施燕飛，伍祖槐，路 輝

(1.云南云鋁海鑫鋁業(yè)有限公司，云南 昭通 657699；2.貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

電解槽是鋁電解生產的核心設備，其中，鋁電解槽中的溫度和濃度及分子比是制定生產工藝技術的關鍵參數(shù)。而化驗數(shù)據(jù)是電解生產中排班排產的重要依據(jù)。目前我國鋁電解生產還處于較粗獷的水平，絕大多數(shù)測試操作還由人工完成。測量和記錄的工作量比較大，并且測量誤差大、錄入過程也容易產生錯誤及錄入滯后。存在連續(xù)性差及不能實時對數(shù)據(jù)進行比較分析等缺點，已不能適應大型鋁電解槽生產的需要。同時電解槽內鋁液、電解質熔體液位(“兩水平”)的測量也采用工測量，也存在著誤差大、效率低、精度低、錄入滯后等問題。

為克服現(xiàn)有電解化驗、測溫及測兩水平等日常操作的不足，項目團隊開發(fā)了1種鋁電解槽槽況巡檢機器人，將鋁電解濃度及分子比測量、溫度測量及兩水平測量等功能集成在1臺自動運行機器人上，以實現(xiàn)電解槽的日常巡檢及化驗自動化操作、高效管理和資源的高效使用，大幅度減少工作量和人工失誤，降低工作強度，縮短化驗時間極大的提高勞動效率。

1 鋁電解巡檢機器人系統(tǒng)構成

鋁電解巡檢機器人包括機器人本體系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲傳輸系統(tǒng)，見圖1。

圖1 智能巡檢機器人系統(tǒng)構成圖

其中機器人本體是整個巡檢機器人的基礎平臺，承擔測量系統(tǒng)的搭載和巡檢機器人在鋁電解車間的運行。

測量系統(tǒng)為巡檢機器人的核心系統(tǒng)，測量系統(tǒng)包括濃度檢測、兩水平測量、溫度測量3個子系統(tǒng)，分別進行鋁液及電解質成分在線監(jiān)測、電解質水平及電解質鋁液溫度測量。

經過測量系統(tǒng)測量得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲傳輸系統(tǒng)進行存儲和上傳，從而實現(xiàn)電解槽參數(shù)的遠程監(jiān)測。

2 測量系統(tǒng)原理

2.1 濃度檢測系統(tǒng)

濃度檢測采用激光誘導擊穿光譜技術(LIBS)，原理是利用聚焦的強激光束入射樣品表面產生激光等離子體，等離子體輻射光譜帶有被測物質的組分和組分濃度的信息，對等離子體中原子和離子發(fā)射譜線進行元素分析，從而達到測量的目的。根據(jù)電解鋁廠檢測鋁液中的元素成份和含量的需求，設計的一款激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)，具有在線分析、可以縮短分析時間、對樣品損壞性小、結構緊湊、可靠性高等特點。整個濃度檢測系統(tǒng)包括探測頭、控制機柜、調整支架、探桿、隔熱套、波紋保護管、LIBS軟件等部分組成，見圖2。

圖2 激光誘導擊穿光譜系統(tǒng)設備圖

相比其它分析方法，LIBS最強大的優(yōu)勢是不需或僅需簡單樣品制備過程，大大縮短了分析時間，便于實現(xiàn)生產過程物質成分的在線檢測與控制。除此之外，LIBS分析技術還有很多其他優(yōu)點，例如：它對樣品需求量少、破壞性小，對樣品的尺寸、形狀及物理性質要求均不嚴格；不僅可以測定固態(tài)樣品，還可以測定液態(tài)、氣態(tài)樣品。

2.2 “兩水平”測量系統(tǒng)

“兩水平”測量系統(tǒng)是基于在電解質與鋁液兩種體系中阻抗差別較大，介質體系變化時阻抗數(shù)量級變化明顯，通過行程記憶與測算獲得電解質與鋁液的水平。其原理如圖3所示，該項技術在國內鋁行業(yè)領域屬于首次應用。

圖3 兩水平測量原理簡化圖

圖3中：

h1——參考平面到電解槽底部的高度；

h2——參考平面到探桿在初始狀態(tài)的高度；

a——機械臂與水平面的夾角；

l1——探桿接觸到電解質時所伸出的長度；

l2——探桿接觸到鋁液時所伸出長度的增量。

則可以計算出電解質到槽底的液面高度為：

H=h1+h2-l1×sina

(1)

鋁液面到槽底的界面高度為：

h=h1+h2-(l1+l2)×sina

(2)

在圖4所示的物質分層分布中，由陽極到陰極的反應電流為I，電解質電位為V0，鋁液電位為V1，反應界面電壓差為△V。由于電解質層、鋁液層不參與反應，電位相對穩(wěn)定；在反應界面處，原料被電解析出鋁液，消耗絕大部分功率。因為P=U×I，所以反應界面處△V很大。

圖4 電解槽電位分析圖

利用電位的變化，可以找到兩個分界面：當探桿由空氣中進入電解質層時，電位上升；當探桿由電解質層通過反應界面進入鋁液層時，電位繼續(xù)下降。探桿拔出過程中的電位變化相反。

2.3 溫度測量系統(tǒng)

溫度測量系統(tǒng)是基于常規(guī)熱電偶消耗性較大而開發(fā)的一款帶碳化硅保護套管的熱電偶，是根據(jù)電解槽的生產情況量身定做的一款溫度測量系統(tǒng)，見圖5。其結構包括插頭、金屬保護軟管、外圍保護軟管、熱電偶、碳化硅保護管等。

圖5 溫度測量裝置

3 執(zhí)行機構設計

該機構安裝于智能小車上通過導航系統(tǒng)，沿著電解槽邊緣行走，具有精確定位火孔位置，保證車體與槽體的平行，小車應具有自動啟停，精確定位，避讓障礙物的功能。

見圖6，將該機構安裝于定制的智能小車上，然后將鋁液成分測量儀和兩水平測量儀安裝于工作臺⑤上。移動平臺沿著槽邊緣移動，到達目標電解槽火孔位置停下。升降臺②上升一定距離后，啟動旋轉電機③帶動拉桿①，驅動搖桿④，使得工作臺⑤向電解槽側平移，平移到合適位置后，驅動鋁液成分測量儀插入電解槽的火孔進行鋁液成分測量，測量完畢后縮回，然后驅動兩水平測量儀插入電解槽的火孔進行兩水平面的距離測量，測量完畢后縮回。升降臺②復位，檢測工作完成，2個儀器將檢測結果進行匯總處理后上傳。檢測裝置等待下一個巡檢指令，如此周期循環(huán)。

注：1.拉桿；2.升降臺；3.旋轉電機；4.驅動搖桿；5.工作臺

4 結 語

該文結合鋁電解企業(yè)生產的需要，研發(fā)了一種集濃度及分子比測量、溫度測量及兩水平測量為一體的巡檢機器人，通過巡檢機器人能實現(xiàn)對鋁液、電解質成分、溫度和鋁液水平、電解質水平的自動化、實時化及標準化測量，同時將測量數(shù)據(jù)實時上傳至存儲系統(tǒng)內，以實現(xiàn)電解槽的遠程監(jiān)測，提高管理效率，大幅度減少工作量和人工失誤，降低工作強度，縮短化驗時間極大的提高勞動效率。