李 清，盛樹軍，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,系列電流是通過陽極大母線上壓接的多個陽極導(dǎo)桿將電流傳輸至陽極炭塊,再通過電解質(zhì),鋁液,陰極炭塊,鋼棒等材料到陰極的,陽極電流分布應(yīng)該是均勻的。尤其是焙燒啟動時,陽極電流分布不均勻如不及時調(diào)整,會引發(fā)偏流,會使部分陽極陽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)重時還會導(dǎo)致陽極導(dǎo)桿的爆炸焊塊開焊,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,對全系列電解槽各個陽極電流分布情況實(shí)施在線實(shí)時監(jiān)控,及時了解電流分布的變化,并能顯示實(shí)時和歷史曲線的變化趨勢,可以對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)狀及存在問題

當(dāng)前鋁電解廠陽極電流分布檢測為人工手持綁有電壓表的鋼叉,將鋼叉頭壓在陽極導(dǎo)桿上,逐個檢測各陽極導(dǎo)桿的電壓降并記錄下來,此方法簡單,但耗時費(fèi)力,測量誤差偏大,而且每臺槽多組陽極電流檢測不同步,不能實(shí)時掌握陽極電流分布變化。

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

還有通過在線測控機(jī)測量顯示的,其測量點(diǎn)多是固定的,但由于陽極組需要根據(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,所以一直沒能推廣實(shí)施。

2 在線陽極電流監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理

陽極電流分布在線無線檢測控制系統(tǒng),是基于等距壓降測量原理, 即U=IR,電阻一定時,電壓的變化與電流成正比。通過測量陽極等距壓降的變化反映出對應(yīng)的陽極電流變化。采用微電壓傳感器采集陽極導(dǎo)桿壓降,經(jīng)抗干擾過濾后將采集到的信號送至處理器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通過智能網(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)測終端通過對服務(wù)器云平臺的訪問,可遠(yuǎn)程實(shí)時查看監(jiān)測數(shù)據(jù),手機(jī)端支持蘋果和安卓系統(tǒng),普通PC終端可實(shí)現(xiàn)日報(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)測和實(shí)時分析,如圖1。

圖1 陽極電流無線監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)的組成

陽極電流無線監(jiān)測系統(tǒng)組成主要由原始數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),數(shù)據(jù)信號處理單元系統(tǒng)和數(shù)據(jù)云儲存系統(tǒng)組成。

2.2.1 原始數(shù)據(jù)采集端

將專門夾具固定安裝在對應(yīng)的每一個陽極上,并在與夾具聯(lián)結(jié)的連接桿端頭安裝2個耐高溫的金屬觸點(diǎn),壓接在陽極背面,觸點(diǎn)噴涂抗高溫氧化涂層,以保證接觸點(diǎn)測量的穩(wěn)定性。如圖2所示,將2個觸點(diǎn)測得的等距電壓信號通過耐高溫導(dǎo)線引入到電壓采集模塊,再將電壓信號經(jīng)專用測量PLC處理,通過無線網(wǎng)關(guān)上傳到云系統(tǒng)。測量電壓量程為10 mV,精度1 mV,每10秒采集一次,24小時在線,能準(zhǔn)確反映電壓的微小波動,排除了人工測量周期長、個人操作方式不當(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 信號處理單元

觸點(diǎn)采集的微電壓信號,經(jīng)電壓采集模塊傳輸進(jìn)入系統(tǒng)信號處理單元,經(jīng)特定程序處理轉(zhuǎn)化為輸出信號。信號處理單元設(shè)計(jì)過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)入無線網(wǎng)絡(luò),無須布置任何連接線,大大簡化了施工難度,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經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)無線網(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、無線傳輸、集中處理、分散顯示,通過手機(jī)APP或任何能連接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備均能隨時隨地查看監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),不受時間、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×365天穩(wěn)定在線,可以保證任何時間、任何地點(diǎn)監(jiān)測工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù),只要有互聯(lián)網(wǎng)的地方就可以實(shí)時觀察,如圖3。

圖3 云系統(tǒng)示意圖

陽極電流無線監(jiān)測系統(tǒng)采集的電壓信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到云系統(tǒng),以實(shí)時狀態(tài)電壓顯示圖,實(shí)時陽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[4],如圖4。

圖4 實(shí)時顯示系統(tǒng)圖

2.3 在線陽極電流監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)施效果

鋁電解槽陽極電流在線無線監(jiān)測系統(tǒng)在國內(nèi)某鋁廠安裝測試,通過在線監(jiān)測實(shí)時電壓變化曲線,反應(yīng)出陽極電流的變化,可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際要求,分別通過實(shí)時畫面、實(shí)時數(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。

2.3.1 實(shí)時畫面

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

圖5 陽極導(dǎo)桿實(shí)時壓降圖

2.3.2 實(shí)時數(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。并能從表格中實(shí)時查詢。如表1為電解槽現(xiàn)場部分陽極的陽極電壓實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù),見表1。

表1 陽極電壓實(shí)時監(jiān)測數(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)單個或多個陽極的陽極電壓波動曲線。如圖6為1308#電解槽A3極一天的電壓正常波動曲線。也可以展現(xiàn)多個陽極的陽極電壓曲線,從全局把握電解槽多個陽極的陽極電流波動情況。如圖7為凌晨4:30左右,B14極、B17極電壓升高有波動,時間比較短,隨后比較穩(wěn)定。

圖6 單陽極電壓波動曲線圖

圖7 多個陽極陽極電壓波動曲線圖

2.3.4 警告管理

陽極電流發(fā)生異常變化時, 設(shè)置了電壓報(bào)警范圍,一旦超過正常值,會在監(jiān)控畫面中反映出來具體位置,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所示陽極效應(yīng)發(fā)生時,顯示紅色報(bào)警。

圖8 陽極效應(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,系統(tǒng)會自動生成一張excel格式的電壓數(shù)據(jù)記錄表;每過7天,自動生成一張周數(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)生時的電壓曲線和效應(yīng)電壓報(bào)表。通過這些可以了解到陽極效應(yīng)的發(fā)生時間和持續(xù)時間以及陽極效應(yīng)電壓的實(shí)時數(shù)據(jù)。

圖9 陽極效應(yīng)發(fā)生及報(bào)表圖

在線陽極電流監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用,可以避免人工測量的誤差,通過實(shí)時狀態(tài)圖,電壓變化曲線,實(shí)時數(shù)據(jù)報(bào)表等手段,及時反映出電解槽的陽極電流變化狀態(tài)和陽極效應(yīng)電壓發(fā)生狀況,從中可以判斷陽極組工作的狀態(tài),預(yù)測研判電解槽的運(yùn)行狀況趨勢,提供對電解槽技術(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

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

陽極電流的實(shí)時監(jiān)控,施工方便,安裝簡單,無需架設(shè)電纜聯(lián)接主控室,通過手機(jī)或計(jì)算機(jī)終端連接無線網(wǎng)絡(luò)可以隨時隨地查看調(diào)取監(jiān)測數(shù)據(jù),改變了當(dāng)前鋁電解行業(yè)對陽極電流分布參數(shù)測量、數(shù)據(jù)存儲和數(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)過程變化、把握電解槽運(yùn)行狀態(tài)提供了參考。