冶金電氣節(jié)能負(fù)載高精度控制技術(shù)研究

張寶林，李 欣

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

1 引言

隨著科學(xué)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展得越來(lái)越快。資源和能源的消耗，也是隨著工業(yè)的發(fā)展而日趨增長(zhǎng)。為了落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，就要求必須進(jìn)行節(jié)能減排。眾所周知，冶金是消耗能源和資源的主要行業(yè)之一，因此，節(jié)能是冶金行業(yè)發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。

2 高精度控制技術(shù)優(yōu)越性分析

2.1 有助于減少操作失誤

在應(yīng)用節(jié)能負(fù)載高精度控制技術(shù)之后，在冶金的很多環(huán)節(jié)中，都從人工操作變?yōu)樽詣?dòng)化操作［1］，特別是在細(xì)節(jié)的處理過(guò)程中，自動(dòng)化操作能實(shí)現(xiàn)人工操作難以達(dá)到的精度，還減少了很多人工操作可能出現(xiàn)的失誤，同時(shí)自動(dòng)化操作的實(shí)現(xiàn)可進(jìn)一步加強(qiáng)工廠的管理和規(guī)范程度，提高冶金工業(yè)的現(xiàn)代化水平。

2.2 有助于提高設(shè)備的運(yùn)行效率

使用節(jié)能負(fù)載高精度控制技術(shù)之后，利用電子計(jì)算機(jī)的一系列優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冶金生產(chǎn)設(shè)備的全自動(dòng)化操作，不僅節(jié)約人力資源，降低生產(chǎn)投入，還可以提高生產(chǎn)流程中各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)備利用效率。電子計(jì)算機(jī)技術(shù)還可以對(duì)冶金過(guò)程中完整的工作系統(tǒng)進(jìn)行局部的和綜合的監(jiān)控，并能夠進(jìn)行定位操作和分析，時(shí)刻掌握生產(chǎn)過(guò)程中的原材料消耗情況、電能負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷和操作過(guò)程是否規(guī)范等一系列的問(wèn)題［2-3］。

2.3 有助于節(jié)能控制

在進(jìn)行冶金的過(guò)程中，通常都會(huì)使用模糊PID這種方式來(lái)進(jìn)行節(jié)能控制。但是模糊PID方式會(huì)涉及到很多的電氣設(shè)備，讓多種電氣設(shè)備參與到冶金的過(guò)程當(dāng)中，因此，它就會(huì)直接導(dǎo)致單個(gè)的電氣設(shè)備會(huì)消耗不必要的能源，針對(duì)這種情況，專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員研究和分析，得出基于遺傳算法的控制方法可以有效地控制節(jié)能負(fù)載量，大幅度地進(jìn)行節(jié)能控制。

3 高精度控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及特性

3.1 冶金電氣節(jié)能負(fù)載高精度控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

從當(dāng)前的環(huán)境來(lái)說(shuō)，我國(guó)的冶金行業(yè)中對(duì)冶金電氣節(jié)能負(fù)載高精度控制技術(shù)的應(yīng)用還只是停留在初級(jí)階段，這從側(cè)面反映了我國(guó)在這項(xiàng)技術(shù)上還有很大的發(fā)展空間。在冶金的過(guò)程中，如何進(jìn)行電氣節(jié)能一直是這個(gè)領(lǐng)域中最熱門(mén)的問(wèn)題，不少學(xué)者和研究人員一直以來(lái)都在進(jìn)行著這方面的研究。目前，該技術(shù)的控制方法還不是很多，主要有以動(dòng)態(tài)嵌入式為基礎(chǔ)的電壓換算法，以模糊PID為基礎(chǔ)的控制算法和基于遺傳算法的控制方法［4］。

3.2 冶金電氣節(jié)能負(fù)載高精度控制技術(shù)特性分析

在現(xiàn)在的冶金工業(yè)中，冶金電氣節(jié)能負(fù)載高精度控制技術(shù)是一門(mén)新型的技術(shù)，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)被運(yùn)用到實(shí)際的冶金工業(yè)當(dāng)中。冶金電氣節(jié)能負(fù)載高精度控制技術(shù)具有以下特性，第一就是“實(shí)際性”，顧名思義，實(shí)際性在進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)候至關(guān)重要，只有貼合實(shí)際，從產(chǎn)品的生產(chǎn)及工廠的利益出發(fā)，滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要；第二是適用性，在冶金的過(guò)程中，有很多的工藝流程，它們各不相同，同時(shí)適用于它們的技術(shù)也不會(huì)完全相同。這時(shí)，就需要分析工藝流程，研究針對(duì)性技術(shù)，發(fā)揮技術(shù)的最大價(jià)值，實(shí)現(xiàn)大幅度的節(jié)能；第三點(diǎn)就是節(jié)能性，運(yùn)用該技術(shù)最根本的目的就是節(jié)能，不能由于技術(shù)本身的問(wèn)題造成資源的浪費(fèi)和能源的額外消耗。第四點(diǎn)就是經(jīng)濟(jì)性，運(yùn)用冶金電氣節(jié)能負(fù)載高精度控制技術(shù)是為了節(jié)約能源，減少不必要的浪費(fèi)，所以，在使用該技術(shù)的過(guò)程當(dāng)中，一定要注意把經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)出來(lái)，爭(zhēng)取能夠做到用最低的成本，換取到最完美的工藝環(huán)境。

4 自適應(yīng)線(xiàn)性遺傳算法

4.1 對(duì)自適應(yīng)線(xiàn)性遺傳算法的分析

4.1.1 模型建立［5］

圖1為冶金電氣設(shè)備耗載結(jié)構(gòu)圖，假定冶金電氣的全部損耗是∑Q，電路中的電氣部件nj的定子電阻是Sj，轉(zhuǎn)子電阻是S'j，而Sn是勵(lì)磁電阻。

計(jì)算冶金電氣全部損耗的公式：

這個(gè)內(nèi)部損耗的過(guò)程中，假定用來(lái)表示轉(zhuǎn)子電流發(fā)生的變化率，轉(zhuǎn)子電流的變化率之所以會(huì)改變是因?yàn)檗D(zhuǎn)子的負(fù)載情況出現(xiàn)了變化，相應(yīng)的定子電流也會(huì)有變化。使用Q1=n1（J0-J2’）2S1這個(gè)公式能計(jì)算損耗的基本情況。

圖1 冶金電氣設(shè)備耗載結(jié)構(gòu)圖

4.1.2 基本運(yùn)算

根據(jù)建立的線(xiàn)性遺傳方式的模型，對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行修整，并分析控制電器消耗的具體措施，進(jìn)而確切地分析得出機(jī)械的空間位置分布情況，它的關(guān)系可以用函數(shù)表示，電壓轉(zhuǎn)換點(diǎn)的空間位置也可以用函數(shù)表示，然后再分析一下二者在空間分布上的基本情況，可以得到如下一個(gè)函數(shù)。

在這個(gè)公式當(dāng)中，T的含義是第1，2，3…M個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)的空間位置的分布情況，電氣設(shè)備作用用HL來(lái)表示，Tj是編碼，M是染色體的具體長(zhǎng)度。

表1 電氣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合剛才提到的自適應(yīng)線(xiàn)性遺傳方式，可以對(duì)自適應(yīng)參數(shù)進(jìn)行一定的調(diào)整，但是在高精度的基礎(chǔ)上對(duì)電氣負(fù)載量進(jìn)行控制的過(guò)程當(dāng)中，為了更好地檢驗(yàn)此方式的實(shí)用性，往往需要進(jìn)行試驗(yàn)。設(shè)置試驗(yàn)的環(huán)境是C++6.0，電氣設(shè)備用M來(lái)表示，設(shè)備在運(yùn)行當(dāng)中不可避免的會(huì)有損耗，這些損耗用d1，d2，d3…dn來(lái)進(jìn)行表示，冶金電氣的功率用η表示，用以下公式可以對(duì)冶金過(guò)程中的電氣節(jié)能的負(fù)載控制進(jìn)行整體的衡量：

一共進(jìn)行了10次操作實(shí)驗(yàn)，并對(duì)每次的參數(shù)都進(jìn)行了計(jì)算，并加以分析，接下來(lái)，用動(dòng)態(tài)嵌入式算法對(duì)冶金電氣節(jié)能控制效果獲得的結(jié)果，如圖2所示。圖3為模糊（PID）控制算法節(jié)能控制計(jì)算結(jié)果。圖4為利用自適應(yīng)線(xiàn)性遺傳算法節(jié)能控制計(jì)算結(jié)果。

圖2 動(dòng)態(tài)嵌入式算法計(jì)算結(jié)果

圖3 PID算法計(jì)算結(jié)果

圖4 自適應(yīng)線(xiàn)性遺傳算法計(jì)算結(jié)果

對(duì)不同計(jì)算方法計(jì)算出的冶金設(shè)備節(jié)能控制系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，得到表2結(jié)果。

表2 節(jié)能控制計(jì)算結(jié)果

在適應(yīng)線(xiàn)性遺傳算法運(yùn)用過(guò)程中，流量傳感器在冶金電氣節(jié)能控制過(guò)程中起著非常重要的作用，它不僅可以對(duì)特別流量進(jìn)行24h不間斷監(jiān)測(cè)，而且在監(jiān)測(cè)出流量異常時(shí)就會(huì)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，提醒相關(guān)的設(shè)備管理人員需要去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理，這就有利于冶金電氣的節(jié)能控制，降低冶金行業(yè)的整體能源消耗。同時(shí)，上述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也清晰地表明，傳統(tǒng)的控制算法對(duì)電氣節(jié)能的控制不如自適應(yīng)線(xiàn)性遺傳計(jì)算方式的效果明顯。究其原因主要是傳統(tǒng)的控制算法電氣設(shè)備數(shù)量多，單個(gè)設(shè)備的損耗會(huì)影響節(jié)能的效果；自適應(yīng)線(xiàn)性遺傳計(jì)算方式由于進(jìn)入了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，計(jì)算精度得到較大的提升。所以，在冶金過(guò)程中，我們應(yīng)盡可能地采用自適應(yīng)線(xiàn)性遺傳計(jì)算方式，以達(dá)到節(jié)能效果。

5 工業(yè)驗(yàn)證

5.1 單機(jī)驗(yàn)證

電動(dòng)機(jī)效率、功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速與負(fù)載率有直接關(guān)系，其關(guān)系曲線(xiàn)如圖5。從圖5中可以看出當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率逐漸增大時(shí)，功率因數(shù)也逐漸增大，一般電動(dòng)機(jī)負(fù)載率在0.8左右時(shí)，效率和功率因素最高，負(fù)載率低于0.5時(shí)，效率和功率因素急劇下降。而當(dāng)電機(jī)空載時(shí)功率因數(shù)僅為0.1～0.2，這時(shí)電機(jī)效率最低，電流量大，致使線(xiàn)路和電路元器件發(fā)熱老化從而降低備件、材料使用年限。因此，負(fù)載率低于30%的電機(jī)必須更換或采取節(jié)電措施。30%～50%負(fù)載率這個(gè)區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的電機(jī)的要定量計(jì)算：第一，確定運(yùn)行在該區(qū)域的電機(jī)是否浪費(fèi)電能；第二，對(duì)于浪費(fèi)電能的電機(jī)是否更換，提供一個(gè)經(jīng)濟(jì)分析的依據(jù)，或?qū)で蟾侠淼墓?jié)電措施。因此，電氣節(jié)能負(fù)載高精度控制技術(shù)勢(shì)在必行。

圖5 電動(dòng)機(jī)效率、功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速與負(fù)載率關(guān)系圖

5.2 系統(tǒng)驗(yàn)證

5.2.1 計(jì)算機(jī)驗(yàn)證

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)可知PID控制計(jì)算方式，10次實(shí)驗(yàn)，節(jié)能參數(shù)為76，而自適應(yīng)線(xiàn)性遺傳計(jì)算方式，同樣實(shí)驗(yàn)10次，節(jié)能參數(shù)為84。

5.2.2 生產(chǎn)實(shí)際驗(yàn)證

大山選礦廠選礦系統(tǒng)總共有124臺(tái)大型設(shè)備，其中，中細(xì)碎篩分系統(tǒng)主要設(shè)備為12臺(tái)圓錐破碎機(jī)、6臺(tái)雙層振動(dòng)篩、17臺(tái)單層振動(dòng)篩；磨礦系統(tǒng)為9臺(tái)直徑5.5m×8.5m的球磨機(jī)，產(chǎn)量為6.75萬(wàn)t/d。以此規(guī)格的球磨機(jī)為例，通過(guò)檢測(cè)皮帶的給礦量來(lái)控制設(shè)備的啟停。若其中一臺(tái)球磨機(jī)給礦量不足，通過(guò)高精度控制避免電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)節(jié)約的電能通過(guò)下列計(jì)算可知。5.5m×8.5m球磨機(jī)額定功率為4410kW,空轉(zhuǎn)功率約為額定功率的30%，則空轉(zhuǎn)功率為：

那么每小時(shí)節(jié)約的電能為：

那么，假設(shè)每天1臺(tái)球磨機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)間為1h，那么1年節(jié)約的電能為：

通過(guò)計(jì)算可知，1年如果避免了1臺(tái)球磨機(jī)空轉(zhuǎn)則節(jié)省了電能4.83×105kW·h。那么，將電氣節(jié)能負(fù)載高精度控制技術(shù)應(yīng)用全礦，那節(jié)約的電能會(huì)相當(dāng)可觀。

5.3 后期問(wèn)題探討

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)仿真及實(shí)際生產(chǎn)計(jì)算證實(shí)冶金電氣節(jié)能負(fù)載高精度控制技術(shù)這一研究可行；

（2）在冶金行業(yè)，實(shí)際生產(chǎn)中具體問(wèn)題還需參考具體的生產(chǎn)工藝流程及生產(chǎn)條件，如電氣節(jié)能負(fù)載高精度控制技術(shù)是否能實(shí)現(xiàn)、實(shí)現(xiàn)的難度大小及實(shí)現(xiàn)的成本；

（3）如何在實(shí)際生產(chǎn)中有效地利用傳感器避免電氣設(shè)備的頻繁啟停；

（4）如何具體實(shí)施檢測(cè)設(shè)備的空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能。

6 結(jié)束語(yǔ)

冶金工業(yè)是消耗能源和資源的主要行業(yè)之一，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，冶金工業(yè)也取得了輝煌的成就，但是也日益消耗了大量的資源和能源。在冶金的過(guò)程中，若工廠不注意節(jié)能，往往就會(huì)造成成本投入的增加以及更大的能源浪費(fèi)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這違反了科學(xué)發(fā)展觀，所以為了切實(shí)執(zhí)行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，必須要進(jìn)行節(jié)能減排，因此，節(jié)能已經(jīng)成為冶金行業(yè)發(fā)展的重要前提條件。綜上所述，后期將對(duì)冶金電氣節(jié)能負(fù)載高精度控制技術(shù)研究這一課題進(jìn)行深入的研究。