CN101114000A - 电解极板状态智能检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电解行业电解极板状态智能检测的方法及系统。本发明要解决的是极板状态检测传感器的抗腐蚀、弱信号的抗干扰、多极板的解耦问题。本发明采用具有耐腐蚀基座的传感器集成装置将极板电压信号传输到检测终端，检测终端对电压信号采取防脉冲影响防电磁干扰、以及放大滤波的处理后，再将模拟电信号转换成数字电信号，通过数字信号处理器的分析处理对故障极板作出初步判断，并将电压信号传输到监控上位机，监控上位机通过整槽极板状态的信息融合与极板状态的解耦分析软件对各极板进行电解状态分析和故障诊断。本发明降低了操作工人的劳动强度，提高了电解效率，降低了电能损耗，实现了节能增效。
Description
技术领域
本发明属于电解行业的检测技术领域，具体涉及一种电解极板状态智能检测的方法及系统。
背景技术
冶金行业中的有色金属电解提炼设备---电解槽在电解过程中由于可能存在多对极板开路、短路等故障，而造成电解效率降低、电解能量的浪费现象。长期以来，国内外电解企业一直都是采用传统的电解方式，其技术改进主要针对工艺改进和电解液的化学成分控制，在极板状态检测方面也作过一些尝试，但都未能成功应用，如极板温度检测方面采用自动红外测温传感器对各极板进行扫描，但因为极板间距很小，而红外扫描角度有限，从而导致误差太大；在极板电压检测方面主要存在传感器的腐蚀、弱信号的抗干扰、多极板的解耦问题而使得难以应用。因此，目前电解槽的极板状态检测手段与方法相对比较落后，仍然停留在手工巡回检测阶段，即操作工人必须对电解槽中的每一块极板通过手摸眼看，结合长期的工作经验来判断是否存在妨碍正常电解的情况，然后逐一排除，而单个电解槽一般由几十个阴极板和阳极板构成，操作人员采用人工检测时几个小时才能对电解车间检测完一次，故检测效率不高，且准确率低。另外，由于电解槽上空的酸性物质的腐蚀性、毒害性，使工人的劳动强度异常巨大，对操作人员的身体健康造成了很大的伤害。由于手工巡回检测无法及时调整工作状态不佳的极板，而极板出现开路、短路等故障的情况又直接导致金属析出量减少，影响产品产量和质量，而且人工检测又无法准确及时判断电解状态和出槽时间，因此无法有效解决电解效率降低、电解能量的浪费现象。
发明内容
本发明的第一个目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供一种能在腐蚀性的环境下有效提取电解槽各极板电压信号，并能将弱信号传输到检测系统，通过系统对多极板信号的解耦等分析，从而判断电解极板状态的智能检测方法。
本发明的第二个目的是提供实现上述第一个目的的电解极板状态的智能检测系统。
本发明的第一个目的是通过如下步骤的技术方案来实现的：
(1)在电解槽两边低于两条母线的绝缘磁砖上分别布置耐腐蚀的阳极极板传感器集成装置和阴极极板传感器集成装置，阳极极板传感器集成装置的各触头与各阳极极板的非导电端的导电棒相接触，阴极极板传感器集成装置的各触头与各阴极极板的非导电端的导电棒相接触；并在电解槽旁布置两条母线的传感器；
(2)阳极、阴极的极板传感器集成装置通过高温特种信号线采用双绞线传输方式，会同母线传感器的信号线一起将采集的电压信号传输到检测终端；
(3)检测终端对电压信号采取防脉冲影响防电磁干扰、以及放大滤波的处理后，再将模拟电信号转换成数字电信号传输到数号信号处理器，数字信号处理器通过电压信号分析处理软件对故障极板作出初步判断，并将电压信号传输到CAN总线；
(4)监控上位机调用CAN总线通讯程序，获取各电解槽极板电压与母线电压后，通过整槽极板状态的信息融合与极板状态的解耦分析软件对各极板进行电解状态分析和故障诊断。
上述检测终端的信号处理过程包括如下顺序的步骤：
(1)采用信号处理电路对电压信号进行处理：在信号处理电路的输入端采用隔离变压器来隔离短路等原因引起的冲击电流，并在信号输入端加入磁环防止磁场干扰；然后通过差动放大电路和滤波电路将电压信号传输到信号采集电路；
(2)信号采集电路通过多路开关将极板电压正负两两传输到A/D模数转换器，将模拟电信号转换为数字电信号后输送到DSP数字信号处理器；
(3)DSP数字信号处理器运用电压信号分析处理软件对极板进行初步故障诊断，过程如下：
首先，对极板电压与母线电压巡回采样后，对各电压值与先前的平均值和标准偏差相比较，判断奇异值并处理；然后对各电压值与先前四组测量数据作平均处理，并计算新的平均值与标准偏差后，判断极板是否有故障，如无，直接将数据通过CAN总线通讯传输到监控上位机；如有且连续三次均为异常，则记录并通过报警显示设备报警并显示故障极板后，再传送到监控上位机。
上述的监控上位机的信号处理过程如下：
首先，将获得的电压信号保存到实时数据库，调用电解槽极板状态解耦分析程序后，判断极板状态是否有故障，如无，将分析数据保存到分析数据库；如有，报警并记录到报警数据库，并继续将分析数据保存到分析数据库，最后在显示屏上实时显示界面数据与曲线。
本发明的第二个目的是通过如下的技术方案来实现的：
该智能检测系统包括一台对极板电压信号具有智能分析判断能力的监控上位机，以及若干能根据极板电压对极板故障作出初步判断的检测终端，各检测终端与监控上位机通过CAN总线收发器连接；所述检测终端包括从各电解槽采集电压信号的耐腐蚀的阳极极板传感器集成装置、阴极极板传感器集成装置和极板母线传感器，各传感器的信号线与信号处理电路的输入端相连，信号处理电路的输出端连接到信号采集电路上，信号采集电路的输出端与DSP数字信号处理器相连，所述DSP数字信号处理器又与存储器及报警显示设备相连，其输出端通过CAN总线网络连接到监控上位机，监控上位机包括监控主机、显示器和打印机。
上述阳极极板传感器集成装置和阴极极板传感器集成装置的结构一致，均放置于电解槽两边的绝缘瓷砖上，它包括与电解槽的阳极极板或阴极极板数量相同且位置相对应的铜柱，各铜柱的一部分嵌入一条环氧树脂或有机玻璃基座中，在位于基座中、铜柱的下部连接有高温特种信号线，信号线连接到信号插头上，信号插头的一部分嵌入基座中，密封套套在有信号插头的基座的一端；铜柱与信号线嵌入在环氧树脂或有机玻璃基座中后，仅露出各铜柱的上表面；所述信号线两两绕成双绞线，并且相互平行以双层或多层布置在基座的下层。
上述检测终端的信号处理电路包括位于信号输入端的隔离变压器以及与之相连的差动放大电路和滤波电路，并在信号输入端加入磁环；所述检测终端的信号采集电路包括与电解槽极板数量和极板母线数量之和相等的多路开关及差动输入A/D模数转换器。
本发明采用具有耐腐蚀基座、基座内抗干扰信号线排列的传感器集成装置来获取有效的电解极板电压信号，通过对弱电压信号的抗干扰、放大滤波及模数转换等一系列处理后，传输给检测终端和上位监控机，从电解工艺出发分析极板电压与电解状态的关系，对多极板耦合系统进行解耦分析，从而判断出整槽电解状况和各个极板的电解状态，及时排除问题极板，实时控制出槽时间和电解生产。本发明具有如下有益效果：(1)自动化的智能检测代替了人工巡回手工检测，降低了操作工人的劳动强度，保障了职工的身体健康；(2)提高了检测的效率和准确度；(3)提高了电解效率，降低了电能损耗，实现了节能增效；(4)系统通用性好，适用各种有色金属电解车间和不同电解企业。
附图说明
图1是本发明的系统总体结构框图；
图2是本发明系统中的信号处理电路的电路图；
图3是本发明系统中的极板传感器集成装置的主视图；
图4是本发明系统中的极板传感器集成装置的俯视图；
图5是本发明系统中的极板传感器集成装置在电解槽两边的部分安装结构示意图；
图6是本发明检测终端的数字信号处理模块流程框图；
图7是本发明监控上位机的解耦分析模块流程框图；
图8是本发明的监控上位机的程序流程框图；
图9是本发明实施例中监控上位机的软件结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
本实施例中，电解槽采用35对阴、阳极板，则阴、阳极板传感器集成装置的铜柱触头各为35个，每个电解槽采用一个分布式现场检测终端，对35对极板测点和1对母线电压进行检测，然后通过CAN总线构成网络，采用计算机接口卡PCL-841实现与监控主机的总线连接，其中，监控主机采用IBM-PC机。
参见图1，是本发明的系统总体结构框图，它包括一台对极板电压信号具有智能分析判断能力的监控上位机14，以及与电解槽数量相等并能根据极板电压对极板故障作出初步判断的检测终端15，各检测终端与监控上位机通过CAN总线收发器连接；其中，CAN总线收发器采用CTM1040。所述检测终端包括从各电解槽采集电压信号的耐腐蚀的阳极极板传感器集成装置、阴极极板传感器集成装置和极板母线传感器，各传感器的信号线与信号处理电路的输入端相连，信号处理电路的输出端连接到信号采集电路上，信号采集电路的输出端与DSP数字信号处理器相连，所述DSP数字信号处理器又与存储器及报警显示设备相连，其输出端通过CAN总线网络连接到监控上位机上，监控上位机包括监控主机、显示器和打印机；其中，DSP数字信号处理器采用TMS320LF2407A。
上述阳极极板传感器集成装置和阴极极板传感器集成装置的结构一致，均放置于电解槽两边的绝缘瓷砖上；参见图3和图4，该传感器集成装置，包括与电解槽的阳极极板或阴极极板数量相同且位置相对应的铜柱1，各铜柱的一部分嵌入一条耐腐蚀透明的环氧树脂或有机玻璃基座2中，在位于基座2中、铜柱1的下部连接有高温特种信号线3，信号线3连接到信号插头4上，信号插头4的一部分嵌入基座2中，密封套5套在有信号插头4的基座2的一端，这样便将信号插头密封，避免腐蚀；环氧树脂或有机玻璃是在熔化后形成基座覆盖住铜柱和信号线，仅露出各铜柱的上表面，以便与相对应的极板导电棒相接触。
从图3和图4中还可看到，信号线3两两绕成双绞线，并且相互平行以双层或多层布置在基座2的下层，并连接到安置在电解槽侧面的检测系统上；另外，铜柱1的底部略大，有利于装置的牢固性，铜柱的底部设有连接信号线3的连接螺钉6。
参见图5，是传感器集成装置在电解槽边的安装示意图，阳极传感器集成装置12布置在电解槽7的阳极极板导电棒与阳级母线8相连一边的对面，即极板非导电端导电棒放置的绝缘瓷砖上；同样，阴极传感器集成装置13则布置在电解槽7的阴极极板导电棒与阴级母线9相连一边的对面，即极板非导电端导电棒放置的绝缘瓷砖上；并且两个传感器集成装置的长度与电解槽的长度一致。阳极传感器集成装置12的铜柱表面触点10与阳极极板的导电棒相接触，而阴极传感器集成装置13的铜柱表面触点11与阴极极板的导电棒相接触。本实施例中，各铜柱的宽度设计为导电棒宽度的1.5倍，长度为基座宽度的1/3，铜柱的高度设计为20mm，伸出基座面10mm，嵌入基座10mm，基座与铜柱的顶面低于母线高度5mm。
参见图2，是图1所示系统的检测终端中信号处理电路的电路图，它包括位于信号输入端的隔离变压器T以及与之相连的差动放大电路16和滤波电路17，并在隔离变压器T的信号输入端加入磁环；其中，差动放大电路16包括稳压管D1，TL064运放芯片U1、U2、U3，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6和放大电位器W1；滤波电路17包括TL064运放芯片U4，电阻R7、R8、R9、R10和滤波电容C1和C2。在本实施例中，检测终端的信号采集电路包括与电解槽极板数量和极板母线数量之和相等即72个多路开关，以及一个差动输入A/D模数转换器。
参见图1和图2，具有耐腐蚀基座的阳极、阴极的极板传感器集成装置通过高温特种信号线会同两条母线传感器的信号线一起将采集的电压信号传输到检测终端，并且信号传输采用双绞线方式；当弱的电压信号传输到信号处理电路时，其输入端的隔离变压器T隔离短路等原因引起的冲击电流，以防止出槽短路电流等对检测电压的冲击，以及短路脉冲冲击对检测系统的损害；加在信号输入端的磁环起到避免磁场干扰的作用；然后电压信号再通过差动放大电路16和滤波电路17将电压信号放大和滤波后传输到信号采集电路；信号采集电路通过多路开关将极板电压正负两两传输到A/D模数转换器，将模拟电信号转换为数字电信号后输送到DSP数字信号处理器。
参见图6，是DSP的数字信号处理模块流程框图，它根据电压数字信号对极板进行初步的故障诊断，过程如下：
首先，对极板电压与母线电压巡回采样后，对各电压值与先前的平均值和标准偏差相比较，判断奇异值并处理；然后对各电压值与先前四组测量数据作平均处理，并计算新的平均值与标准偏差后，判断极板是否有故障，如无，直接将数据通过CAN总线通讯传输到监控上位机；如有且连续三次均为异常，则记录并通过报警显示设备报警并显示故障极板后，再传送到监控上位机。其中，有关数据存储到存储器里，显示器显示故障极板。
监控上位机调用CAN总线通讯程序，获取各电解槽极板电压与母线电压后，对各极板进行电解状态分析和故障诊断，过程如图8的程序流程框图所示：
首先，将获得的电压信号保存到实时数据库，调用电解槽极板状态解耦分析程序后，判断极板状态是否有故障，如无，将分析数据保存到分析数据库；如有，报警并记录到报警数据库，并继续将分析数据保存到分析数据库，最后在显示屏上实时显示界面数据与曲线，也可将结果打印出来。
上述解耦分析程序如图7的流程图所示：
(1)首先，读取极板电压、母线电压数值；
(2)对各电压值与先前四组测量数据平均值与标准偏差相比较，判断故障，并向前递推；
(3)对同一极板数据与先前四组数据进行数据融合；
(4)根据所有极板电压，仿真计算各极板加权系数；
(5)根据加权系数，对整槽极板电压进行数据融合；
(6)采用D-S证据理论对极板电解状态进行决策分析，得到解耦后的极板电解状态。
本实施例中，监控上位机采用组态软件实现电解车间所有电解槽的集中分析与管理，其软件结构框图如图9所示，其中，各功能模块的作用如下：
(1)参数显示模块：实时显示电解过程中的电解槽状态参数，实时动态地显示工艺流程图界面，根据检测到的参数数据，对画面进行动态更新，并可以图形方式显示各电解槽电压，单击某个电解槽进入该电解槽的详细参数显示。
(2)分析软件：在生产过程中，将整个生产周期的数据存入历史数据库，可查阅和比较分析运行数据，便于工艺人员对生产过程进行故障分析、工艺改进及工艺优化。对历史数据以报表和图形方式汇总显示，可直观地比较电解槽在一段时间内的工作状况，同时，根据电解电压分析电解过程及电解槽工作情况，通过电解槽工作周期与理想工艺曲线的比较，分析电解中存在的问题，另外，可实现报表统计功能。
(3)智能诊断模块：运用专家知识理论，剔除某个电解槽出槽时短接电流引起的冲击干扰与外电磁场干扰信息，对相邻电解槽受到出槽冲击干扰时数据的修复，并对电解槽故障，如传感器故障、信号传输线故障、电解电流故障等进行自动诊断，同时，由于电解周期约24小时，而且各个电解槽出槽时间不一致，系统通过对电解过程的分析，及时提示电解出槽时间，从而节约电解时间，提高电解效率，系统对重要工艺参数设置报警，即设定被测量参量的上、下限阈值，当超限时，以故障颜色比如红色及声音报警。
(4)数据库操作模块对数据库进行备份与维护。
Claims (7)
1.一种电解槽的电解极板状态智能检测方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在电解槽两边低于两条母线的绝缘磁砖上分别布置耐腐蚀的阳极极板传感器集成装置和阴极极板传感器集成装置，阳极极板传感器集成装置的各触头与各阳极极板的非导电端的导电棒相接触，阴极极板传感器集成装置的各触头与各阴极极板的非导电端的导电棒相接触；并在电解槽旁布置两条母线的传感器；
(2)阳极、阴极的极板传感器集成装置通过高温特种信号线采用双绞线传输方式，会同母线传感器的信号线一起将采集的电压信号传输到检测终端；
(3)检测终端对电压信号采取防脉冲影响防电磁干扰、以及放大滤波的处理后，再将模拟电信号转换成数字电信号传输到数号信号处理器，数字信号处理器通过电压信号分析处理软件对故障极板作出初步判断，并将电压信号传输到CAN总线；
(4)监控上位机调用CAN总线通讯程序，获取各电解槽极板电压与母线电压后，通过整槽极板状态的信息融合与极板状态的解耦分析软件对各极板进行电解状态分析和故障诊断。
2.根据权利要求1所述的电解极板状态智能检测方法，其特征在于：步骤(3)所述检测终端的信号处理过程包括如下顺序的步骤：
(1)采用信号处理电路对电压信号进行处理：在信号处理电路的输入端采用隔离变压器来隔离短路等原因引起的冲击电流，并在信号输入端加入磁环防止磁场干扰；然后通过差动放大电路和滤波电路将电压信号传输到信号采集电路；
(2)信号采集电路通过多路开关将极板电压正负两两传输到A/D模数转换器，将模拟电信号转换为数字电信号后输送到DSP数字信号处理器；
(3)DSP数字信号处理器运用电压信号分析处理软件对极板进行初步故障诊断，过程如下：
首先，对极板电压与母线电压巡回采样后，对各电压值与先前的平均值和标准偏差相比较，判断奇异值并处理；然后对各电压值与先前四组测量数据作平均处理，并计算新的平均值与标准偏差后，判断极板是否有故障，如无，直接将数据通过CAN总线通讯传输到监控上位机；如有且连续三次均为异常，则记录并通过报警显示设备报警并显示故障极板后，再传送到监控上位机。
3.根据权利要求1或2所述的电解极板状态智能检测方法，其特征在于：权利要求1中步骤(4)所述的监控上位机的信号处理过程如下：
首先，将获得的电压信号保存到实时数据库，调用电解槽极板状态解耦分析程序后，判断极板状态是否有故障，如无，将分析数据保存到分析数据库；如有，报警并记录到报警数据库，并继续将分析数据保存到分析数据库，最后在显示屏上实时显示界面数据与曲线。
4.根据权利要求3所述的电解极板状态智能检测方法，其特征在于：所述的电解槽极板状态解耦分析过程包括如下顺序的步骤：
(1)首先，读取极板电压、母线电压数值；
(2)对各电压值与先前四组测量数据平均值与标准偏差相比较，判断故障，并向前递推；
(3)对同一极板数据与先前四组数据进行数据融合；
(4)根据所有极板电压，仿真计算各极板加权系数；
(5)根据加权系数，对整槽极板电压进行数据融合；
(6)采用D-S证据理论对极板电解状态进行决策分析，得到解耦后的极板电解状态。
5.一种电解槽的电解极板状态智能检测系统，其特征在于：它包括一台对极板电压信号具有智能分析判断能力的监控上位机(14)，以及若干能根据极板电压对极板故障作出初步判断的检测终端(15)，各检测终端与监控上位机通过CAN总线收发器连接；所述检测终端包括从各电解槽采集电压信号的耐腐蚀的阳极极板传感器集成装置、阴极极板传感器集成装置和极板母线传感器，各传感器的信号线与处理电路的输入端相连，信号处理电路的输出端连接到信号采集电路上，信号采集电路的输出端与DSP数字信号处理器相连，所述DSP数字信号处理器又与存储器及报警显示设备相连，其输出端通过CAN总线网络连接到监控上位机，监控上位机包括监控主机、显示器和打印机。
6.根据权利要求5所述的电解极板状态智能检测系统，其特征在于：所述阳极极板传感器集成装置和阴极极板传感器集成装置的结构一致，均放置于电解槽两边的绝缘瓷砖上，它包括与电解槽的阳极极板或阴极极板数量相同且位置相对应的铜柱(1)，各铜柱的一部分嵌入一条环氧树脂或有机玻璃基座(2)中，在位于基座(2)中、铜柱(1)的下部连接有高温特种信号线(3)，信号线(3)连接到信号插头(4)上，信号插头(4)的一部分嵌入基座(2)中，密封套(5)套在有信号插头(4)的基座(2)的一端；铜柱与信号线嵌入在环氧树脂或有机玻璃基座中后，仅露出各铜柱的上表面；所述信号线(3)两两绕成双绞线，并且相互平行以双层或多层布置在基座(2)的下层。
7.根据权利要求5或6所述的电解极板状态智能检测系统，其特征在于：所述检测终端的信号处理电路包括位于信号输入端的隔离变压器以及与之相连的差动放大电路(16)和滤波电路(17)，并在隔离变压器的信号输入端加入磁环；所述检测终端的信号采集电路包括与电解槽极板数量和极板母线数量之和相等的多路开关及差动输入A/D模数转换器。
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