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1 引言
鎳電解車間的三段凈化工序（除鐵、除銅、除鈷）是整個(gè)鎳精練系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，陽(yáng)極液的凈化深度直接決定著電鎳的品位。由于電解現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間長(zhǎng)，在控制上出現(xiàn)大滯后，料液配比也很難達(dá)到自動(dòng)控制，傳統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)很難達(dá)到較好的控制效果，本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝過(guò)程，基于現(xiàn)場(chǎng)工程師控制經(jīng)驗(yàn)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(cè)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(chǎng)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(cè)站（pH值檢測(cè)、氧化―還原電位檢測(cè)、溫度檢測(cè)、流量檢測(cè)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(chǎng)總線操作站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度、流量、pH值的檢測(cè)和調(diào)節(jié)并向智能控制站發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)接收來(lái)自智能控制站的控制信號(hào)和控制數(shù)據(jù)。
(2) 操作車間站 操作車間站包括陽(yáng)極泥與鎳礦加料設(shè)備和三段流量現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)。陽(yáng)極泥與鎳礦加料在設(shè)備上采取自動(dòng)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(chǎng)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(chǎng)控制系統(tǒng)主要控制除鐵過(guò)程中碳酸鎳溶液的流量、除銅過(guò)程中硫酸的流量、除鈷過(guò)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(guò)上傳儀表檢測(cè)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(hù)裝置，作為系統(tǒng)初調(diào)和故障時(shí)的手動(dòng)切換控制，一旦系統(tǒng)投入運(yùn)行，一切由智能控制站完成。
(3) 儀表檢測(cè)站 儀表檢測(cè)站主要負(fù)責(zé)傳感數(shù)據(jù)的采集，時(shí)刻采集系統(tǒng)過(guò)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(gè)鎳電解三段控制系統(tǒng)的核心，該站接收來(lái)自儀表檢測(cè)站的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行大量智能算法和控制策略的實(shí)現(xiàn)，然后將數(shù)據(jù)下傳現(xiàn)場(chǎng)總線操作站，由總線操作站控制和督導(dǎo)操作車間站，同時(shí)要接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)操作站的數(shù)據(jù)。
3 控制策略
鎳電解三段凈化控制過(guò)程存在大時(shí)滯、大慣性、非線性、多變量等特點(diǎn)，整個(gè)過(guò)程既有快速反應(yīng)過(guò)程，又有緩慢過(guò)程，既有連續(xù)狀態(tài)信號(hào)，又有大量離散狀態(tài)信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)控制復(fù)雜，單純的控制策略很難取得成效。針對(duì)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(chǎng)工程師的操作經(jīng)驗(yàn)和鎳電解三段凈化過(guò)程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(shí)增加專家控制和預(yù)測(cè)控制，構(gòu)成一種綜合的智能控制算法。
3.1 控制過(guò)程及控制器總體設(shè)計(jì)
控制過(guò)程及控制器的總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示，上端為智能控制器部分，中間為檢測(cè)及控制部分，下端為控制過(guò)程部分。
圖2 控制過(guò)程及智能控制器設(shè)計(jì)
FLC：模糊邏輯控制，建立一系列模糊控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的配方管理控制。
FLC+PREC：模糊邏輯控制+預(yù)測(cè)控制，分析和處理來(lái)自信號(hào)檢測(cè)傳感變送裝置的信號(hào)，并做出預(yù)測(cè)及控制規(guī)則。
NNC：神經(jīng)內(nèi)模控制，根據(jù)專家和現(xiàn)場(chǎng)工程師經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，建立內(nèi)部模型，處于恒運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)整體作出反應(yīng)。
EC：專家控制，對(duì)系統(tǒng)各模塊作出反應(yīng)并進(jìn)行相互協(xié)調(diào)，必要時(shí)對(duì)系統(tǒng)施加自己的控制行為。
3.2 模糊控制器設(shè)計(jì)
系統(tǒng)中檢測(cè)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(duì)象模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)，同時(shí)求取偏差e和偏差變量變化率
，控制器設(shè)計(jì)為在偏差變化率較小時(shí)采用FLC（模糊邏輯控制），在偏差變化率較大時(shí)，采用FLC+PREC（模糊控制+預(yù)測(cè)控制），模糊控制規(guī)則表的設(shè)計(jì)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(duì)象，分別驅(qū)動(dòng)自己的子控制系統(tǒng)，最大限度的實(shí)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(jì)
鎳電解三段凈化過(guò)程是一個(gè)非線性控制過(guò)程，被控對(duì)象是非線性的，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性逼近能力、優(yōu)化能力和容錯(cuò)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(duì)象，
為對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)。
對(duì)象P是具有d階時(shí)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(jì)
內(nèi)部模型
由神經(jīng)辨識(shí)器采用串―并聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)：
d階時(shí)延逆
，由串―并聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)：
或 
內(nèi)模控制器D取P的逆模型
，此時(shí)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(jì)為：
設(shè)計(jì)神經(jīng)非線性內(nèi)模控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能良好的優(yōu)點(diǎn)。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(guò)適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，即可達(dá)到很好的控制效果。
3.4 專家控制
專家系統(tǒng)無(wú)法表達(dá)符號(hào)以外的知識(shí)，并且獲取知識(shí)難，實(shí)時(shí)性和自適應(yīng)性差，把專家的經(jīng)驗(yàn)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(huì)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(jì)，主要有智能控制計(jì)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(chǎng)總線模塊、顯示與曲線模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
4.1 智能控制計(jì)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(cè)單元構(gòu)成，主要是大量的控制算法，數(shù)值計(jì)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(chǎng)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(fù)其責(zé)。
4.3 現(xiàn)場(chǎng)總線模塊和顯示、報(bào)表、打印、趨勢(shì)曲線模塊
該兩模塊主要是進(jìn)行組態(tài)畫(huà)面，通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）以及組態(tài)軟件自身功能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的控制和實(shí)時(shí)檢測(cè)。
4.4 數(shù)據(jù)采集處理模塊
該模塊主要實(shí)現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)處理，采用模塊化編程，針對(duì)不同的采集量，對(duì)定時(shí)采樣數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)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(kù)
實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，系統(tǒng)參數(shù)，控制器參數(shù)的設(shè)置、修改、存儲(chǔ)，歷史趨勢(shì)曲線表的調(diào)用，實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線表的訪問(wèn)，報(bào)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(guò)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(kāi)銷，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，通過(guò)接入網(wǎng)絡(luò)功能，即可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)管控系統(tǒng)，若對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行雙機(jī)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(huì)大大提高，鎳電解精練工藝將更加成熟，生產(chǎn)能力不斷擴(kuò)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)
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)