鋁電解陽(yáng)極電流分布在線無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

李 清，盛樹(shù)軍，崔旭東

(1.河南省工業(yè)學(xué)校,河南 鄭州 450002；2.陜西有色金屬控股集團(tuán),陜西 西安 710000)

鋁電解生產(chǎn)中,系列電流是通過(guò)陽(yáng)極大母線上壓接的多個(gè)陽(yáng)極導(dǎo)桿將電流傳輸至陽(yáng)極炭塊,再通過(guò)電解質(zhì),鋁液,陰極炭塊,鋼棒等材料到陰極的,陽(yáng)極電流分布應(yīng)該是均勻的。尤其是焙燒啟動(dòng)時(shí),陽(yáng)極電流分布不均勻如不及時(shí)調(diào)整,會(huì)引發(fā)偏流,會(huì)使部分陽(yáng)極陽(yáng)極組的電流大幅度增加,從而導(dǎo)致影響電解槽技術(shù)參數(shù)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo),偏流嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極導(dǎo)桿的爆炸焊塊開(kāi)焊,造成脫極的嚴(yán)重事故,直接影響電解槽或電解系列的穩(wěn)定性。

因此,實(shí)際生產(chǎn)中,對(duì)全系列電解槽各個(gè)陽(yáng)極電流分布情況實(shí)施在線實(shí)時(shí)監(jiān)控,及時(shí)了解電流分布的變化,并能顯示實(shí)時(shí)和歷史曲線的變化趨勢(shì),可以對(duì)提高電解槽的管理水平,保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性具有重大的意義。

1 現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

當(dāng)前鋁電解廠陽(yáng)極電流分布檢測(cè)為人工手持綁有電壓表的鋼叉,將鋼叉頭壓在陽(yáng)極導(dǎo)桿上,逐個(gè)檢測(cè)各陽(yáng)極導(dǎo)桿的電壓降并記錄下來(lái),此方法簡(jiǎn)單,但耗時(shí)費(fèi)力,測(cè)量誤差偏大,而且每臺(tái)槽多組陽(yáng)極電流檢測(cè)不同步,不能實(shí)時(shí)掌握陽(yáng)極電流分布變化。

也有采用穿心式直流互感器套在陽(yáng)極導(dǎo)桿上測(cè)電流的,但是在電解廠房?jī)?nèi)高溫,高磁場(chǎng),高灰塵的環(huán)境中都易損壞,測(cè)量不準(zhǔn)確,而且在現(xiàn)場(chǎng)工況下安裝困難且對(duì)陽(yáng)極換極不便[1]。

還有通過(guò)在線測(cè)控機(jī)測(cè)量顯示的,其測(cè)量點(diǎn)多是固定的,但由于陽(yáng)極組需要根據(jù)換極周期定期更換,每次都要拆卸重新安裝,工人操作麻煩,所以一直沒(méi)能推廣實(shí)施。

2 在線陽(yáng)極電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理

陽(yáng)極電流分布在線無(wú)線檢測(cè)控制系統(tǒng),是基于等距壓降測(cè)量原理, 即U=IR,電阻一定時(shí),電壓的變化與電流成正比。通過(guò)測(cè)量陽(yáng)極等距壓降的變化反映出對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極電流變化。采用微電壓傳感器采集陽(yáng)極導(dǎo)桿壓降,經(jīng)抗干擾過(guò)濾后將采集到的信號(hào)送至處理器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)歸集中心,存放于服務(wù)器。監(jiān)測(cè)終端通過(guò)對(duì)服務(wù)器云平臺(tái)的訪問(wèn),可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),手機(jī)端支持蘋(píng)果和安卓系統(tǒng),普通PC終端可實(shí)現(xiàn)日?qǐng)?bào)表、周報(bào)表、月報(bào)表下載和各種數(shù)據(jù)可視化顯示[2]。實(shí)現(xiàn)了鋁電解槽電流分布的在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)分析,如圖1。

圖1 陽(yáng)極電流無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

陽(yáng)極電流無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成主要由原始數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元系統(tǒng)和數(shù)據(jù)云儲(chǔ)存系統(tǒng)組成。

2.2.1 原始數(shù)據(jù)采集端

將專門(mén)夾具固定安裝在對(duì)應(yīng)的每一個(gè)陽(yáng)極上,并在與夾具聯(lián)結(jié)的連接桿端頭安裝2個(gè)耐高溫的金屬觸點(diǎn),壓接在陽(yáng)極背面,觸點(diǎn)噴涂抗高溫氧化涂層,以保證接觸點(diǎn)測(cè)量的穩(wěn)定性。如圖2所示,將2個(gè)觸點(diǎn)測(cè)得的等距電壓信號(hào)通過(guò)耐高溫導(dǎo)線引入到電壓采集模塊,再將電壓信號(hào)經(jīng)專用測(cè)量PLC處理,通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)上傳到云系統(tǒng)。測(cè)量電壓量程為10 mV,精度1 mV,每10秒采集一次,24小時(shí)在線,能準(zhǔn)確反映電壓的微小波動(dòng),排除了人工測(cè)量周期長(zhǎng)、個(gè)人操作方式不當(dāng)造成誤差等方面的弊端,真正做到數(shù)據(jù)同步跟隨[3]。

圖2 夾具安裝觸點(diǎn)采集電壓圖

2.2.2 信號(hào)處理單元

觸點(diǎn)采集的微電壓信號(hào),經(jīng)電壓采集模塊傳輸進(jìn)入系統(tǒng)信號(hào)處理單元,經(jīng)特定程序處理轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)。信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)過(guò)程中采用抗干擾措施以減少電磁干擾,數(shù)據(jù)處理單元采用西門(mén)子PLC,具有體積小、功能強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠。采集到電壓數(shù)據(jù),經(jīng)網(wǎng)關(guān)發(fā)射直接進(jìn)入無(wú)線網(wǎng)絡(luò),無(wú)須布置任何連接線,大大簡(jiǎn)化了施工難度,提高了控制、維護(hù)便利性。

2.2.3 云系統(tǒng)

將采集到的電壓信號(hào)經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆葡到y(tǒng)。云系統(tǒng)是交換中樞,負(fù)責(zé)整個(gè)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制與數(shù)據(jù)交換。其中心就是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),采用數(shù)據(jù)入網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了集中采集、無(wú)線傳輸、集中處理、分散顯示,通過(guò)手機(jī)APP或任何能連接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備均能隨時(shí)隨地查看監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),不受時(shí)間、地點(diǎn)影響。

云系統(tǒng)依托阿里云的強(qiáng)大穩(wěn)定性,保證24小時(shí)×365天穩(wěn)定在線,可以保證任何時(shí)間、任何地點(diǎn)監(jiān)測(cè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),只要有互聯(lián)網(wǎng)的地方就可以實(shí)時(shí)觀察,如圖3。

圖3 云系統(tǒng)示意圖

陽(yáng)極電流無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到云系統(tǒng),以實(shí)時(shí)狀態(tài)電壓顯示圖,實(shí)時(shí)陽(yáng)極電壓變化曲線圖及表格等在終端設(shè)備上形象的顯示出來(lái)[4],如圖4。

圖4 實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)圖

2.3 在線陽(yáng)極電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施效果

鋁電解槽陽(yáng)極電流在線無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)某鋁廠安裝測(cè)試,通過(guò)在線監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)電壓變化曲線,反應(yīng)出陽(yáng)極電流的變化,可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際要求,分別通過(guò)實(shí)時(shí)畫(huà)面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)曲線、警告管理、報(bào)表管理幾項(xiàng)功能展現(xiàn)出來(lái)。

2.3.1 實(shí)時(shí)畫(huà)面

利用模擬畫(huà)面的方式顯示各陽(yáng)極導(dǎo)桿的等距壓降,數(shù)據(jù)詳實(shí),畫(huà)面直觀,如下圖5所示某鋁廠陽(yáng)極電壓監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)畫(huà)面,可以隨時(shí)觀察各導(dǎo)桿的電壓數(shù)據(jù),清晰明了。

圖5 陽(yáng)極導(dǎo)桿實(shí)時(shí)壓降圖

2.3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

按照設(shè)定標(biāo)準(zhǔn),每隔10秒鐘采樣一次電壓信號(hào)。并能從表格中實(shí)時(shí)查詢。如表1為電解槽現(xiàn)場(chǎng)部分陽(yáng)極的陽(yáng)極電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),見(jiàn)表1。

表1 陽(yáng)極電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表

2.3.3 數(shù)據(jù)曲線

以曲線的形式展現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄,可以展現(xiàn)單個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極的陽(yáng)極電壓波動(dòng)曲線。如圖6為1308#電解槽A3極一天的電壓正常波動(dòng)曲線。也可以展現(xiàn)多個(gè)陽(yáng)極的陽(yáng)極電壓曲線,從全局把握電解槽多個(gè)陽(yáng)極的陽(yáng)極電流波動(dòng)情況。如圖7為凌晨4:30左右,B14極、B17極電壓升高有波動(dòng),時(shí)間比較短,隨后比較穩(wěn)定。

圖6 單陽(yáng)極電壓波動(dòng)曲線圖

圖7 多個(gè)陽(yáng)極陽(yáng)極電壓波動(dòng)曲線圖

2.3.4 警告管理

陽(yáng)極電流發(fā)生異常變化時(shí), 設(shè)置了電壓報(bào)警范圍,一旦超過(guò)正常值,會(huì)在監(jiān)控畫(huà)面中反映出來(lái)具體位置,也可以根據(jù)需要加入聲光報(bào)警裝置或聲音提示功能,使報(bào)警提示更直觀。如圖8所示陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生時(shí),顯示紅色報(bào)警。

圖8 陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生報(bào)警圖

2.3.5 電壓報(bào)表及效應(yīng)報(bào)表管理

每隔24小時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成一張excel格式的電壓數(shù)據(jù)記錄表;每過(guò)7天,自動(dòng)生成一張周數(shù)據(jù)記錄表,用于匯總記錄每天每根導(dǎo)桿的電壓數(shù)據(jù)。圖9為發(fā)生時(shí)的電壓曲線和效應(yīng)電壓報(bào)表。通過(guò)這些可以了解到陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生時(shí)間和持續(xù)時(shí)間以及陽(yáng)極效應(yīng)電壓的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖9 陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生及報(bào)表圖

在線陽(yáng)極電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用,可以避免人工測(cè)量的誤差,通過(guò)實(shí)時(shí)狀態(tài)圖,電壓變化曲線,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表等手段,及時(shí)反映出電解槽的陽(yáng)極電流變化狀態(tài)和陽(yáng)極效應(yīng)電壓發(fā)生狀況,從中可以判斷陽(yáng)極組工作的狀態(tài),預(yù)測(cè)研判電解槽的運(yùn)行狀況趨勢(shì),提供對(duì)電解槽技術(shù)調(diào)整操作的科學(xué)依據(jù),穩(wěn)定了電解槽工藝技術(shù)條件,保證電解槽的穩(wěn)定運(yùn)行,有助于進(jìn)一步提高電解鋁生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

3 結(jié) 論

鋁電解槽陽(yáng)極電流在線無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了鋁電解槽陽(yáng)極電流分布的在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)分析,消除了當(dāng)前鋁電解廠傳統(tǒng)人工巡視測(cè)量數(shù)據(jù)的錄入誤差及檢測(cè)不同步,耗費(fèi)人工和時(shí)間的弊端,提高了一線工人的測(cè)量效率。

陽(yáng)極電流的實(shí)時(shí)監(jiān)控,施工方便,安裝簡(jiǎn)單,無(wú)需架設(shè)電纜聯(lián)接主控室,通過(guò)手機(jī)或計(jì)算機(jī)終端連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以隨時(shí)隨地查看調(diào)取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),改變了當(dāng)前鋁電解行業(yè)對(duì)陽(yáng)極電流分布參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析的工作模式,提高了數(shù)據(jù)的使用效率,為深入研究鋁電解生產(chǎn)過(guò)程變化、把握電解槽運(yùn)行狀態(tài)提供了參考。