权利要求5所述的铝电解生产控制系统，其特征在于，

从M组值中选取对应生产工艺参数比较容易控制的电流效率极大值，即将当前电流效率y_s的计算公式改写为以t，h为函数自变量，则

y_s＝f(t，h)＝a₁(θ⁽¹⁾t+θ⁽²⁾h+θ⁽³⁾X_s ⁽³⁾+θ⁽⁴⁾X_s ⁽⁴⁾)+a₂(-0.1388t+58.9sin(3h)-0.59X_s ⁽³⁾-0.032X_s ⁽⁴⁾+163.7)+a₃(-0.051X_s ⁽⁴⁾+90.8)---公式(2)；

根据公式(2)，以及采用有限差分法计算距各个极大值点(Δt，Δh)的四个点的梯度分别为：

则令第M组极值点周边的梯度模均值D_M为：

则

其中：y_sM为第M组电流效率；

根据P_M的值设定最适合的生产工艺参数，即

P_M越大，表明电流效率极大时，其变化也相对较平缓，则M组值中对应P_M最大的值为最适合的生产工艺参数。

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