CN110042431A - 一种冶金电解炉在线监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冶金电解炉在线监测装置及方法，属于冶金电解过程的自动控制和检测技术领域。监测装置，包括信号采集电路、通讯电路、上位机，其特征在于，所述信号采集电路包括热电偶、温度采集模块、补偿模块、电源模块，所述上位机包括数据库模块、过热度计算模块，方法为温度采集模块控制热电偶的采集频率，采集电解炉的电解槽内温度，补偿模块进行滤波和隔离，通讯电路将测量信号编码后传输给数据库模块，数据库模块进行解码和校验后储存为数据，过热度计算模块计算过热度值。本发明的方法和装置，具有很强的抗干扰能力，能够在高温、强磁场下高速采集较弱信号，并能够对采集的信号进行高速传输、存储和复杂处理。

Description

一种冶金电解炉在线监测装置及方法

技术领域

本发明涉及属于冶金电解过程的自动控制和检测技术领域，具体涉及一种高精度的冶金电解炉强磁场弱信号实时在线检测及数据传输、存储及显示处理的装置及方法。

背景技术

在铝电解生产过程中，电解槽中的槽电压，槽电流均能够实时、在线测量，并将测量的数据存储在计算机上。但是由于铝电解槽的高温、强腐蚀、强磁场环境，铝电解过程中的关键参数难以进行实时测量与计算(电解质温度，出晶温度，过热度)。其中，过热度的准确判断对维持电解槽中的物料平衡和能量平衡起着至关重要的作用。过热度直接影响铝电解过程中的能量损耗，是节能降耗的关键。过热度越低，电流效率越高。对过热度实时、准确的计算是铝电解节能降耗的关键，也是尚未攻克的难点问题。

电解质过热度是电解质温度与出晶温度的差值。出晶温度是一个温度点，它的判别是根据电解质在测温元件表面发生相变时产生的温度阶跃来确定的。在测量时需要同时测量两路温度值，对测量结果进行计算。由于相变时温度在数分钟内升高200℃以上，温度阶跃信号出现在0.5秒内，所以，对铝电解槽内温度的采集速度和精度都有很高的要求。高速的数据采集在短时间内生成大量的数据，将这些数据实时显示、存储和处理，对过热度的准确判别，也是亟待解决的难点。

铝电解槽是一个高温、强腐蚀、强电、强磁场环境，在信号采集时，硬件和软件都面临一系列的难题。在这样的环境下，对硬件的耐热性、抗干扰性有着很高的要求。由于强电往往伴随着强磁场，对信号传输干扰很大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冶金电解炉在线监测装置及方法，针对冶金电解炉内高温、强腐蚀、强磁场环境，解决多路、高精度、高速率采集信号中的干扰问题、快速传输存储问题，并对所采集的数据处理，获取关键参数的装置及方法。

具体的，冶金电解炉在线监测装置，包括信号采集电路、通讯电路、上位机，所述信号采集电路包括热电偶、温度采集模块、补偿模块、电源模块，所述上位机包括数据库模块、过热度计算模块，所述热电偶用于采集电解炉的电解槽内温度进行测量并获得电解槽内温度测量信号，温度采集模块用于控制热电偶的采集频率，补偿模块用于对电解槽内温度测量信号进行滤波和隔离，所述通讯电路用于将经过补偿模块处理的电解槽内温度测量信号编码后传输给数据库模块，数据库模块用于对接收到的电解槽内温度测量信号进行解码和校验后储存为数据，过热度计算模块用于从数据库模块中读取数据并根据嵌入算法计算过热度值。

进一步的，所述补偿模块包括隔离变压器、滤波器，所述隔离变压器用于去除电网杂波，所述滤波器用于消除高频共模和差分噪声。

进一步的，所述温度采集模块包括放大器、A/D转换器。

进一步的，所述电源模块输出15V和5V供电，其中15V输出用于为放大器供电。

进一步的，所述通讯电路包括RS485通讯总线。

进一步的，所述数据库模块为SQL Servers数据库。

另一方面，本发明还提供了一种冶金电解炉在线监测方法，所述方法具体为：

温度采集模块控制热电偶的采集频率，热电偶采集电解炉的电解槽内温度进行测量并获得电解槽内温度测量信号，补偿模块对电解槽内温度测量信号进行滤波和隔离，通讯电路将经过补偿模块处理的电解槽内温度测量信号编码后传输给数据库模块，数据库模块对接收到的电解槽内温度测量信号进行解码和校验后储存为数据，过热度计算模块从数据库模块中读取数据并根据嵌入算法计算过热度值。

进一步的，所述方法中嵌入算法具体为：

从数据库读取数据；后一个数据值减去前一个数据值；根据差值绘制差值曲线；在差值曲线上寻找斜率最低点；将斜率最低点对应值作为初晶温度输出。

本发明的有益效果在于：本发明设计一种冶金电解炉在线监测装置及方法，与现有技术相比，具有很强的抗干扰能力，能够在高温、强磁场下高速采集较弱信号，并能够对采集的信号进行高速传输、存储和复杂处理，具有很强的适用性和优越性。

附图说明

图1为本发明冶金电解炉内关键参数智能检测装置的工作原理图图；

图2为初晶温度测量装置的硬件结构图；

图3为电解质温度测量过程中的时间-温度曲线；

图4为嵌入算法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

如图1所示，本发明提出一种高精度的铝电解强磁场弱信号快速检测及数据处理方法及装置。包括可调整采样时间的高速信号采集电路，通讯模块，数据库以及上位机及功能软件。其特征功能有：(1)信号采集电路控制温度信号采集的频率，对信号进行滤波和隔离，保证信号精度；(2)通讯模块将信号采集电路采集的温度信号编码后传输给PC端，PC端数据库程序解码和校验。保证数据的高速传输；(3)上位机实时从数据库读取数据并生成曲线，同时嵌入算法，显示过热度等关键参数。

本发明流程如下：

(1)通过单片机电路控制传感器信号采集频率,其实现硬件如图2所示。考虑铝电解环境中高温、强磁场对单片机的影响，选用器件均采用抗干扰能力强的器件，信号采集电路采用Microchip公司高性能DSP作为CPU，它的工作温度可达150℃。具有运行速度快，低工作电压、低功耗，驱动能力强等特点，最高30MIPS的工作速度是选择它主要因素。

在电路设计方面最大程度减少外界干扰对系统的影响。

一是为避免电网杂波对信号采集电路的影响，各部分电源电路采用隔离变压器去除电网杂波。硬件电路由24V开关电源供电，为防止电源对测量信号的干扰，经滤波电路去除杂波干扰。电路中经由两路电源管理/DC-DC转换电路分别将电压转换为15V为放大器供电和5V为其余部分供电。

二是高频共模和差分噪声由外部RFI滤波器消除，低频率共模噪声由仪表放大器来抑制，再由外部后置滤波器解决残余噪声，之后生产现场微弱的信号被放大器放大。由5v供电，输出在75mV到4.75V之间呈线性的电压信号。为进一步提高测量精确度，将输出电压经过1/3倍的分压之后送至高精度AD转换器。为减少外界干扰，通过一个电阻将负端接地，该电阻放置在放大器的负(同)相输入端，如果测量结没有电连接(绝缘顶端)，则该电阻值非常小，因而不会产生有意义的共模电压。如果有电连接通过接地的或裸露的顶端，则该电阻值非常大，通过接地电阻使测量顶端到地的任何电流都非常小，防止产生测量误差。放大器输入只用一个接地连接或共模电压源，因为多余的接地会形成接地环路，很容易干扰测量电路的小信号。

本发明选择的A/D转换器使用2线I2C兼容串行接口，通过2线I2C串行接口对控制配置位进行设定，从而使A/D转换器可按3.75、15、60或240采样/秒(SPS)速率进行转换，也就控制了采样的频率。同时该器件具有片内可编程增益放大器(PGA)，可在转换开始之前选择PGA增益为x1、x2、x4或x8。因此在转换很小的输入信号时仍可保持高分辨率。

(2)本发明经由信号采集电路采集的信号，除可实时在数码管上显示外，可通过CAN总线实时将信号传输到通讯电路。通讯电路将信号进行处理和编码后，将数据通过RS485传输到PC端的数据库。通讯电路的CPU和存储器，能够对采集到的铝电解槽数据进行编码和临时存储。PC端的SQL Servers数据库通过串口与下位机的通讯板相连。

本发明的数据传输采用针对铝电解采集的各项数据自行设计的通讯协议，下位机的数据发送程序采用事件控制、定时发送，接收程序采用事件中断的方式触发，这样能够最大程度减少系统负荷。通讯电路和PC端之间为双向通讯，硬件电路向PC端发送的铝电解槽数据占数据传输总量的绝大部分，而上位机向硬件电路发送的控制参数和控制相对较少。该通讯协议采用二进制方式传输数据，具有简便高效、传输速度快的优点。设置有起始码，截止码，时间戳，地址码，操作码，校验码和数据长度以及变量个数，对所传数据进行有效的校验和甄别。以整包的数据进行传输，一包数据包括多个变量，当发生错误时，通过时间戳，对传输错误的数据请求后，通过通讯板再次传输到PC端。通讯协议的格式，单个变量包数据格式如表1所示，单次数据发送格式如表2所示。

表1

地址码	操作码	数据长度	数据	求和校验
					01	01	02	0000	04

表2

起始码	时间戳	变量个数	处理后的变量	截止码
					7E	EE52	01	010102000004	EF

PC端通过SQL Server程序进行数据的接收和发送。SQL Server作为关系型数据库存储采集到的铝电解槽数据。数据库程序的主要功能是作为PC的软通讯端，接收下位机发送的各项数据，同时向下位机发送控制指令和参数。在数据收发过程中对数据进行编码和校验，以保证数据传输的正确性。上位机发送的控制指令和控制参数会存储在SQL Server数据库中，当下位机接收的指令校验出错时，将返回错误数据帧的时间戳，数据库程序则将该时间戳的指令再次发送。一般的数据传输模式是采用WinCC接收串口传递的数据，数据传输的速度为500ms/帧，单次传输的数据过大或传输速度过快均会导致系统崩溃。采用SQLServer接收数据传输速度为33ms/帧，速度提升了15倍，能够单次正常传输大量数据。

(3)WinCC是系统的显示和控制端。当SQL Server数据库接收到数据时，WinCC自动显示图3所示的曲线，图中，序列号1275，对应的初晶温度916.36。通过数据可视化可将数据生成曲线图，表格等。将小波等算法嵌入到WinCC中，通过算法模型准确计算出出过热度等关键参数，算法流程如图4所示。对过热度判别的准确性达到95％以上。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种冶金电解炉在线监测装置，包括信号采集电路、通讯电路、上位机，其特征在于，所述信号采集电路包括热电偶、温度采集模块、补偿模块、电源模块，所述上位机包括数据库模块、过热度计算模块，所述热电偶用于采集电解炉的电解槽内温度进行测量并获得电解槽内温度测量信号，温度采集模块用于控制热电偶的采集频率，补偿模块用于对电解槽内温度测量信号进行滤波和隔离，所述通讯电路用于将经过补偿模块处理的电解槽内温度测量信号编码后传输给数据库模块，数据库模块用于对接收到的电解槽内温度测量信号进行解码和校验后储存为数据，过热度计算模块用于从数据库模块中读取数据并根据嵌入算法计算过热度值。

2.如权利要求1所述的冶金电解炉在线监测装置，其特征在于，所述补偿模块包括隔离变压器、滤波器，所述隔离变压器用于去除电网杂波，所述滤波器用于消除高频共模和差分噪声。

3.如权利要求1所述的冶金电解炉在线监测装置，其特征在于，所述温度采集模块包括放大器、A/D转换器。

4.如权利要求3所述的冶金电解炉在线监测装置，其特征在于，所述电源模块输出15V和5V供电，其中15V输出用于为放大器供电。

5.如权利要求1所述的冶金电解炉在线监测装置，其特征在于，所述通讯电路包括RS485通讯总线。

6.如权利要求1所述的冶金电解炉在线监测装置，其特征在于，所述数据库模块为SQLServers数据库。

7.一种冶金电解炉在线监测方法，其特征在于，所述方法具体为：

温度采集模块控制热电偶的采集频率，热电偶采集电解炉的电解槽内温度进行测量并获得电解槽内温度测量信号，补偿模块对电解槽内温度测量信号进行滤波和隔离，通讯电路将经过补偿模块处理的电解槽内温度测量信号编码后传输给数据库模块，数据库模块对接收到的电解槽内温度测量信号进行解码和校验后储存为数据，过热度计算模块从数据库模块中读取数据并根据嵌入算法计算过热度值。

8.如权利要求7所述的冶金电解炉在线监测方法，其特征在于，所述方法中嵌入算法具体为：

从数据库读取数据；后一个数据值减去前一个数据值；根据差值绘制差值曲线；在差值曲线上寻找斜率最低点；将斜率最低点对应值作为初晶温度输出。