韓雄南

(昆明冶金研究院,云南 昆明 650031)

1 引 言

電解工藝是濕法冶煉的主流程,電解槽極板在電解過(guò)程中容易發(fā)生短路現(xiàn)象,浪費(fèi)了大量的電能,直接影響著電解產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和成本。需要判斷極板是否短路,目前采用人工檢測(cè)及移動(dòng)式檢測(cè)儀器的方法,需要大量的人力物力,由于各個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)等因素使判別極板短路的效力不高,關(guān)鍵是不可能全面實(shí)時(shí)地對(duì)所有極板短路進(jìn)行有效檢測(cè)。

根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)及理論分析,極板短路時(shí),兩極板間電流增大,使極板溫度顯著升高,通過(guò)對(duì)極板溫度的監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)極板短路的有效檢測(cè)。因此,系統(tǒng)采用了較為先進(jìn)的數(shù)字化溫度傳感器,并通過(guò)一線總測(cè)溫傳感器和 RS 485總線作為通信協(xié)議的工業(yè)局域網(wǎng)信號(hào)傳到上位機(jī)進(jìn)行全面的更為方便有效的巡檢監(jiān)測(cè)。

2 檢測(cè)傳感器

2.1 檢測(cè)傳感器的選擇

一個(gè)電解車(chē)間少則有幾千對(duì)電解極板,多則有上萬(wàn)對(duì)。要檢測(cè)每對(duì)極板的溫度,就需要成千上萬(wàn)的溫度傳感器,如果采用傳統(tǒng)的溫度傳感器,存在著成本高、重要的是體積大,無(wú)法實(shí)現(xiàn)在極板之間安裝。另外傳統(tǒng)的傳感器測(cè)出的信號(hào)是模擬信號(hào),要把它送給上位機(jī),還需經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換。這樣每一個(gè)點(diǎn)的成本平均增加上百元。所以電解極板的溫度檢測(cè)關(guān)鍵在于選擇測(cè)溫傳感器,既要體積小成本低,又要性能優(yōu)越。

圖1 傳感器安裝示意圖Fig.1 Sensor installation schematic diagram

采用美國(guó) DALLAS公司生產(chǎn)的 DSI8B20數(shù)字溫度傳感器,如圖1所示,形狀與一個(gè)三極管相似(4.5 mm×4.8 mm),體積小安裝方便、成本低,由于采用 DALLAS公司特有的 “一線總線”技術(shù),即可聯(lián)網(wǎng),也可分散測(cè)量,并有較高的分辨率:0.0625℃;測(cè)量精度達(dá): ±0.5℃;測(cè)量范圍: -55～+125℃。是能夠滿足電解極板短路時(shí)檢測(cè)的理想數(shù)字傳感器。

2.2 檢測(cè)傳感器的特點(diǎn)

采用一線總線技術(shù),所有的讀寫(xiě)信號(hào)及電源的提供均可通過(guò)一條數(shù)據(jù)線來(lái)完成,而不需另外接線,每一個(gè)數(shù)字溫度傳感器在出廠時(shí)都有一個(gè)唯一的 ID編號(hào),在編寫(xiě)與上位機(jī)的通訊程序時(shí)不需要為每一個(gè)傳感器重新編號(hào),上位機(jī)可自動(dòng)識(shí)別。

DSI8B20數(shù)字化智能集成的傳感器,其特點(diǎn)是:①每個(gè) DSI8B20都有一個(gè) 64位的固化存儲(chǔ)器。前 6位是一線總線編碼,接著的 48位是出廠時(shí)的系列號(hào),最后 8位是 CRC效驗(yàn)碼。CRC效驗(yàn)碼可以由工程人員根據(jù)相應(yīng)的公式和前邊的數(shù)據(jù)計(jì)算得出,以此驗(yàn)證數(shù)據(jù)讀取是否有效。②溫度傳感器 DSI8B20的獨(dú)特功能是集成片有一個(gè)能直接把測(cè)量的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),并具有較高的分辨率和測(cè)量精度。③異常溫度上下限報(bào)警寄存器,測(cè)量的溫度先與它們比較,確定是否有效。當(dāng)測(cè)量的溫度高于寄存器 TH值或低于 TL值時(shí),CRC效驗(yàn)碼中的報(bào)警標(biāo)志位將被置位,效驗(yàn)碼中的報(bào)警標(biāo)志位每次測(cè)量都會(huì)被更新。④DSI8B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)允許采用兩種供電方式。如圖1所示,一種是通過(guò)數(shù)據(jù)線供電,將傳感器的VCC管腳和 GND管腳接地。當(dāng)數(shù)據(jù)線出現(xiàn)高電位時(shí),傳感器自動(dòng)儲(chǔ)存所需的電能,直到下次再出現(xiàn)高電位,這種供電方式節(jié)省了布線數(shù)量,但會(huì)影響通訊的速度。另一種是通過(guò)傳感器的 VCC和GND管腳直接和另接電源相連,這樣數(shù)據(jù)線只用來(lái)傳遞數(shù)據(jù),通訊速度不受影響。

2.3 傳感器的安裝

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)要進(jìn)行傳感器安裝,既不能改變現(xiàn)有設(shè)備結(jié)構(gòu),也不能影響正常生產(chǎn),同時(shí),要安裝方便可靠。如圖1所示,為了使陽(yáng)極板的溫度快速地傳遞給溫度傳感器,裝置采用導(dǎo)熱性較好的金屬材料做成,并做一定的防腐處理。將溫度傳感器放入導(dǎo)熱片中,再用導(dǎo)熱硅膠注入小孔內(nèi),以增加它的導(dǎo)熱性能。再把導(dǎo)熱片安裝在陽(yáng)極板的銅棒放置的位置,讓它充分接觸,要保證極板溫度能很快傳遞到溫度傳感器上。

3 檢測(cè)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.1 檢測(cè)數(shù)據(jù)的通訊

由于溫度傳感器DSI7B20特有的 “一線總線”技術(shù),實(shí)現(xiàn)了一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸,最大限度的節(jié)省了通訊線的數(shù)量。另外,由于它是數(shù)字化溫度傳感器,其傳輸?shù)男盘?hào)直接就是數(shù)字信號(hào),不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,傳感器可以直接和上位機(jī)相連。但由于電解車(chē)間極板較多,需要大量的傳感器,為提高通訊速率,在傳感器與上位機(jī)之間加入一個(gè)采集轉(zhuǎn)換模塊,由它對(duì)各傳感器進(jìn)行溫度采集并向上位機(jī)提供數(shù)據(jù)。

3.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集

采集模塊采用單 CPU結(jié)構(gòu),由它對(duì)傳感器進(jìn)行自動(dòng)巡檢,實(shí)時(shí)刷新數(shù)據(jù)緩沖區(qū),提高系統(tǒng)的采集速度。由于采用一線總線技術(shù),理論上就可以只用一根數(shù)據(jù)線把所有的傳感器連入采集模塊,但實(shí)際上,由于通訊距離,測(cè)量電纜導(dǎo)線電阻及電纜線的線間電容都會(huì)影響通訊的準(zhǔn)確性,所以采集模塊設(shè)有 8個(gè)信號(hào)輸入通道,把每根電纜上的傳感器數(shù)量降下來(lái),一般每根通訊電纜上的傳感器數(shù)不超過(guò)64個(gè),另外為了提高抗干擾和傳輸距離,采用 RS-485工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò),它具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較遠(yuǎn)的傳輸距離,廣泛運(yùn)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳輸中。如圖2所示。

上位機(jī)向采集模塊讀數(shù)據(jù)時(shí),為了獲得較高的通訊速度,采用 RS-232通訊端口。RS-232網(wǎng)絡(luò)和 RS-485網(wǎng)絡(luò)之間用轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接,該轉(zhuǎn)換器除了有總線轉(zhuǎn)換功能外,還具有隔離作用。

圖2 系統(tǒng)電器原理圖Fig.2 Schematic diagram of system electrical equipment

3.3 軟件開(kāi)發(fā)

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用組態(tài)王工控軟件。組態(tài)王是工控軟件中開(kāi)發(fā)較早,較為完整的軟件,其功能強(qiáng),接口豐富,通過(guò)它的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)能方便地編寫(xiě)運(yùn)行畫(huà)面,方便直觀地對(duì)各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,并對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警處理和打印處理,并可編制歷史曲線圖,給管理人員提供歷史參考數(shù)據(jù)。

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)

本項(xiàng)目在云南瀾滄鉛鋅礦電解車(chē)間對(duì)兩個(gè)電解槽,64對(duì)陰陽(yáng)極板,在陰極板安裝了檢測(cè)系統(tǒng),系統(tǒng)調(diào)試正常進(jìn)行。在為期 1月的實(shí)驗(yàn)后,獲取系統(tǒng)采溫度數(shù)據(jù) (數(shù)據(jù)太多不便全部列出)。我們只把系統(tǒng)采溫度中當(dāng)極板短路時(shí)溫度變化及處理過(guò)程的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。

表1 極板短路時(shí)溫度變化表Tab.1 Temperature variation list of plate short circuit

整個(gè)系統(tǒng)能快速準(zhǔn)確地反應(yīng)極板短路時(shí)工作狀態(tài),并在上位機(jī)上即時(shí)報(bào)警顯示。

5 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,檢測(cè)系統(tǒng)能較好地完成對(duì)各個(gè)極板溫度變化的巡察、檢測(cè),能快速、靈敏地對(duì)極板短路初期及變化過(guò)程準(zhǔn)確地反映。檢測(cè)極板短路溫度比直接測(cè)量極板短路電流等其它方法更方便有效。由于采用了DSI8B20數(shù)字溫度傳感器和 485工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)降低系統(tǒng)成本,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)優(yōu)化。總之系統(tǒng)從理論上和實(shí)際應(yīng)用研究上都有效可行,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化及推廣應(yīng)用大有前景。

注:該課題審報(bào)后,已認(rèn)定為云南省科技攻關(guān)項(xiàng)目。

[1]甘 勇,宋春來(lái),宋寅卯.數(shù)字溫度傳感器 DS18B20在多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2001,35(4):391-393.

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