冶金电气节能负载高精度控制技术研究

张宝林，李 欣

（江西铜业集团公司 德兴铜矿，江西 德兴 334224）

1 引言

随着科学的进步和经济的发展，我国在工业领域发展得越来越快。资源和能源的消耗，也是随着工业的发展而日趋增长。为了落实科学发展观，实现可持续发展战略，就要求必须进行节能减排。众所周知，冶金是消耗能源和资源的主要行业之一，因此，节能是冶金行业发展的前提和基础。

2 高精度控制技术优越性分析

2.1 有助于减少操作失误

在应用节能负载高精度控制技术之后，在冶金的很多环节中，都从人工操作变为自动化操作［1］，特别是在细节的处理过程中，自动化操作能实现人工操作难以达到的精度，还减少了很多人工操作可能出现的失误，同时自动化操作的实现可进一步加强工厂的管理和规范程度，提高冶金工业的现代化水平。

2.2 有助于提高设备的运行效率

使用节能负载高精度控制技术之后，利用电子计算机的一系列优点，实现对冶金生产设备的全自动化操作，不仅节约人力资源，降低生产投入，还可以提高生产流程中各个环节的设备利用效率。电子计算机技术还可以对冶金过程中完整的工作系统进行局部的和综合的监控，并能够进行定位操作和分析，时刻掌握生产过程中的原材料消耗情况、电能负荷、机械负荷和操作过程是否规范等一系列的问题［2-3］。

2.3 有助于节能控制

在进行冶金的过程中，通常都会使用模糊PID这种方式来进行节能控制。但是模糊PID方式会涉及到很多的电气设备，让多种电气设备参与到冶金的过程当中，因此，它就会直接导致单个的电气设备会消耗不必要的能源，针对这种情况，专业的技术人员研究和分析，得出基于遗传算法的控制方法可以有效地控制节能负载量，大幅度地进行节能控制。

3 高精度控制技术发展现状及特性

3.1 冶金电气节能负载高精度控制技术发展现状

从当前的环境来说，我国的冶金行业中对冶金电气节能负载高精度控制技术的应用还只是停留在初级阶段，这从侧面反映了我国在这项技术上还有很大的发展空间。在冶金的过程中，如何进行电气节能一直是这个领域中最热门的问题，不少学者和研究人员一直以来都在进行着这方面的研究。目前，该技术的控制方法还不是很多，主要有以动态嵌入式为基础的电压换算法，以模糊PID为基础的控制算法和基于遗传算法的控制方法［4］。

3.2 冶金电气节能负载高精度控制技术特性分析

在现在的冶金工业中，冶金电气节能负载高精度控制技术是一门新型的技术，但是随着技术的进步，已经被运用到实际的冶金工业当中。冶金电气节能负载高精度控制技术具有以下特性，第一就是“实际性”，顾名思义，实际性在进行实际操作时候至关重要，只有贴合实际，从产品的生产及工厂的利益出发，满足生产的需要；第二是适用性，在冶金的过程中，有很多的工艺流程，它们各不相同，同时适用于它们的技术也不会完全相同。这时，就需要分析工艺流程，研究针对性技术，发挥技术的最大价值，实现大幅度的节能；第三点就是节能性，运用该技术最根本的目的就是节能，不能由于技术本身的问题造成资源的浪费和能源的额外消耗。第四点就是经济性，运用冶金电气节能负载高精度控制技术是为了节约能源，减少不必要的浪费，所以，在使用该技术的过程当中，一定要注意把经济性体现出来，争取能够做到用最低的成本，换取到最完美的工艺环境。

4 自适应线性遗传算法

4.1 对自适应线性遗传算法的分析

4.1.1 模型建立［5］

图1为冶金电气设备耗载结构图，假定冶金电气的全部损耗是∑Q，电路中的电气部件nj的定子电阻是Sj，转子电阻是S'j，而Sn是励磁电阻。

计算冶金电气全部损耗的公式：

这个内部损耗的过程中，假定用来表示转子电流发生的变化率，转子电流的变化率之所以会改变是因为转子的负载情况出现了变化，相应的定子电流也会有变化。使用Q1=n1（J0-J2’）2S1这个公式能计算损耗的基本情况。

图1 冶金电气设备耗载结构图

4.1.2 基本运算

根据建立的线性遗传方式的模型，对一些参数进行修整，并分析控制电器消耗的具体措施，进而确切地分析得出机械的空间位置分布情况，它的关系可以用函数表示，电压转换点的空间位置也可以用函数表示，然后再分析一下二者在空间分布上的基本情况，可以得到如下一个函数。

在这个公式当中，T的含义是第1，2，3…M个转换点的空间位置的分布情况，电气设备作用用HL来表示，Tj是编码，M是染色体的具体长度。

表1 电气数据统计情况

4.2 实验验证

结合刚才提到的自适应线性遗传方式，可以对自适应参数进行一定的调整，但是在高精度的基础上对电气负载量进行控制的过程当中，为了更好地检验此方式的实用性，往往需要进行试验。设置试验的环境是C++6.0，电气设备用M来表示，设备在运行当中不可避免的会有损耗，这些损耗用d1，d2，d3…dn来进行表示，冶金电气的功率用η表示，用以下公式可以对冶金过程中的电气节能的负载控制进行整体的衡量：

一共进行了10次操作实验，并对每次的参数都进行了计算，并加以分析，接下来，用动态嵌入式算法对冶金电气节能控制效果获得的结果，如图2所示。图3为模糊（PID）控制算法节能控制计算结果。图4为利用自适应线性遗传算法节能控制计算结果。

图2 动态嵌入式算法计算结果

图3 PID算法计算结果

图4 自适应线性遗传算法计算结果

对不同计算方法计算出的冶金设备节能控制系数进行统计整理，得到表2结果。

表2 节能控制计算结果

在适应线性遗传算法运用过程中，流量传感器在冶金电气节能控制过程中起着非常重要的作用，它不仅可以对特别流量进行24h不间断监测，而且在监测出流量异常时就会发出警报信号，提醒相关的设备管理人员需要去现场进行处理，这就有利于冶金电气的节能控制，降低冶金行业的整体能源消耗。同时，上述的实验数据也清晰地表明，传统的控制算法对电气节能的控制不如自适应线性遗传计算方式的效果明显。究其原因主要是传统的控制算法电气设备数量多，单个设备的损耗会影响节能的效果；自适应线性遗传计算方式由于进入了计算机控制系统，计算精度得到较大的提升。所以，在冶金过程中，我们应尽可能地采用自适应线性遗传计算方式，以达到节能效果。

5 工业验证

5.1 单机验证

电动机效率、功率因数和转矩转速与负载率有直接关系，其关系曲线如图5。从图5中可以看出当电动机的负载率逐渐增大时，功率因数也逐渐增大，一般电动机负载率在0.8左右时，效率和功率因素最高，负载率低于0.5时，效率和功率因素急剧下降。而当电机空载时功率因数仅为0.1～0.2，这时电机效率最低，电流量大，致使线路和电路元器件发热老化从而降低备件、材料使用年限。因此，负载率低于30%的电机必须更换或采取节电措施。30%～50%负载率这个区域内运行的电机的要定量计算：第一，确定运行在该区域的电机是否浪费电能；第二，对于浪费电能的电机是否更换，提供一个经济分析的依据，或寻求更合理的节电措施。因此，电气节能负载高精度控制技术势在必行。

图5 电动机效率、功率因数和转矩转速与负载率关系图

5.2 系统验证

5.2.1 计算机验证

通过实验室实验可知PID控制计算方式，10次实验，节能参数为76，而自适应线性遗传计算方式，同样实验10次，节能参数为84。

5.2.2 生产实际验证

大山选矿厂选矿系统总共有124台大型设备，其中，中细碎筛分系统主要设备为12台圆锥破碎机、6台双层振动筛、17台单层振动筛；磨矿系统为9台直径5.5m×8.5m的球磨机，产量为6.75万t/d。以此规格的球磨机为例，通过检测皮带的给矿量来控制设备的启停。若其中一台球磨机给矿量不足，通过高精度控制避免电动机空转节约的电能通过下列计算可知。5.5m×8.5m球磨机额定功率为4410kW,空转功率约为额定功率的30%，则空转功率为：

那么每小时节约的电能为：

那么，假设每天1台球磨机空转时间为1h，那么1年节约的电能为：

通过计算可知，1年如果避免了1台球磨机空转则节省了电能4.83×105kW·h。那么，将电气节能负载高精度控制技术应用全矿，那节约的电能会相当可观。

5.3 后期问题探讨

（1）通过实验计算机仿真及实际生产计算证实冶金电气节能负载高精度控制技术这一研究可行；

（2）在冶金行业，实际生产中具体问题还需参考具体的生产工艺流程及生产条件，如电气节能负载高精度控制技术是否能实现、实现的难度大小及实现的成本；

（3）如何在实际生产中有效地利用传感器避免电气设备的频繁启停；

（4）如何具体实施检测设备的空转现象，实现有效节能。

6 结束语

冶金工业是消耗能源和资源的主要行业之一，随着我国经济的发展，冶金工业也取得了辉煌的成就，但是也日益消耗了大量的资源和能源。在冶金的过程中，若工厂不注意节能，往往就会造成成本投入的增加以及更大的能源浪费。从长远来看，这违反了科学发展观，所以为了切实执行可持续发展战略，必须要进行节能减排，因此，节能已经成为冶金行业发展的重要前提条件。综上所述，后期将对冶金电气节能负载高精度控制技术研究这一课题进行深入的研究。