CN111850609B - 基于数字孪生的铝电解管控*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的铝电解管控***，包括自动检测装置：数据融合单元，接收自动检测装置的数据，并进行数据处理；人机交互单元，连接数据融合单元，提供信息输出口以及操作输入口；智能执行机构，布置于铝电解产线，根据数据融合单元以及人机交互单元的数据或操作指令执行管控工作；仿真分析平台，接收数据融合单元的数据，在虚拟空间中映射铝电解全生命周期过程，并结合若干数据库给出预警或管控措施。本发明以采集的真实数据为基础，经过仿真并与产线真实反应的情况进行对比参考，保留了真实***和仿真***各自的特点，实时映射出物理***的运行过程，为调参、控制优化等提供了精确的策略，能够有效地提高电流效率和降低能耗。

Description

基于数字孪生的铝电解管控***

技术领域

本发明涉及铝电解生产过程控制领域，尤其是涉及一种基于数字孪生的铝电解管控***。

背景技术

目前，铝电解过程控制仍然依赖于单一实时参数与离线测量和人工采样化验数据结合的方式，并基于专家知识经验进行,但随着铝电解槽的大型化，这种控制装备和策略已不能满足现实需求。虽然国内外相关科研机构和高校做了大量的技术研究和***研发，如授权公告号CN108360021B的发明公开了一种基于数据与知识的铝电解槽过程控制参数获取方法及设备；授权公告号CN103984832B的发明公开了一种铝电解槽电场仿真分析方法。一定程度上促进了控制水平的提高，但依然无法做到精准控制，电解效率和节能水平还是得不到有效提高。因此，运用大数据技术、物联网技术和物理信息融合技术等新兴信息技术结合工艺机理、数据算法开发新一代铝电解控制***已成为业界努力的方向。同时，如何精确可靠获取多种关键状态参数的在线实时数据，开展多源数据融合研究及有别于传统仿真的基于实时数据仿真建模的方法同样也是急需解决的问题。

目前在检测方面已经出现较多成熟技术，如：铝电解槽阳极电流分布在线监测装置（申请号201520355122.2）；基于非接触式红外检测的电解质温度在线监测装置（申请号201520354446.4）；铝电解槽电解质温度在线监测方法及其装置（申请号201510281423.X）；铝电解槽铝液界面波动和极距在线监测方法及其装置（申请号201510281729.5）；铝电解槽铝液界面波动和极距在线监测方法及其装置（申请号201510281729.5）等等。

综上所述，需要进一步开发和优化相应状态参数在线检测装置，提高易用性和可靠性，建立状态参数可视化***和开发智能执行机构以及建立相应的与真实物理***并行的仿真分析平台，形成铝电解数据孪生***，从而进一步提高铝电解生产的控制水平，实现大幅降低能耗和提高电流效率的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题：提供一种基于数字孪生的铝电解管控***，以解决现有技术缺乏状态参数实时感知数据和相应数据模型而使得控制水平和节能降耗水平低的问题。

本发明采用了如下技术方案：

一种基于数字孪生的铝电解管控***，包括自动检测装置，还包括：数据融合单元，接收自动检测装置的数据，并进行数据处理；人机交互单元，连接数据融合单元，提供信息输出口以及操作输入口；智能执行机构，布置于铝电解产线，根据数据融合单元以及人机交互单元的数据或操作指令执行管控工作；仿真分析平台，接收数据融合单元的数据，在虚拟空间中映射铝电解全生命周期过程，并结合若干数据库给出预警或管控措施。

具体地说，***通过自动检测装置精确感知铝电解过程数据，并经数据融合单元处理后形成唯一实时数据源，与部署在人机交互单元和仿真分析平台中的各数据库等共同构成铝电解数字副本，反映生产运行与电解槽全生命周期过程。与单纯的仿真或单纯的管控***相比，本***数据的源头是采集的真实数据，将源头数据经过仿真得到的情况与产线真实反应的情况之间进行对比参考，保留了真实***的不确定性因素多的特点和仿真***在稳定情况中预测能力强的特点，基本覆盖所有运行情况，有利于在仿真和真实***之间进行优势互补，以得到更多可靠的预测预警，便于执行相应的管控措施，提高控制水平和节能降耗水平。

上述的各类单元之间通过物联网技术连接，包括已经有成熟技术的有线和无线传输网络、数据处理单元、通讯控制单元和信号隔离单元。相关网络和单元均具有防高温（≥300℃）失效、抗强磁（直流磁场≥500Gs）干扰、强弱电隔离能力，能在电解槽母线、上部机构等复杂空间中完成多种数据的调理和传输，并且无线与有线网络数据可无缝交互。

作为优选，所述自动检测装置包括：阳极电流分布在线检测设备、电解槽阴极温度在线检测设备、铝液和电解质水平自动检测设备以及电解质和铝液成分自动检测设备，自动检测装置按需部署于阳极导杆、电解槽阴极钢棒、电解槽上部机构或电解槽大面中的一处或多处。具体地，所述自动检测装置在技术上已经非常成熟，在铝电解生产环境中，拥有防强磁干扰、耐高温以及防尘和耐腐蚀措施，在换极、出铝作业频繁的环境中具有抗振动和不变形结构，与直流大电流（最高600kA）供电***信号隔离，保证设备不会遭受强电侵入导致元器件及电路板损坏。

作为优选，所述数据融合单元包括数据集成***、单向传输物理隔离***和服务器，单向传输物理隔离***连接自动检测装置以及人机交互单元；数据集成***进行数据集成、数据清洗、数据治理以及据可视化处理，服务器按照规定的标准提供数据管理、数据存储和数据抽取服务。

作为优选，所述人机交互单元包括可视化槽控机以及数字移动助手。具有实时数据分析、算法求解、驱动控制和现场数据可视化展示功能。

作为优选，所述可视化槽控机包括显示屏、控制器和控制模型库，控制模型库包含浓度控制、电热平衡、效应预报以及槽稳定性判断的过程控制模型；控制器基于自动检测装置的实时数据，调用控制模型库中相关模型进行数据分析和运算，在判断生产稳定性和设备正常工作的同时，驱动智能执行机构完成对应工作；其中控制器定时向数据融合单元发送及采集控制数据，并在显示屏上展示生产过程数据，及时报警或预警生产过程和设备的异常情况。其中所述的可视化槽控机可为集成一体机，也可为分离式布置。

作为优选，所述数字移动助手包括带输入模组、拍摄模组及显示模组的移动工业终端；并与可视化槽控机共享数据。移动工业终端上运行APP管理***，具有单点登录、APP集成、视频接入与回放等功能，移动工业终端具有但不限于20个以上功能键和触控屏幕，可以完成现场摄像、即时交流、对讲、数据录入、二维码或RFID扫描等工作。移动数字助手通过无线网络与数据融合单元实现数据交互，使人机在线互联，不仅帮助作业者及时接受作业计划、工艺知识、AR/VR培训，完成作业巡检、事故诊断、交接班等工作，还能显示各类运行和采集数据。

作为优选，所述智能执行机构包括打壳机构、单点下料机构、抬母线机构以及巡检机器人，与人机交互单元协同完成自动打壳、单点下料、母线升降以及设备巡检；其中打壳机构控制气缸压力，调节耐腐蚀锤头以确保壳面击穿；单点下料机构根据区域氧化铝浓度以及槽电压的变化控制相关下料点气路阀门和下料量；抬母线机构根据实际出铝量和补偿电压要求，采集与导杆接触的正压力，调整抬升框架气压，进行精准抬母线作业；巡检机器人自动巡检生产过程，实时发送相关数据至人机交互单元。

其中，智能打壳机构主要包括耐腐蚀锤头、气缸和距离传感器，智能打壳机构接收到人机交互单元的控制指令后，根据距离传感器返回的数据控制气缸压力，确保击穿壳面。

单点下料机构主要包括定容下料器和角度旋转电机，角度旋转电机控制气路阀门开度，当单点下料机构接收到控制指令后，进行单点下料，控制下料点和单点下料量。

抬母线机构主要包括抬升框架和各支路抱紧装置的压力传感器，当收到控制指令后，抬母线结构各支路传感器采集与导杆接触的正压力，压力值达不到时，自动调整抬升框架对该之路的气压，在各之路完全抱紧后，才进行抬母线作业，确保作业过程的安全。

作为优选，所述仿真分析平台包括管理平台、数据分析器、综合知识库、运行历史数据库、驾驶舱和设备资产库；管理平台按一定的采样周期接收数据融合单元的数据，在虚拟空间中映射铝电解和电解槽等设备全生命周期过程；数据分析器基于数据融合单元、历史数据库和设备资产库的数据以及综合知识库的铝电解管控知识，对产量、质量、成本、原材料以及设备寿命进行分析，给出工艺参数调整、运行优化、质量改进、设备管理以及风险预警策略，并通过驾驶舱展示设备资产和生产运行的分析数据，对生产和设备的异常进行报警和预警。具体地，仿真分析平台按照SaaS架构设计，包含可视化组件、数据引擎、分析工具、AR/VR素材和组件管理等微服务。

其中仿真分析平台中的管理平台采集经数据融合平台处理集成后的数据，根据工艺机理、材料特性和设计配置在仿真分析平台中虚拟映射出铝电解生产过程，数据分析器再结合运行历史数据库和综合知识库，做出运行状态、能耗物耗等分析，给出故障预警、参数调节和优化等指示，如根据感知到的阳极电流分布参数和历史运行数据，采用非线性降维状态观测器或回声状态网络算法跟踪和预测氧化铝浓度变化趋势，再给出下料间隔调节指示，保证生产过程稳定运行，由此产生的数据再返回到仿真分析平台映射出新的运行状态，由此反复，形成有实际应用价值的基于数字孪生的铝电解管控***。

本发明的实质性效果包括：自动检测装置可靠精准获取阳极电流分布、两水平等关键状态参数，避免人工逐槽采集相关数据，不仅降低人工劳动强度，还极大的提高了易用性和安全性。同时，管理人员和作业人员可通过移动工业终端或可视化槽控机随时查看铝电解槽各项参数和分析结果，比以往的工区上位机查看曲线和人工统计分析，然后指导作业和作业过程中来回查看数据，大大提高了作业安全性和时效性，并且所有数据在电解槽旁一目了然，提高了单台槽的管理效率。另外，数据融合单元和仿真分析平台把多种自动检测装置和现有***获取的数据进行融合，实时映射出物理***的运行过程，为调参、控制优化等提供了精确的策略，能够有效地提高电流效率和降低能耗。

附图说明

图1是本发明实施例的示意图；

图2是发明实施例的物联网示意图；

图3是发明实施例的数据融合单元示意图；

图4是发明实施例的可视化槽控机示意图；

图5是发明实施例的部分环节工作方式示意图；

图6是发明实施例的仿真分析平台示意图；

图中包括：1-自动检测装置、2-物联网、3-数据融合单元、4-可视化槽控机、5-智能执行机构、6-移动数字助手、7-仿真分析平台、12-有线和无线传输网络、13-数据处理单元、14-通讯控制单元、15-信号隔离单元、16-硬件***、17-软件***、18-显示屏、19-控制器、20-控制模型库、27-管理平台、28-数据分析器、29-综合知识库、30-运行历史数据库、31-驾驶舱。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本申请的技术方案进行描述。另外，为了更好的说明本发明，在下文中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未做详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

实施例：

如图1所示，是一种基于数字孪生的铝电解管控***，包括自动检测装置1，还包括：数据融合单元3，接收自动检测装置1的数据，并进行数据处理；人机交互单元，包括可视化槽控机4以及数字移动助手，连接数据融合单元3，提供信息输出口以及操作输入口；智能执行机构5，布置于铝电解产线，根据数据融合单元3以及人机交互单元的数据或操作指令执行管控工作；仿真分析平台7，接收数据融合单元3的数据，在虚拟空间中映射铝电解全生命周期过程，并结合若干数据库给出预警或管控措施。

具体地说，***通过自动检测装置1精确感知铝电解过程数据，并经数据融合单元3处理后形成唯一实时数据源，与部署在人机交互单元和仿真分析平台7中的各数据库等共同构成铝电解数字副本，反映生产运行与电解槽全生命周期过程。与单纯的仿真或单纯的管控***相比，本***数据的源头是真实采集的数据，源头数据经过仿真得到的情况与产线真实反应的情况之间可以进行对比参考，保留了真实***的不确定性因素多的特点和仿真***在稳定情况中预测能力强的特点，这几种特点的结合能基本覆盖所有情况，有利于在仿真和真实***之间进行优势互补，以得到更多可靠的预测预警，便于执行相应的管控措施，提高控制水平和节能降耗水平。

上述的各类单元之间通过物联网技术连接，如图2所示，包括有线和无线传输网络12、数据处理单元13、通讯控制单元14、信号隔离单元15。物联网2相关网络和单元均具有防高温（≥300℃）失效、抗强磁（直流磁场≥500Gs）干扰、强弱电隔离能力，能在电解槽母线、上部机构等复杂空间中完成多种数据的调理和可靠传输，并且无线与有线网络数据可无缝交互。

本实施例的自动检测装置1包括：阳极电流分布在线检测设备、电解槽阴极温度在线检测设备、铝液和电解质水平自动检测设备以及电解质和铝液成分自动检测设备，自动检测装置1按需部署于阳极导杆、电解槽阴极钢棒、电解槽上部机构或电解槽大面中的一处或多处。具体地，所述自动检测装置1，在铝电解生产环境中，拥有防强磁干扰、耐高温以及防尘和耐腐蚀措施，在换极、出铝作业频繁的环境中具有抗振动和不变形结构，与直流大电流（最高600kA）供电***信号隔离，保证设备不会遭受强电侵入导致元器件及电路板损坏。

本实施例的自动检测装置1部署在铝电解槽相应位置，以获取阳极电流分布等关键过程数据，这些不同传感器获得的数据经过物联网处理和传输至数据融合单元3并形成唯一的实时数据源，数据融合单元3部署在生产调度中心或现场工区办公室。将可视化槽控机4（集成式）部署在铝电解槽出铝端上部结构上，或将可视化槽控机4（分离式）的显示屏18部署在铝电解槽出铝端上部结构上，其余部分部署在烟道端。仿真分析平台7与数据融合单元3部署位置相同。通过可视化槽控机4或移动数字助手6控制智能执行机构5进行相应操作。

如图3所示，数据融合单元3是整个***实时数据的汇集与管理中心，主要包括硬件***16和软件***17。硬件***16由数据集成***、单向传输物理隔离***和服务器等组成，可以接入可视化槽控机4、移动数字助手6和PLC、MES等多种数据；软件***17包括数据清洗、数据治理、数据存储、数据管理、数据引擎、数据可视化等组件，可以按照规定的标准提供数据集成、数据管理、数据存储和数据抽取等服务。

如图4、图5所示，可视化槽控机4包括显示屏18、控制器19和控制模型库20，控制模型库20包含浓度控制、电热平衡、效应预报以及槽稳定性判断的过程控制模型；控制器19基于自动检测装置1的实时数据，调用控制模型库20中相关模型进行数据分析和运算，在判断生产稳定性和设备正常工作的同时，驱动智能执行机构5完成对应工作；其中控制器19定时向数据融合单元3发送及采集控制数据，并在显示屏18上展示生产过程数据，及时报警或预警生产过程和设备的异常情况。其中所述的可视化槽控机4可为集成一体机，也可为分离式布置。

另外数字移动助手包括带输入模组、拍摄模组及显示模组的移动工业终端；并与可视化槽控机4共享数据。移动工业终端上运行APP管理***，具有单点登录、APP集成、视频接入与回放等功能，移动工业终端具有但不限于20个以上功能键和触控屏幕，可以完成现场摄像、即时交流、对讲、数据录入、二维码或RFID扫描等工作。移动数字助手6通过无线网络与数据融合单元3实现数据交互，使人机在线互联，不仅帮助作业者及时接受作业计划、工艺知识、AR/VR培训，完成作业巡检、事故诊断、交接班等工作，还能显示各类运行和采集数据。

本实施例的智能执行机构5包括打壳机构、单点下料机构、抬母线机构以及巡检机器人，与人机交互单元协同完成自动打壳、单点下料、母线升降以及设备巡检；其中打壳机构控制气缸压力，调节耐腐蚀锤头以确保壳面击穿；单点下料机构根据区域氧化铝浓度以及槽电压的变化控制相关下料点气路阀门和下料量；抬母线机构根据实际出铝量和补偿电压要求，采集与导杆接触的正压力，调整抬升框架气压，进行精准抬母线作业；巡检机器人自动巡检生产过程，实时发送相关数据至人机交互单元。

其中，智能打壳机构主要包括耐腐蚀锤头、气缸和距离传感器，智能打壳机构接收到人机交互单元的控制指令后，根据距离传感器返回的数据控制气缸压力，确保击穿壳面。

单点下料机构主要包括定容下料器和角度旋转电机，角度旋转电机控制气路阀门开度，当单点下料机构接收到控制指令后，进行单点下料，控制下料点和单点下料量。

抬母线机构主要包括抬升框架和各支路抱紧装置的压力传感器，当收到控制指令后，抬母线结构各支路传感器采集与导杆接触的正压力，压力值达不到时，自动调整抬升框架对该之路的气压，在各之路完全抱紧后，才进行抬母线作业，确保作业过程的安全。

如图6所示，仿真分析平台7包括管理平台27、数据分析器28、综合知识库29、运行历史数据库30、驾驶舱31和设备资产库；管理平台27按一定的采样周期接收数据融合单元3的数据，在虚拟空间中映射铝电解和电解槽等设备全生命周期过程；数据分析器28基于数据融合单元3、历史数据库30和设备资产库的数据以及综合知识库29的铝电解管控知识，对产量、质量、成本、原材料以及设备寿命进行分析，给出工艺参数调整、运行优化、质量改进、设备管理以及风险预警策略，并通过驾驶舱31展示设备资产和生产运行的分析数据，对生产和设备的异常进行报警和预警。具体地，仿真分析平台7按照SaaS架构设计，包含可视化组件、数据引擎、分析工具、AR/VR素材和组件管理等微服务。

***在运行过程中，通过图5所示的控制模型库20、图6所示的综合数据库、运行历史数据库30等共同构成铝电解数字副本，反映生产运行与电解槽全生命周期过程。仿真分析平台7反映随实际物理世界中的铝电解槽实时变化，通过图6所示的数据分析器28给出相应的各种策略，并通过图6所示的驾驶舱31反映出各种给定提示和数据的多维展示。

执行完可视化槽控机4的控制指令后，智能执行机构5所作动作及本身产生的数据和自动检测装置1感知到的数据会通过物联网实时传回数据融合平台，仿真分析平台7也同时反映实际电解槽的状态，从而很好地形成闭环并行的基于数字孪生的铝电解管控***。

本实施例的效果包括：自动检测装置1可靠精准获取阳极电流分布、两水平等关键状态参数，避免人工逐槽采集相关数据，不仅降低人工劳动强度，还极大的提高了易用性和安全性。同时，管理人员和作业人员可通过移动工业终端或可视化槽控机4随时查看铝电解槽各项参数和分析结果，比以往的工区上位机查看曲线和人工统计分析，然后指导作业和作业过程中来回查看数据，大大提高了作业安全性和时效性，并且所有数据在电解槽旁一目了然，提高了单台槽的管理效率。另外，数据融合单元3和仿真分析平台7把多种自动检测装置1和现有***获取的数据进行融合，实时映射出物理***的运行过程，为调参、控制优化等提供了精确的策略，能够有效地提高电流效率和降低能耗。

通过以上实施方式的描述，所属领域的技术人员可以了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将具体装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

作为单元显示的部件可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上内容，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于数字孪生的铝电解管控***，包括自动检测装置，其特征在于，还包括：

数据融合单元，接收自动检测装置的数据，并进行数据处理；所述数据融合单元包括数据集成***、单向传输物理隔离***和服务器，单向传输物理隔离***连接自动检测装置以及人机交互单元；

人机交互单元，连接数据融合单元，提供信息输出口以及操作输入口；所述人机交互单元包括可视化槽控机以及数字移动助手；所述数字移动助手与可视化槽控机共享数据；

可视化槽控机，包括显示屏、控制器和控制模型库，控制器基于自动检测装置的实时数据，调用控制模型库中相关模型进行数据分析和运算，在判断生产稳定性和设备正常工作的同时，驱动智能执行机构完成对应工作；其中控制器定时向数据融合单元发送及采集控制数据，并在显示屏上展示生产过程数据，及时报警或预警生产过程和设备的异常情况；

智能执行机构，包括打壳机构、单点下料机构、抬母线机构以及巡检机器人，布置于铝电解产线，根据数据融合单元以及人机交互单元的数据或操作指令执行管控工作；

仿真分析平台，接收数据融合单元的数据，在虚拟空间中映射铝电解全生命周期过程，并结合若干数据库给出预警或管控措施；

所述自动检测装置包括：阳极电流分布在线检测设备、电解槽阴极温度在线检测设备、铝液和电解质水平自动检测设备以及电解质和铝液成分自动检测设备。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的铝电解管控***，其特征在于，所述自动检测装置按需部署于阳极导杆、电解槽阴极钢棒、电解槽上部机构或电解槽大面中的一处或多处。

3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的铝电解管控***，其特征在于，所述数据集成***进行数据集成、数据清洗、数据治理以及数据可视化处理，服务器按照规定的标准提供数据管理、数据存储和数据抽取服务。

4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的铝电解管控***，其特征在于，所述控制模型库包含浓度控制、电热平衡、效应预报以及槽稳定性判断的过程控制模型。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于数字孪生的铝电解管控***，其特征在于，所述数字移动助手包括带输入模组、拍摄模组及显示模组的移动工业终端。

6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的铝电解管控***，其特征在于，所述智能执行机构与人机交互单元协同完成自动打壳、单点下料、母线升降以及设备巡检；其中打壳机构控制气缸压力，调节耐腐蚀锤头以确保壳面击穿；单点下料机构根据区域氧化铝浓度以及槽电压的变化控制相关下料点气路阀门和下料量；抬母线机构根据实际出铝量和补偿电压要求，采集与导杆接触的正压力，调整抬升框架气压，进行精准抬母线作业；巡检机器人自动巡检生产过程，实时发送相关数据至人机交互单元。

7.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的铝电解管控***，其特征在于，所述仿真分析平台包括管理平台、数据分析器、综合知识库、运行历史数据库、驾驶舱和设备资产库；管理平台按一定的采样周期接收数据融合单元的数据，在虚拟空间中映射铝电解和电解槽设备全生命周期过程；数据分析器基于数据融合单元、历史数据库和设备资产库的数据以及综合知识库的铝电解管控知识，对产量、质量、成本、原材料以及设备寿命进行分析，给出工艺参数调整、运行优化、质量改进、设备管理以及风险预警策略，并通过驾驶舱展示设备资产和生产运行的分析数据，对生产和设备的异常进行报警和预警。

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