摘要：科技進(jìn)步、節(jié)能降耗、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率是當(dāng)前企業(yè)提升競爭力的重要手段。本文對(duì)株冶鋅電解七系列整流經(jīng)濟(jì)運(yùn)行智能優(yōu)化決策控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、整流效率數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)控制原理和系列電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制原理等方面進(jìn)行了闡述。
　　關(guān)鍵詞：電解整流，優(yōu)化，整流效率，專家系統(tǒng)
　　1. 概述
　　能源是現(xiàn)代化社會(huì)前進(jìn)與發(fā)展的物質(zhì)前提與基礎(chǔ)，節(jié)能降耗已成為全世界關(guān)注的主題。提高電能的利用率具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。電解是濕法鋅冶煉中重要部分，其耗電量占整個(gè)工藝耗電量的75%以上。減少電能損耗、提高整流效率是鋅電解直流整流工藝過程中減低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因數(shù)。
　　株冶集團(tuán)公司主要生產(chǎn)線是消耗電能巨大的鋅冶煉，電費(fèi)計(jì)算是分時(shí)段分價(jià)計(jì)費(fèi)，公司總調(diào)在綜合考慮全公司生產(chǎn)負(fù)荷和電價(jià)因數(shù)后，協(xié)調(diào)分配一天中不同時(shí)段的直流供電量，隨時(shí)發(fā)出電力負(fù)荷指標(biāo)。因此，整流機(jī)組的合理投退，各運(yùn)行機(jī)組電流的優(yōu)化分配，是提高系列整流效率的重要組織措施。鋅電解七系列電解整流為新建5萬噸煉鋅工程，開發(fā)鋅電解系列整流機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行智能優(yōu)化決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鋅電解整流經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、提高整流效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率具有重大經(jīng)濟(jì)效益。
　　2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　鋅電解七系列電解整流由2套整流機(jī)組并列運(yùn)行，一臺(tái)為7#，另一臺(tái)為8#，其中7#為二極管整流方式，8#為晶閘管整流方式。二極管機(jī)組直接用有載開關(guān)調(diào)節(jié)輸出電流；晶閘管機(jī)組采用有載開關(guān)調(diào)節(jié)和數(shù)字觸發(fā)器調(diào)節(jié)相結(jié)合，通過檔位與導(dǎo)通角之間的配合使得輸出電流穩(wěn)定可靠。
　　鋅電解系列整流機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行智能優(yōu)化決策系統(tǒng)由三部分組成：
　　 綜合自動(dòng)化基礎(chǔ)平臺(tái)。
　　 智能優(yōu)化專家子系統(tǒng)。
　　 整流機(jī)組電流全數(shù)字閉環(huán)控制子系統(tǒng)。
　　綜合自動(dòng)化基礎(chǔ)平臺(tái)是為了保障七系列的數(shù)據(jù)處理和綜合自動(dòng)化的可靠要求，綜合自動(dòng)化采用雙機(jī)雙網(wǎng)雙后臺(tái)監(jiān)視的冗余結(jié)構(gòu)[1]。A、B網(wǎng)通過光纖從主控制室延伸至七系列電解整流所現(xiàn)場。七系列電解整流所現(xiàn)場綜合自動(dòng)化采用間隔單元管理、集中分布。
　　智能優(yōu)化子專家系統(tǒng)以綜合自動(dòng)化作為基礎(chǔ)平臺(tái)，接收MMI人機(jī)接口指令，利用不斷豐富的數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫，依托推理機(jī)進(jìn)行優(yōu)化七系列直流供電運(yùn)行方式和運(yùn)行給定電流值。
　　整流機(jī)組電流全數(shù)字閉環(huán)控制采用雙閉環(huán)調(diào)節(jié)。外環(huán)為系列電流控制環(huán)，由優(yōu)化決策機(jī)精心進(jìn)行優(yōu)化決策與控制。內(nèi)環(huán)為單臺(tái)機(jī)組電流閉環(huán)控制。每臺(tái)機(jī)組由PLC根據(jù)D25傳送信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與判斷，進(jìn)行整流變壓器有載開關(guān)檔位的升降調(diào)節(jié)或向晶閘管數(shù)字觸發(fā)控制器發(fā)送給定電流值。
　　圖1是智能優(yōu)化控制系統(tǒng)信息流程圖。

　　3. 整流效率的數(shù)學(xué)模型
　　這種電解大電流、多機(jī)組并列整流實(shí)現(xiàn)無人值班、電流智能、自動(dòng)優(yōu)化控制的技術(shù)核心是創(chuàng)建合適的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于株冶集團(tuán)這種鋅電解，決定電解電耗的因數(shù)是電解槽電壓、電流效率及整流效率，其電耗關(guān)系可用下式表示：
　　式中:——電解電耗，kWh/t析出鋅
　　——電解槽壓，V
　　——電流效率，%
　　——整流效率，%
　　因此，要減低鋅電解電耗，必須盡量降低槽電壓，提高電流效率和整流效率。對(duì)于七系列電解整流而言，主要降耗措施是提高整流效率。這是因?yàn)槠呦盗须娊庹�流具�?套機(jī)組4臺(tái)整流柜并列運(yùn)行，每天不同時(shí)段的系列電流給定值不同。整流效率的高低的決定因數(shù)有：設(shè)備負(fù)荷百分比（經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)）、運(yùn)行人員電流調(diào)節(jié)的隨意性、環(huán)境溫度、設(shè)備性能等，這就造成經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)是非線性的、離散性的，并且很難找出整流效率的最優(yōu)解。利用傳統(tǒng)方法來實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，具有很大的難度，且無法在線跟蹤。
　　這種對(duì)含有高維數(shù)的各種損耗或效率計(jì)算的方法，理論上講可能極為精確，但現(xiàn)實(shí)中卻很難做到。本決策系統(tǒng)利用直流供電過程中，以動(dòng)態(tài)尋優(yōu)的方式達(dá)到同樣的目的。即采用計(jì)算機(jī)專家系統(tǒng)思想，將現(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)和已有的相關(guān)知識(shí)結(jié)合起來，建立專家知識(shí)庫，并在運(yùn)行過程中使知識(shí)自動(dòng)刷新，用合理的推理機(jī)制，提供最佳的直流供電方案。其計(jì)算公式為：

　　整流效率=直流電量/交流電量
　　在計(jì)算機(jī)中建立的整流效率（η）的數(shù)學(xué)模型為：

　　式中：Pd7、Pd8分別為7#和8#整流機(jī)組的直流電量，Pl7、Pl8分別為7#和8#整流機(jī)組的交流電量。
　　4. 控制原理
　　鋅電解系列整流機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行智能優(yōu)化決策系統(tǒng)控制原理圖見圖2。
　　在自動(dòng)控制方式下，根據(jù)系列總的給定直流電流進(jìn)行決策優(yōu)化，確定整流機(jī)組的給定電流值。通過綜合自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給定電流值進(jìn)入每臺(tái)機(jī)組PLC，由7#PLC控制調(diào)節(jié)7#整流變壓器的檔位，同時(shí)實(shí)時(shí)采樣機(jī)組電流，進(jìn)行反饋判斷，如果超出所設(shè)定的誤差范圍，則進(jìn)行調(diào)檔，保證電流按照給定電流的輸出。8#PLC根據(jù)給定的機(jī)組電流發(fā)送給數(shù)字觸發(fā)器，由數(shù)字觸發(fā)器對(duì)8-1、8-2晶閘管的導(dǎo)通角α進(jìn)行控制，保證輸出機(jī)組電流穩(wěn)定且與給定電流相等，數(shù)字觸發(fā)器調(diào)節(jié)完畢后，8#PLC會(huì)判斷采樣電流和導(dǎo)通角，為了提高機(jī)組的功率因數(shù)，導(dǎo)通角α應(yīng)在一定的范圍之內(nèi)。如果采樣電流超出誤差范圍且導(dǎo)通角超出設(shè)定范圍，8#PLC將調(diào)節(jié)8#整流變壓器檔位，以保障采樣電流與給定電流相等且導(dǎo)通角在設(shè)定范圍（如0~13度）。

　　當(dāng)PLC和數(shù)字觸發(fā)器調(diào)節(jié)完畢，優(yōu)化機(jī)將判斷系列總電流。將系列反饋電流與MMI給定電流比較，將反饋直流功率與交流輸入功率比較，計(jì)算整流效率，如果電流或整流效率連續(xù)累積超出設(shè)定偏差，則自動(dòng)優(yōu)化專家系統(tǒng)將進(jìn)行智能分析，重新分配每臺(tái)機(jī)組電流，形成新一輪的給定電流調(diào)節(jié)。
　　整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路就是建立在數(shù)字觸發(fā)器閉環(huán)調(diào)節(jié)、PLC閉環(huán)參與的閉環(huán)調(diào)節(jié)、智能優(yōu)化決策機(jī)閉環(huán)調(diào)節(jié)。從而使系統(tǒng)自動(dòng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
　　5. 整流機(jī)組電流全數(shù)字閉環(huán)控制
　　整流機(jī)組電流全數(shù)字閉環(huán)控制子系統(tǒng)由優(yōu)化決策機(jī)、PLC和數(shù)字調(diào)節(jié)器組成，采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)為系列電流控制環(huán)，由優(yōu)化決策機(jī)進(jìn)行優(yōu)化決策與控制。內(nèi)環(huán)為單臺(tái)機(jī)組電流閉環(huán)控制。其中二極管整流機(jī)組經(jīng)PLC自動(dòng)調(diào)節(jié)整變有載開關(guān)檔位完成，晶閘管機(jī)組由PLC自動(dòng)調(diào)節(jié)整變有載開關(guān)檔位進(jìn)行粗調(diào)，再由數(shù)字調(diào)節(jié)器進(jìn)行細(xì)調(diào)，保證穩(wěn)流精度。
　　5.1 數(shù)字觸發(fā)控制器
　　目前，國內(nèi)有多個(gè)廠家或研究機(jī)構(gòu)生產(chǎn)數(shù)字觸發(fā)器，但均為數(shù)�；旌峡刂破鳎�即它的穩(wěn)流調(diào)節(jié)系統(tǒng)和觸發(fā)系統(tǒng)是兩個(gè)部分，沒有有機(jī)地結(jié)合在一起，不能充分發(fā)揮數(shù)字控制系統(tǒng)智能化控制優(yōu)勢。本方案采用專門用于大功率晶閘管整流電路的自動(dòng)控制全數(shù)字觸發(fā)器。
　　 觸發(fā)器結(jié)構(gòu)：
　　它是由三部分組成：觸發(fā)控制器、人機(jī)交互模塊和電源模塊組成。其中觸發(fā)控制器又由：同步電路、單片機(jī)、反饋電流采樣模塊、脈沖輸出模塊、通訊模塊所組成。觸發(fā)控制器是裝置的核心。
　　 控制器原理：
　　控制器采用數(shù)字PI算法，框圖見圖3。整流機(jī)組一旦運(yùn)行，控制器外部條件成立，控制器獲取采樣反饋電流y（k），通過與給定電流進(jìn)行比較，其偏差值e（k）作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，通過PI調(diào)節(jié)，輸出一與同步電源具有一定相差（或同步）的矩形脈沖u（k）。u（k）經(jīng)隔離、放大后控制晶閘管的導(dǎo)通角。

　　 特點(diǎn)：
　　采用改進(jìn)形PI算法進(jìn)行電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，可使給定與輸出電流偏差達(dá)到0。
　　裝置為智能型免維護(hù)結(jié)構(gòu)，維護(hù)簡單。
　　采用全數(shù)字觸發(fā)，a角理論上達(dá)到零度，因而整流效率和功率因數(shù)高。
　　由不斷運(yùn)算的alfa值控制a角的變化，輸出電流快，穩(wěn)定跟隨給定電流。
　　5.2 PLC控制模塊功能
　　PLC采用S7-300，它由CPU、DI/DO、AI/AO、通訊模塊組成。編程軟件采用STEP7V5.3。
　　 軟件結(jié)構(gòu)：
　　 自動(dòng)化控制管理主程序
　　 有載開關(guān)檔位編碼子程序
　　 電流采用計(jì)算子程序
　　 手動(dòng)控制子程序
　　 自動(dòng)控制子程序
　　 與上位機(jī)通訊子程序
　　 與數(shù)字觸發(fā)器通訊子程序
　　 通訊功能
　　本PLC具有兩種通訊功能：與上位機(jī)D25通訊采用MODBUS通訊協(xié)議；接受來自綜合自動(dòng)化的各種指令和控制數(shù)據(jù)，同時(shí)向D25發(fā)送整流機(jī)組各種數(shù)據(jù)。與下位機(jī)數(shù)字觸發(fā)器通訊采用485點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊協(xié)議，可以方便地實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的通信，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)全自動(dòng)控制。
　　 檔位控制
　　檔位控制分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩大模塊，手/自動(dòng)的控制切換在MMI上由運(yùn)行人員操作。當(dāng)切換到手動(dòng)控制狀態(tài)后，PLC手動(dòng)控制模塊工作，運(yùn)行人員通過MMI發(fā)送升降命令來控制整流變有載開關(guān)的升降操作。當(dāng)切換到自動(dòng)控制狀態(tài)后，PLC自動(dòng)控制模塊工作，接受智能優(yōu)化決策機(jī)的各種指令和D25的外部條件信號(hào)。
　　6. 智能優(yōu)化專家系統(tǒng)
　　所謂專家系統(tǒng)（ES）就是一類智能計(jì)算機(jī)程序，它能夠根據(jù)擁有的知識(shí)和推理步驟解決那些需要人類專家才能解決的困難問題。與一般常規(guī)計(jì)算機(jī)程序相比，ES具有以下優(yōu)點(diǎn)：
　　 它將知識(shí)的使用與知識(shí)本身相分離。
　　 知識(shí)被符號(hào)化表示。
　　 它可以解釋為推理過程。
　　 它必須象人類專家一樣工作。
　　ES的基本結(jié)構(gòu)：由人機(jī)接口、數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫、推理機(jī)等幾部分組成。邏輯結(jié)構(gòu)圖見圖1-5。

　　 人機(jī)接口：
　　用于運(yùn)行人員和管理員對(duì)程序進(jìn)行初始化和運(yùn)行參數(shù)設(shè)置的應(yīng)用程序。
　　 數(shù)據(jù)庫：
　　數(shù)據(jù)庫是計(jì)算機(jī)用來暫時(shí)存放用戶提供的事實(shí)和推理的一些中間結(jié)果部分空間。隨著用戶對(duì)系統(tǒng)的不斷使用，數(shù)據(jù)庫中的信息在不斷更新。
　　系統(tǒng)運(yùn)行過程中自動(dòng)儲(chǔ)存歷史數(shù)據(jù)，形成優(yōu)化表數(shù)據(jù)庫。
　　 知識(shí)庫：
　　知識(shí)庫和推理機(jī)制是專家系統(tǒng)的主體。知識(shí)庫是用來儲(chǔ)存領(lǐng)域?qū)＜业闹�識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的地方。專家系統(tǒng)中常用的知識(shí)表示方法有產(chǎn)生式系統(tǒng)、謂詞邏輯、框架結(jié)構(gòu)、語意網(wǎng)絡(luò)等。本系統(tǒng)采用產(chǎn)生式系統(tǒng)的方法來表示知識(shí)。它包括全局?jǐn)?shù)據(jù)庫和規(guī)則庫。當(dāng)運(yùn)行人員向系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求后（系列的負(fù)荷值），系統(tǒng)通過信息分析處理，經(jīng)由一定的推理機(jī)制從知識(shí)庫中找到相應(yīng)的解答。
　　 推理機(jī)：
　　專家系統(tǒng)的推理機(jī)的任務(wù)就是以一定的推理策略有效地選擇知識(shí)庫中的相關(guān)知識(shí)，針對(duì)用戶提出的問題進(jìn)行推理，得到用戶需要的結(jié)論。推理過程流程圖見圖1-6。

　　7. 結(jié)束語
　　該系統(tǒng)現(xiàn)正服務(wù)于株冶集團(tuán)鋅電解七系列，實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)在每天的電解開槽時(shí)段由于系列直流電壓、電流頻繁大波動(dòng)，不便于“自動(dòng)”運(yùn)行，必須處于“手動(dòng)”狀態(tài)，正常情況下處于“自動(dòng)”運(yùn)行中，在“自動(dòng)”狀態(tài)下系列整流效率提高了0.35%；為株冶集團(tuán)的節(jié)能降耗作出了巨大貢獻(xiàn)。并且數(shù)字觸發(fā)條件的晶閘管機(jī)組可以全開放或開環(huán)穩(wěn)定運(yùn)行，是本項(xiàng)目的另一收獲。
　　【參考文獻(xiàn)】
　�。�1］程明等•無人值班變電站監(jiān)控技術(shù)•中國電力出版社1999
　　

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