CN110501561A - 铝电解槽阳极电流分布在线检测系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝电解槽阳极电流分布在线检测系统及其方法，将电动采样机构与驱测一体模块之间的供电和通讯通过一束多芯防磁高温线缆连接，控制器与驱测一体模块之间的供电和通讯也同样采用一束多芯防磁高温线缆实现；电动采样机构、驱测一体模块、控制器之间信号传输采用RS485协议；遥控器与控制器之间采用WiFi或4G网络传输控制信号。采用本发明工人可通过遥控器遥控防磁耐高温直线电机，带动电压触点和温度传感器贴紧或脱离阳极导杆，轻松实现电位信号和温度信号采集，避免人工爬到电解槽上去逐个安装或拆卸电流检测装置的作业方式，极大的提高了易用性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及铝电解过程信息检测技术领域，尤其是过程信息的在线实时检测技术领域。
背景技术
阳极电流分布检测可以反映电解槽的电流平衡、区域浓度等，但是铝电解是一个复杂的电化学过程，不仅电、磁、热、力、流多物理场耦合，而且生产环境具有强磁、高温、多尘、腐蚀、震动的特点，使得阳极电流分布检测装置的开发必须考虑材料抗磁、防高温、防震动等因素，并且由于阳极导杆定期需要更换和整体抬高，也必须考虑易安装和拆卸的问题。业界长期研究电流分布技术和易安装、低成本装置，目前虽然实现了电流分布的检测，但是装置的成本一直没有得到实质性的降低，而且目前的技术及装置在换极、抬母线等作业时，需要人工爬到电解槽上去逐个安装或拆卸电流检测装置，既不安全，也很耗工。因此，经济、易用地实现阳极电流分布的在线实时检测已成为业界努力的方向。同时，阳极母线与阳极大母线的连接压降也是铝电解生产关注的重要参数，低连接压降是实现节能目标的手段之一，工人需要手持万用表逐个测量阳极导杆与阳极大母线的连接压降，费时费力，如何在实现阳极电流分布在线检测的同时，实现阳极导杆与阳极大母线连接压降的在线检测，同样也是急需解决的问题。
综上所述，需要进一步改进铝电解槽阳极电流分布检测装置的易用性和可靠性，提高在线检测的技术水平，从而进一步提高铝电解生产的控制水平。
发明内容
本发明要解决的技术问题：提供一种铝电解槽阳极电流分布在线检测系统及其检测方法，以解决现有技术人工安装和拆卸费力，安全性差，耗时长，操作和控制水平低下、成本高等问题。
本发明采用了如下技术方案：
本发明的铝电解槽阳极电流分布在线检测系统，该在线检测系统是由电动采样机构、驱测一体模块、控制器、遥控器、电源箱、布线槽构成的结构，整体具有重量轻、体积小、抗磁、防高温、防震动等特点。具体地说，电动采样机构与驱测一体模块之间的供电和通讯通过一束多芯防磁高温线缆连接，控制器与驱测一体模块之间的供电和通讯也同样采用一束多芯防磁高温线缆实现。电动采样机构、驱测一体模块、控制器之间信号传输采用RS485协议，也可采用总线技术、工业以太网及无线通讯技术等方式进行信号传输。遥控器与控制器之间采用WiFi、4G网络传输控制信号，也可采用ZigBee、蓝牙、LoRa、NBIoT等其他无线协议或5G网络进行通信。
具体地说，所述的电动采样机构包含直线电机、位置传感器、电压触点、温度传感器、触点和传感器的安装固定板、保证电压触点和温度传感器与阳极导杆同时接触的自适应转向头。
进一步地，所述的电动采样机构上的电压触点，可选任一触点作为检测阳极导杆与阳极大母线连接压降的采样点，连接压降的另一触点设置在电动采样机构安装夹具上或阳极大母线上。
具体地说，所述的驱测一体模块包括直线电机的驱动控制模块和电流/温度数据采集模块。
进一步地，所述的驱测一体模块是一块将直线电机驱动控制模块和数据采集模块集成于一体的PCB板，封装在耐高温屏蔽盒内，屏蔽盒两侧设置有多芯航空电连接器。
进一步地，所述的驱测一体模块可单独对应每根阳极导杆，也可为一个驱测一体模块对应多根阳极导杆或集成式驱测一体模块对应所有阳极导杆。
进一步地，所述的驱测一体模块，具有地址编码、波特率选择功能，还具有多输入多输出通道，各通道间必须通讯和电源隔离。
具体地说，所述的控制器由嵌入式微处理器或PLC模组、触控式人机交互界面、4G和WiFi网络的交换机和路由器等组成，用于现场就地控制。
进一步地，所述的控制器可以接收遥控器的操作命令，控制电压触点和温度传感器与阳极导杆的接触和分离，同时控制器的触控式交互界面设置有软按钮，也可在控制器上设置实际按钮组，可以方便作业人员就地对电动采样机构进行控制。
进一步地，所述的控制器的触控式人机交互界面，可显示和查看阳极导杆电流/电压/温度实时数据和历史数据、阳极电流分布信息、电动采样机构与阳极导杆的接触状况、电动采样机构中直线电机状态信息、阳极导杆与阳极大母线接触压降信息、通讯状态、报警汇总及事件记录等信息。
具体地说，所述的遥控器上有触摸屏，是触控式人机交互界面数据可视化和遥控操作的移动载体，并具有射频识别功能，用于识别电解槽号，并与相应的控制器连接。工人可通过遥控器查看信息和遥控电动采样机构的运动。
进一步地，所述的遥控器也可为安装有阳极电流分布在线检测系统的工业APP的移动终端。
具体地说，所述的电源箱由空气断路器、漏电保护器、隔离变压器和直流电源组成，提供一路220V交流电源和两路24V直流电源，为现场检测系统供电。220V交流电源为触控式人机交互界面以及交换机和路由器供电；一路24V电源为嵌入式或PLC模组供电，另一路24V直流电源为电动采样机构以及驱动与检测一体化模块供电。所述的各路电源必须隔离，且不能接地，以免对电解生产造成损失。
具体地说，所述的布线槽用于保护和固定驱动与检测一体化模块之间连接线缆，槽壳、槽盖组成，所述的槽壳底设置有绝缘条，槽壳内有隔热内衬，槽壳内设置有驱测一体模块的固定位，此固定位对应阳极导杆所处位置。所述的槽盖为翻盖式，便于维护和更换连接线缆。
进一步地，所述的布线槽为拼接式，小体积，重量轻，以适应安装位置要求。材质具有抗磁性，不易变形，可为铝合金、不锈钢、玻璃钢、PVC等材质。
进一步地，所述的布线槽在固定驱测一体模块的位置留有小孔，用于电动采样机构与驱测一体摸块连接航空电连接器。
具体地说，所述的直线电机由步进电机和直线机构组成，步进电机驱动直线机构作直线运动。
进一步地，所述的直线电机运动速度可调节，直线机构的运动距离可调节。
具体地说，所述的位置传感器用于向控制器反馈直线电机轴伸缩运动位移和方向，判定电动采样机构的位置状态。
进一步地，所述的位置传感器可为霍尔传感器，行程开关等。可与与直线电机集成于一体，也可单独设置。
具体地说，所述的温度传感器用于采集阳极导杆实时温度，因铝电阻率随温度变化而变化，采集的实时温度用于补偿电流值。所述的温度传感器可为热电阻、热电偶、红外传感器等。
具体地说，所述的触点和传感器的安装固定板设置有电压触点和温度传感器安装孔，两个电压触点的安装孔间距不小于5mm，各安装孔内设置有耐高温绝缘套管。
具体地说，所述的自适应转向头用于连接直线电机与安装固定板，自适应转向头能自由转向，以适应阳极导杆的表面粗糙度偏差，保证电压触头和温度传感器与阳极导杆可靠接触。
进一步地，所述的自适应转向头与直线电机之间安装有耐高温弹簧，以提供稳定的接触正压力。
铝电解槽阳极电流分布在线检测系统的检测方法，它包括下述步骤：
(1)电动采样机构固定安装在阳极大母线下方阳极导杆靠阳极大母线一侧，并正对阳极导杆。布线槽固定安装在阳极大母线上方，驱测一体模块安装在布线槽内正对每根阳极导杆位置的固定位。控制器和电源箱安装在烟道端附近。
(2)在控制器或遥控器的控制下直线电机产生25kg以上的推力，带动电压触点和温度传感器贴紧或脱离阳极导杆。正常工况下，控制器或遥控器控制直线电机推动电压触点和温度传感器贴紧阳极导杆，并由位置传感器确定位置，在自适应转向头的共同作用下，确保电压触点和温度传感器与阳极导杆可靠接触；生产换极和抬母线作业等工况下，控制器或遥控器控制直线电机拉开电压触点(9)和温度传感器脱离与阳极导杆的接触，作业完成后，再推动电压触点和温度传感器贴紧阳极导杆。
(3)驱测一体模块在驱动直线电机动作的同时，接收到位置传感器反馈的接触位置信息时，实时接收和处理电动采样机构采集的电位信号和温度信号，并按以下公式计算出实时阳极导杆电流值。
I＝V/R＝V/0.028264(1+0.0038T)(l/s)
式中，V：实时采集到的电位信号；T：实时采集到的温度信号；l：电压触点间距；s：阳极导杆截面积。
(4)驱测一体模块(2)将采集到的各阳极导杆电位信号和温度信号经RS485或工业总线同步传输至控制器(3)的嵌入式微处理器或PLC模组，经处理后，再触控式人机交互界面进行展示。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过使用本发明所述的铝电解槽阳极电流分布在线检测系统及其方法，工人可通过遥控器遥控防磁耐高温直线电机，带动电压触点和温度传感器贴紧或脱离阳极导杆，轻松实现电位信号和温度信号采集，避免人工爬到电解槽上去逐个安装或拆卸电流检测装置的作业方式，极大的提高了易用性和安全性。同时，由于采用稀土材料和永磁技术开发直线电机，设计的RS485或工业总线实现电动采样机构、驱测一体模块、控制器之间的信号传输，不仅使机构轻量化和小型化，极大降低了装置成本，也节省了大量的防磁高温线缆。从而经济、易用的实现铝电解槽阳极电流分布检测。另外，本发明的在线检测系统，还可以轻松实现对阳极导杆与阳极大母线连接压降的在线检测。
附图说明
图1为本发明系统安装示意图；
图2为本发明电动采样机构结构示意图。
附图标记说明：1-电动采样机构1，2-驱测一体模块，3-控制器，4-遥控器，5-电源箱，6-布线槽，7-直线电机，8-位置传感器，9-电压触点，10-温度传感器，11-安装固定板，12-自适应转向头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接如焊接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和图2，铝电解槽阳极电流分布在线检测系统，它包括电动采样机构1、驱测一体模块2、控制器3、遥控器4、电源箱5、布线槽6。
本发明是这样实施的：将本发明的铝电解槽阳极电流分布在线检测系统的电动采样机构1按编号逐个固定安装在阳极大母线下方阳极导杆靠阳极大母线一侧，并使电动采样机构1正对阳极导杆；驱测一体模块2按编号依次固定安装在布线槽6内，各驱测一体模块2之间通过设置有航空电连接器的一束多芯线缆连接，盖上布线槽盖；将安装好的布线槽6固定安装在阳极大母线上方，将电动采样机构1引出线的航空电连接器依次插入布线槽6留出与驱测一体模块2连接的小孔内。控制器3和电源箱5安装在烟道端附近，并连接好控制器3、电源箱5。将一束多芯线缆布置在电解槽烟道端，多芯线缆一端通过航空电连接器连接布线槽6内靠烟道端的驱测一体模块2，另一端也通过航空电连接器连接控制器3，控制器3与电源箱5也通过一束多芯线缆连接。
系统安装完及上电后，工人手持遥控器4扫描铝电解槽上二维码连接到该槽控制器3，通过使用遥控器4或控制器3控制电动采样机构贴近或脱离阳极导杆。
工人或管理人员可以通过遥控器4的触摸屏查看历史或实时的电流分布数据，也可在现场控制器3的触控式人机交互界面上查看。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种铝电解槽阳极电流分布在线检测系统，其特征在于：该在线检测系统由电动采样机构(1)、驱测一体模块(2)、控制器(3)、遥控器(4)、电源箱(5)和布线槽(6)组成；所述电动采样机构(1)与驱测一体模块(2)之间的供电和通讯通过一束多芯防磁高温线缆连接，控制器(3)与驱测一体模块(2)之间的供电和通讯也同样采用一束多芯防磁高温线缆实现；电动采样机构(1)、驱测一体模块(2)、控制器(3)之间信号传输采用RS485协议，或采用包括总线技术、工业以太网及无线通讯技术在内的方式进行信号传输；遥控器(4)与控制器(3)之间采用WiFi或4G网络传输控制信号，或采用包括ZigBee、蓝牙、LoRa、NBIoT在内的无线协议或5G网络进行通信。
2.根据权利要求1所述的铝电解槽阳极电流分布在线检测系统，其特征在于：所述电动采样机构(1)包含直线电机(7)、位置传感器(8)、电压触点(9)、温度传感器(10)、触点和传感器的安装固定板(11)、保证电压触点(9)和温度传感器(10)与阳极导杆同时接触的自适应转向头(12)。
3.根据权利要求2所述的铝电解槽阳极电流分布在线检测系统，其特征在于：所述电动采样机构(1)上的电压触点(9)选任一触点作为检测阳极导杆与阳极大母线连接压降的采样点，连接压降的另一触点设置在电动采样机构(1)安装夹具上或阳极大母线上。
4.根据权利要求1所述的铝电解槽阳极电流分布在线检测系统，其特征在于：所述驱测一体模块(2)包括直线电机的驱动控制模块和电流/温度数据采集模块；所述的驱测一体模块(2)是一块将直线电机驱动控制模块和数据采集模块集成于一体的PCB板；所述的驱测一体模块(2)封装在耐高温屏蔽盒内，屏蔽盒两侧设置有多芯航空电连接器；所述的驱测一体模块(2)单独对应每根阳极导杆，或为一个驱测一体模块(2)对应多根阳极导杆或集成式的驱测一体模块(2)对应所有阳极导杆。
5.根据权利要求1所述的铝电解槽阳极电流分布在线检测系统，其特征在于：所述控制器(3)由嵌入式微处理器或包括PLC模组、触控式人机交互界面、4G和WiFi网络的交换机和路由器在内的部件组成，用于现场就地控制；所述的控制器(3)可以接收遥控器(4)的操作命令，控制电压触点(9)和温度传感器(10)与阳极导杆的接触和分离；控制器(3)的触控式交互界面设置有软按钮，或在控制器(3)上设置实际按钮组。
6.根据权利要求1所述的铝电解槽阳极电流分布在线检测系统，其特征在于：所述遥控器(4)设上有触摸屏，是控制器(3)的触控式人机交互界面数据可视化和遥控操作的移动载体，并具有射频识别功能，用于识别电解槽号，并与相应的控制器(3)连接；工人通过遥控器(4)查看信息和遥控电动采样机构(1)的运动；或者，所述的遥控器(4)为安装有阳极电流分布在线检测系统的工业APP的移动终端。
7.根据权利要求1所述的铝电解槽阳极电流分布在线检测系统，其特征在于：所述电源箱(5)由空气断路器、漏电保护器、隔离变压器和直流电源组成。
8.根据权利要求1所述的铝电解槽阳极电流分布在线检测系统，其特征在于：所述的布线槽(6)由槽壳、槽盖组成，所述的槽壳底设置有绝缘条，槽壳内有隔热内衬，槽壳内设置有驱测一体模块(2)的固定位，此固定位对应阳极导杆所处位置；所述的槽盖为翻盖式；所述的布线槽(6)为拼接式；所述的布线槽(6)采用具有抗磁性，耐热性，不易变形的材质制成；所述的布线槽(6)在固定驱测一体模块(2)的位置留有小孔，用于电动采样机构(1)与驱测一体摸块(2)连接航空电连接器。
9.根据权利要求1所述的铝电解槽阳极电流分布在线检测系统，其特征在于：所述的直线电机(7)由步进电机和直线机构组成，步进电机驱动直线机构作直线运动。
10.一种铝电解槽阳极电流分布在线检测系统的检测方法，其特征在于具有以下步骤：
步骤1：将电动采样机构(1)固定安装在阳极大母线下方阳极导杆靠阳极大母线一侧，并正对阳极导杆；布线槽(6)固定安装在阳极大母线上方，驱测一体模块(2)安装在布线槽(6)内正对每根阳极导杆位置的固定位；控制器(3)和电源箱(5)安装在烟道端附近；
步骤2：在控制器(3)或遥控器(4)的控制下直线电机(7)产生25kg以上的推力，带动电压触点(9)和温度传感器(10)贴紧或脱离阳极导杆；正常工况下，控制器(3)或遥控器(4)控制直线电机(7)推动电压触点(9)和温度传感器(10)贴紧阳极导杆，并由位置传感器(8)确定位置，在自适应转向头(12)的共同作用下，确保电压触点(9)和温度传感器(10)与阳极导杆可靠接触；在包括生产换极和抬母线作业在内工况下，控制器(3)或遥控器(4)控制直线电机(7)拉开电压触点(9)和温度传感器(10)脱离与阳极导杆的接触，作业完成后，再推动电压触点(9)和温度传感器(10)贴紧阳极导杆；
步骤3：驱测一体模块(2)在驱动直线电机(7)动作的同时，接收到位置传感器(8)反馈的接触位置信息时，实时接收和处理电动采样机构(1)采集的电位信号和温度信号，并按以下公式计算出实时阳极导杆电流值：
I＝V/R＝V/0.028264(1+0.0038T) (l/s)
式中，V：实时采集到的电位信号；T：实时采集到的温度信号；l：电压触点间距；s：阳极导杆截面积；
步骤4：驱测一体模块(2)将采集到的各阳极导杆电位信号和温度信号经RS485或工业总线同步传输至控制器(3)的嵌入式微处理器或PLC模组，经处理后，再触控式人机交互界面进行展示。
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