張寶樹(shù)，劉玉文

(承德石油高等?？茖W(xué)校教務(wù)處，河北承德 067000)

定量出鋁的自動(dòng)控制

張寶樹(shù)，劉玉文

(承德石油高等?？茖W(xué)校教務(wù)處，河北承德 067000)

在簡(jiǎn)要介紹定量出鋁手動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了定量出鋁自動(dòng)控制的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)介紹了定量出鋁控制器的主要功能，并給出了定量出鋁自動(dòng)控制的試驗(yàn)結(jié)果。

電解鋁;定量;自動(dòng)控制

在電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中，需要將電解車間生產(chǎn)的鋁液及時(shí)定量地運(yùn)送至鑄造車間，以保證生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行。隨著鋁電解生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，出鋁技術(shù)也需要不斷進(jìn)步，使電解鋁生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益以及出鋁工的勞動(dòng)強(qiáng)度得以改善。

1 手動(dòng)控制定量出鋁

目前電解鋁生產(chǎn)企業(yè)大多采用的出鋁方式是手動(dòng)控制定量出鋁，系統(tǒng)如圖1所示。圖a)為壓縮空氣出鋁部分，主要包括天車、空壓機(jī)及壓縮空氣管路、出鋁抬包和電解槽;b)為電子稱重部分。稱重傳感器安裝在天車與抬包之間，其輸出的重量信號(hào)經(jīng)過(guò)二次儀表處理后，在大屏幕上顯示抬包內(nèi)鋁液的凈重。抬包是一個(gè)可以形成負(fù)壓的密封罐，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，其關(guān)鍵部件是負(fù)壓發(fā)生裝置—噴射器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

出鋁時(shí)，將壓縮空氣管路接至出鋁抬包，并將吸鋁管插入電解槽的鋁液中，啟動(dòng)壓縮機(jī)并接通控制閥，壓縮空氣進(jìn)入噴射器。壓縮空氣通過(guò)噴射器的收縮噴嘴后，在負(fù)壓室形成一束高速射流，吸卷負(fù)壓室內(nèi)的空氣一起進(jìn)入擴(kuò)壓管，在擴(kuò)壓管內(nèi)擴(kuò)壓減速后進(jìn)入接收室，最后在接收室內(nèi)消音后排出。由于射流的卷吸作用，使得射流周邊空氣壓力降低，抬包內(nèi)的空氣不斷補(bǔ)充進(jìn)負(fù)壓室，因而在抬包內(nèi)形成負(fù)壓。電解鋁液在負(fù)壓的作用下不斷被吸入抬包內(nèi)。當(dāng)關(guān)閉控制閥壓縮空氣停風(fēng)后，抬包在剩余負(fù)壓的作用下，繼續(xù)吸入一部分的鋁液，直至負(fù)壓衰減完為止。

在出鋁定量控制中，需要滿足如下關(guān)系式:

式中，M1為停風(fēng)前已經(jīng)吸入的鋁液重量;M2為停風(fēng)后剩余負(fù)壓所吸入的鋁液重量;M為定量。

根據(jù)工藝要求，一包鋁液一般要求從3～4個(gè)指定的槽中吸得，每槽都有各自的定量，以往采用手動(dòng)控制定量出鋁時(shí)，在開(kāi)始吸鋁后，地面的出鋁工必須關(guān)注電子秤顯示重量的增加速度，并根據(jù)速度的快慢估計(jì)出一個(gè)提前量M2。當(dāng)吸入重量在到達(dá)M1=M－M2時(shí)，出鋁工呼叫天車司機(jī)關(guān)閉氣路電磁閥，高壓空氣射流停止。由于出鋁工往往估計(jì)不準(zhǔn)吸鋁速度，所以實(shí)際上停風(fēng)后剩余負(fù)壓所吸入鋁液的重量與估計(jì)的提前量M2相比有較大誤差。

在若干個(gè)結(jié)構(gòu)相同的抬包中，由于制造或維修上的原因，其密封程度存在較大差異;即便是同一抬包，每次澆包后快開(kāi)蓋的密封效果也不一樣;因此，每次吸鋁時(shí)抬包的密封程度往往是不同的，在抬包內(nèi)形成的負(fù)壓也是不同的，吸鋁速度相差很大。

在每一槽的吸鋁過(guò)程中，從開(kāi)始到結(jié)束，包內(nèi)剩余空間逐步減少，空氣溫度逐步升高，因此其吸鋁速度是逐步加快的;當(dāng)然，壓縮空氣壓力的波動(dòng)，對(duì)吸鋁速度的影響更是直接的。

由于吸鋁速度在每次吸鋁時(shí)的不確定性，所以在采用手動(dòng)控制定量吸鋁時(shí)，出鋁工通過(guò)觀察吸鋁的快慢并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)出的提前量M2很難精確到較高程度，結(jié)果造成手動(dòng)控制的定量效果一般較差。

為了盡可能地減小定量誤差，一般電解鋁生產(chǎn)企業(yè)對(duì)出鋁工的手動(dòng)控制精度制訂了懲罰制度，力圖保障吸鋁的定量精度。實(shí)際上，盡管出鋁工很小心，可畢竟是人為控制，超差的情況還是時(shí)有發(fā)生，影響了產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益;同時(shí)，由于出鋁過(guò)程中出鋁工必須小心加小心地盯著重量顯示屏，精神壓力和勞動(dòng)強(qiáng)度較大，可還是難免因超差而受罰，影響了出鋁工的工作情緒。

如果能夠比較準(zhǔn)確地測(cè)量出吸鋁速度，計(jì)算出提前量M2，在吸鋁到達(dá)M1=M－M2時(shí)自動(dòng)關(guān)閉氣路電磁閥，相信能夠取得比較高的定量精度。定量吸鋁自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖4所示。

2 基于單片機(jī)測(cè)量出鋁速度的定量控制

假設(shè)在時(shí)刻t停風(fēng)，停風(fēng)前后時(shí)刻的負(fù)壓(設(shè)為:Pt－、Pt+)是連續(xù)且相等的，即Pt+=Pt－，則M2與Pt+直接相關(guān)，也就是與Pt－直接相關(guān)，而Pt－又通過(guò)該時(shí)刻的吸鋁速度(設(shè)為:Vt－)直接表現(xiàn)出來(lái)。因此可以假設(shè)關(guān)系式(2)成立:

式中K為待定的比例系數(shù)，可以通過(guò)試驗(yàn)的方法求得合適值。計(jì)算出M2后，即可求得M1。當(dāng)吸鋁重量到達(dá)M1時(shí)刻(相對(duì)于定量M，提前量為M2)，控制器關(guān)閉控制閥，應(yīng)該能達(dá)到定量出鋁的目標(biāo)。

然而停風(fēng)時(shí)刻t是未知的，因而停風(fēng)前的吸鋁速度Vt－是不確定的。筆者在設(shè)計(jì)中以吸鋁量在定量的40% ～60%之間的平均吸鋁速度充代停風(fēng)前的吸鋁速度Vt－，取得了比較好的定量效果。設(shè):

V為吸鋁過(guò)程中吸鋁量在定量的40%～60%之間的平均吸鋁速度，單位為kg/s;K為比例系數(shù)，其大小理論上相當(dāng)于以吸鋁速度V吸入提前量M2的鋁液所需要的時(shí)間(單位為s)，實(shí)際中采用試驗(yàn)的方法求得合適值。

設(shè):t1為吸鋁到40%定量時(shí)的時(shí)間值，t2為吸鋁到60%定量時(shí)的時(shí)間值，則吸鋁速度V的計(jì)算公式為:

即當(dāng)吸鋁到40%定量和60%定量時(shí)，先后讀取并保存時(shí)鐘的時(shí)分秒值t1和t2;按公式(4)求出這段時(shí)間的平均吸鋁速度V，再按公式(3)求出提前量。當(dāng)吸鋁量到達(dá)M1=M－M2時(shí)，控制器關(guān)閉控制閥。

3 定量出鋁自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

定量出鋁自動(dòng)控制器構(gòu)成如圖5所示。單片機(jī)采用WINBOND公司的W77E58，U盤接口采用南京沁恒電子公司的U盤文件讀寫模塊CH375，其他電路主要包括時(shí)鐘DS12887、掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器AT28C64B等。

槽號(hào)和定值可由操作者通過(guò)鍵盤設(shè)定，也可由上位機(jī)通過(guò)無(wú)線通信傳送給控制器;槽號(hào)、定值和實(shí)際重量分三行LED數(shù)碼顯示，可對(duì)現(xiàn)有的料單進(jìn)行查詢、修改、刪除或增加操作;自動(dòng)保存每槽吸鋁的日期時(shí)間、定值和實(shí)際重量，存儲(chǔ)器一次最多可存儲(chǔ)320槽，掉電不丟失，存滿報(bào)警提示。稱重傳感器將重量變換為模擬電信號(hào)送給二次儀表，二次儀表將模擬電信號(hào)變換為RS422串行數(shù)據(jù)通過(guò)串行接口送給控制器;RS422串行輸出接大屏幕，實(shí)時(shí)顯示吸鋁重量和累計(jì)值。每一槽吸鋁完成后，吸鋁時(shí)間、定量和實(shí)際重量自動(dòng)保存在數(shù)據(jù)掉電保持存儲(chǔ)器中，用戶可每隔一段時(shí)間通過(guò)U盤讀取這些數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)存到電腦上，也可由上位機(jī)通過(guò)無(wú)線通信采集這些數(shù)據(jù)，還可選配微型打印機(jī)輸出。

4 定量吸鋁自動(dòng)控制的誤差分析

表1為包鋁四期某臺(tái)天車采用定量出鋁控制器后的出鋁數(shù)據(jù)，誤差比安裝定量出鋁控制器前減小明顯(手動(dòng)控制誤差平均在50 kg以上)，控制效果得到了企業(yè)的認(rèn)可。經(jīng)過(guò)定量出鋁控制器在該廠八臺(tái)天車的推廣應(yīng)用，明顯改善了產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，減輕了出鋁工的勞動(dòng)強(qiáng)度和精神壓力。

表1 包鋁四期定量吸鋁自動(dòng)控制的試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，盡管采用了基于單片機(jī)測(cè)量吸鋁速度的定量出鋁自動(dòng)控制器，實(shí)際上仍然存在著一定的誤差。這些誤差筆者認(rèn)為主要來(lái)源于兩個(gè)方面:一是從測(cè)量到控制的滯后時(shí)間，主要包括傳感器的反應(yīng)時(shí)間、二次儀表的數(shù)據(jù)處理時(shí)間、自動(dòng)控制器的程序掃描周期、信號(hào)的傳遞時(shí)間、電磁閥的執(zhí)行時(shí)間等;二是由于在每槽的吸鋁過(guò)程中，包內(nèi)剩余空間逐步減少，空氣溫度逐步升高，因此其吸鋁速度是逐步加快的;壓縮空氣壓力的波動(dòng)，對(duì)吸鋁速度的影響更是直接的。所以吸鋁速度在吸鋁過(guò)程中并非是一致的，造成控制器測(cè)量出的吸鋁速度V與停風(fēng)前的吸鋁速度Vt－時(shí)常存在不定差別。

［1］ 王桂芝.鋁電解槽的壓縮空氣出鋁［J］.輕金屬，1999(1):36－38.

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Automatic Control of Quantitative Al-out

ZHANG Bao-shu，LIU Yu-wen
(Deaprtment of Teaching Affairs，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

After introducing briefly the methods of manual control of quantitative aluminum，this paper focused on the basic principles and realization methods of automatic control of quantitative aluminum，and introduced the main function of the controller at the same time.Then it gave the test results of automatic control of quantitative aluminum.

aluminum electrolysis;quantitative;automatic control

TG3

B

1008-9446(2011)02-0049-04

2011-03-18

張寶樹(shù)(1964－)，男，河北省興隆縣人，承德石油高等?？茖W(xué)校教授，工程碩士，主要從事教學(xué)管理和電子技術(shù)應(yīng)用研究等工作。