基于三維掃描的鋁電解大型密封式儲(chǔ)料倉(cāng)物位精準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬得勝

（黃河鑫業(yè)有限公司，青海 西寧 810600）

1 概述

1.1 背景

隨著鋁電解行業(yè)自動(dòng)化水平和節(jié)能降耗意識(shí)的不斷提高，對(duì)各種物料消耗、庫(kù)存盤存精準(zhǔn)性要求越來(lái)越高。鋁電解各種物料倉(cāng)作為生產(chǎn)工藝過(guò)程的重要組成部分，連續(xù)監(jiān)控料倉(cāng)料位的要求變得越來(lái)越迫切。但是，如何準(zhǔn)確可靠地測(cè)量料位是一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，主要原因是各類物料倉(cāng)在下料時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵、料面高低起伏現(xiàn)狀不規(guī)則。目前行業(yè)內(nèi)普遍使用的料倉(cāng)料位測(cè)量?jī)x器包括單點(diǎn)雷達(dá)物位計(jì)、超聲波料位計(jì)、投入式重錘料位計(jì)、電容料位計(jì)等種類，但是由于生產(chǎn)環(huán)境比較復(fù)雜惡劣、探測(cè)介質(zhì)易受到強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，造成常規(guī)儀表測(cè)量誤差大，加之單點(diǎn)料位計(jì)顯示數(shù)據(jù)單一，只能大概反映出密封儲(chǔ)罐內(nèi)料位高度，不能準(zhǔn)確反映出料倉(cāng)儲(chǔ)料量。

同時(shí)電解鋁行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程又是一種高粉塵、高磁場(chǎng)、易磨損環(huán)境。迫切需要一種新的、可靠的、準(zhǔn)確性高的料倉(cāng)料位檢測(cè)技術(shù)和裝置來(lái)解決上述問(wèn)題，達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)控料倉(cāng)料位，為生產(chǎn)提供精確的過(guò)程數(shù)據(jù)。因測(cè)量技術(shù)的限制，對(duì)密封式儲(chǔ)罐料位盤存一直困擾著企業(yè)，對(duì)儲(chǔ)罐料倉(cāng)料位的精確測(cè)量對(duì)電解槽的管理與生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)決策具有非常重要意義。本文對(duì)在電解鋁行業(yè)中使用三維掃描儀測(cè)量技術(shù)方案進(jìn)行探討分析。

1.2 物料測(cè)量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

電解鋁行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程又是一種高粉塵、高磁場(chǎng)、易磨損環(huán)境，目前行業(yè)內(nèi)普遍使用的料倉(cāng)料位測(cè)量?jī)x器包括單點(diǎn)雷達(dá)物位計(jì)、超聲波料位計(jì)、投入式重錘料位計(jì)、電容料位計(jì)等種類，但是由于生產(chǎn)環(huán)境比較復(fù)雜惡劣、探測(cè)介質(zhì)易受到強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，造成常規(guī)儀表測(cè)量誤差大，加之單點(diǎn)料位計(jì)顯示數(shù)據(jù)單一，只能大概反映出密封儲(chǔ)罐內(nèi)料位高度，不能準(zhǔn)確反映出料倉(cāng)儲(chǔ)料量。三維掃描技術(shù)是一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)新突破。它是利用激光測(cè)距或雷達(dá)波對(duì)物位進(jìn)行

全截面掃描的原理，通過(guò)記錄被測(cè)物體表面大量的密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。掃描系統(tǒng)可以密集地大量獲取目標(biāo)對(duì)象的數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此相對(duì)于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點(diǎn)測(cè)量進(jìn)化到面測(cè)量的革命性技術(shù)突破，其具有快速性，不接觸性，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)性、高密度、高精度、數(shù)字化、自動(dòng)化等特點(diǎn)。三維掃描技術(shù)與單點(diǎn)雷達(dá)技術(shù)或單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)對(duì)比，可以實(shí)現(xiàn)倉(cāng)內(nèi)物料雷達(dá)陣列掃描，全息成像，可以實(shí)現(xiàn)體積、重量、庫(kù)存計(jì)量、料位自動(dòng)連鎖控制等功能。三維雷達(dá)物位掃描儀是實(shí)時(shí)的監(jiān)控儀表，通過(guò)配套軟件隨時(shí)能夠顯示料倉(cāng)料位，體積，質(zhì)量等信息?；趯?duì)市場(chǎng)了接及調(diào)研，市場(chǎng)上可以用于3維掃描的設(shè)備非常多，但基本上應(yīng)用于影視制作、三維圖形制作等一些環(huán)境較好場(chǎng)所，國(guó)產(chǎn)設(shè)備中幾乎無(wú)法在高磁場(chǎng)、高粉塵、易磨損環(huán)境中使用。因此優(yōu)選進(jìn)口工業(yè)高頻三維雷達(dá)技術(shù)，可以克服高磁場(chǎng)、高粉塵、易磨損技術(shù)難題，以便滿足鑫業(yè)公司本次改造需求。

2 鋁電解大型密封儲(chǔ)倉(cāng)三維檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 成像原理

利用三維掃描技術(shù)，多個(gè)信號(hào)傳送器發(fā)射低頻脈沖,并接收來(lái)自筒倉(cāng)、開(kāi)放倉(cāng)或其它料倉(cāng)內(nèi)物料表面反射的脈沖回波,不僅能夠監(jiān)測(cè)到每個(gè)回波的時(shí)間/距離，還能監(jiān)測(cè)到回波的方向。設(shè)備的數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行取樣和分析,非常準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)出物料的物位、體積和質(zhì)量,并生成料倉(cāng)內(nèi)物料的實(shí)際分布狀況和三維立體圖像，在遠(yuǎn)程電腦上顯示出來(lái)。同步監(jiān)測(cè)儲(chǔ)存在各種料倉(cāng)的各種固體散狀物料,料倉(cāng)內(nèi)的物料物位，并繪制出物料隨時(shí)間變化而隨機(jī)形成的不規(guī)則表面狀態(tài)，計(jì)算出物料的實(shí)際體積，使物位監(jiān)測(cè)水平達(dá)到了新的高度，解決已有測(cè)量手段無(wú)法解決的問(wèn)題。將儲(chǔ)存在筒倉(cāng)或開(kāi)放倉(cāng)內(nèi)的物料體積、物位和質(zhì)量監(jiān)測(cè)合為一體并以三維圖像顯示出來(lái)的全新理念。

圖1 掃描成像原理圖

圖2 掃描效果展示圖

2.2 掃描儀配置數(shù)量計(jì)算

我公司共有新鮮氧化鋁儲(chǔ)倉(cāng)6個(gè)，載氟氧化鋁儲(chǔ)倉(cāng)6個(gè)，氧化鋁緩沖倉(cāng)6個(gè)，氧化鋁散裝料倉(cāng)2個(gè)，石油焦料倉(cāng)2個(gè)，煅后焦料倉(cāng)2個(gè)，殘極倉(cāng)2個(gè)。本次設(shè)計(jì)范圍為電解區(qū)域2#凈化1個(gè)新鮮氧化鋁儲(chǔ)倉(cāng)和1個(gè)載氟氧化鋁儲(chǔ)倉(cāng)。參數(shù)如下：

單臺(tái)掃描儀檢測(cè)面積計(jì)算公式如下：

單臺(tái)掃描面積=安裝高度差×tan20°×2

單臺(tái)掃描面積=（33-15）×tan20°×2=18×0.36397×2=13（米）

根據(jù)計(jì)算，對(duì)新鮮氧化鋁倉(cāng)和載氟氧化鋁倉(cāng)安裝三維掃描儀數(shù)量配置如下，見(jiàn)表1：

表1 三維掃描儀安裝地點(diǎn)及數(shù)量

2.3 測(cè)量介質(zhì)

（1）被測(cè)介質(zhì)：氧化鋁；

（2）輸送方法：斗提輸送；

（3）環(huán)境溫度，常壓；

（4）現(xiàn)場(chǎng)粉塵較大；

（5）現(xiàn)場(chǎng)有磁場(chǎng)干擾；

（6）介質(zhì)有一定粘附性。

2.4 三維雷達(dá)物位掃描儀技術(shù)參數(shù)選型

（1）功能簡(jiǎn)述：非接觸是測(cè)量/調(diào)頻（FMCW技術(shù)）/多點(diǎn)位同步掃描技術(shù)/測(cè)量物位、體積和質(zhì)量；

（2）工作頻率：高頻電磁波，優(yōu)選140GHz以上；

（3）每個(gè)通道測(cè)量精度：±3mm；

（4）體積測(cè)量精度：根據(jù)測(cè)量對(duì)象參數(shù)不同，不超過(guò)總體積的5%；

（5）環(huán)境溫度：-50--+70℃

（6）工作電壓：24VDC；

（7）料位信號(hào)輸出：4--20mA；

（8）數(shù)字信號(hào)輸出：RS-485 Modbus RTU HART；

（9）存儲(chǔ)設(shè)置：內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，通過(guò)非易失性存儲(chǔ)器保存調(diào)試記錄，

校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和重新計(jì)算平均數(shù)值存儲(chǔ)匯總，實(shí)現(xiàn)智能化料位控制輸出信號(hào)。

2.5 三維雷達(dá)布置安裝示意圖

安裝示意圖見(jiàn)圖3所示。

圖3 三維雷達(dá)安裝示意圖

2.6 掃描儀配置

掃描儀具體配置見(jiàn)表2。

表2 掃描儀配置

2.7 3維雷達(dá)物位測(cè)量系統(tǒng)配置方案

新鮮氧化鋁倉(cāng)和載氟氧化鋁倉(cāng)料位檢測(cè)信號(hào)送至2#凈化集中控制室，整套3維雷達(dá)料位檢測(cè)系統(tǒng)，從現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)檢測(cè)，信號(hào)變送傳輸，到控制室的集中顯示終端構(gòu)成一套完成的獨(dú)立系統(tǒng)。并預(yù)留一個(gè)4～20mA信號(hào)送至凈化控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程控制的保護(hù)連鎖。

2.8 3維雷達(dá)設(shè)備安裝

根據(jù)新鮮氧化鋁貯倉(cāng)、載氟氧化鋁倉(cāng)的尺寸，經(jīng)計(jì)算建議在氧化鋁貯倉(cāng)安裝2臺(tái)3維雷達(dá)物位掃描儀，載氟氧化鋁貯倉(cāng)安裝1臺(tái)。儀表安裝在倉(cāng)體頂部靠近中心位置。安裝位置需開(kāi)一個(gè)φ315的安裝孔配套DN300的法蘭，安裝位置見(jiàn)圖4。

圖4 安裝位置圖

2.9 安裝要求

（1）3維雷達(dá)掃描儀開(kāi)孔尺寸為φ315mm安裝位置下方需避開(kāi)障礙物；如選定的安裝位置下方或邊上有橫梁，我司可采取儀表下沉式安裝，滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量需求。

（2）掃描儀供電電壓為24VDC，現(xiàn)場(chǎng)如不能夠提供24VDC電源，可提供220VAC電源,將220VAC電壓轉(zhuǎn)換為24VDC電壓。

（3）掃描儀4～20mA模擬量信號(hào)輸出，可用于客戶接入PLC/DCS系統(tǒng)，4～20mA無(wú)源信號(hào)。

（4）掃描儀RS485數(shù)字信號(hào)輸出，需要在中控室集中控制器與儀表之間鋪設(shè)一根2芯雙絞屏蔽線，且距離不能超過(guò)800m（也可以鋪設(shè)一條光纖）。然后通過(guò)RS485轉(zhuǎn)換模塊與3維集中控制器連接，配合3維雷達(dá)物位掃描儀專用軟件完成顯示3維成像或體積、質(zhì)量等信息。

3 試驗(yàn)情況

通過(guò)數(shù)據(jù)采集后，可看出采集的數(shù)據(jù)和對(duì)比數(shù)據(jù)非常吻合，誤差較小,能夠適應(yīng)高磁場(chǎng)、高粉塵環(huán)境，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

表3 采集的數(shù)據(jù)和對(duì)比數(shù)據(jù)對(duì)比表（單位：mm）

4 結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)外在密封儲(chǔ)罐料倉(cāng)的盤存上都沒(méi)有很好辦法，只是使用單點(diǎn)料位計(jì)確定物位大體高度，預(yù)防出現(xiàn)安全問(wèn)題。近年來(lái)3維掃描技術(shù)在醫(yī)學(xué)、影視制作等領(lǐng)域應(yīng)用目前比較廣泛，工業(yè)應(yīng)用方面在煤炭行業(yè)應(yīng)用發(fā)展比較多，目前通過(guò)市場(chǎng)收集信息，電解鋁領(lǐng)域只有1家進(jìn)行試用，正在試運(yùn)行階段。該項(xiàng)測(cè)量技術(shù)的突破，對(duì)儲(chǔ)罐料倉(cāng)料位的精確測(cè)量對(duì)電解槽的管理與生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)決策具有非常重要意義。