定量出鋁的自動控制

張寶樹，劉玉文

(承德石油高等專科學校教務處，河北承德 067000)

定量出鋁的自動控制

張寶樹，劉玉文

(承德石油高等專科學校教務處，河北承德 067000)

在簡要介紹定量出鋁手動控制的基礎上，重點介紹了定量出鋁自動控制的基本原理和實現方法，同時介紹了定量出鋁控制器的主要功能，并給出了定量出鋁自動控制的試驗結果。

電解鋁;定量;自動控制

在電解鋁生產過程中，需要將電解車間生產的鋁液及時定量地運送至鑄造車間，以保證生產過程連續穩定地進行。隨著鋁電解生產技術的發展，出鋁技術也需要不斷進步，使電解鋁生產企業的產品質量、經濟效益以及出鋁工的勞動強度得以改善。

1 手動控制定量出鋁

目前電解鋁生產企業大多采用的出鋁方式是手動控制定量出鋁，系統如圖1所示。圖a)為壓縮空氣出鋁部分，主要包括天車、空壓機及壓縮空氣管路、出鋁抬包和電解槽;b)為電子稱重部分。稱重傳感器安裝在天車與抬包之間，其輸出的重量信號經過二次儀表處理后，在大屏幕上顯示抬包內鋁液的凈重。抬包是一個可以形成負壓的密封罐，其結構如圖2所示，其關鍵部件是負壓發生裝置—噴射器，其結構如圖3所示。

出鋁時，將壓縮空氣管路接至出鋁抬包，并將吸鋁管插入電解槽的鋁液中，啟動壓縮機并接通控制閥，壓縮空氣進入噴射器。壓縮空氣通過噴射器的收縮噴嘴后，在負壓室形成一束高速射流，吸卷負壓室內的空氣一起進入擴壓管，在擴壓管內擴壓減速后進入接收室，最后在接收室內消音后排出。由于射流的卷吸作用，使得射流周邊空氣壓力降低，抬包內的空氣不斷補充進負壓室，因而在抬包內形成負壓。電解鋁液在負壓的作用下不斷被吸入抬包內。當關閉控制閥壓縮空氣停風后，抬包在剩余負壓的作用下，繼續吸入一部分的鋁液，直至負壓衰減完為止。

在出鋁定量控制中，需要滿足如下關系式:

式中，M1為停風前已經吸入的鋁液重量;M2為停風后剩余負壓所吸入的鋁液重量;M為定量。

根據工藝要求，一包鋁液一般要求從3～4個指定的槽中吸得，每槽都有各自的定量，以往采用手動控制定量出鋁時，在開始吸鋁后，地面的出鋁工必須關注電子秤顯示重量的增加速度，并根據速度的快慢估計出一個提前量M2。當吸入重量在到達M1=M－M2時，出鋁工呼叫天車司機關閉氣路電磁閥，高壓空氣射流停止。由于出鋁工往往估計不準吸鋁速度，所以實際上停風后剩余負壓所吸入鋁液的重量與估計的提前量M2相比有較大誤差。

在若干個結構相同的抬包中，由于制造或維修上的原因，其密封程度存在較大差異;即便是同一抬包，每次澆包后快開蓋的密封效果也不一樣;因此，每次吸鋁時抬包的密封程度往往是不同的，在抬包內形成的負壓也是不同的，吸鋁速度相差很大。

在每一槽的吸鋁過程中，從開始到結束，包內剩余空間逐步減少，空氣溫度逐步升高，因此其吸鋁速度是逐步加快的;當然，壓縮空氣壓力的波動，對吸鋁速度的影響更是直接的。

由于吸鋁速度在每次吸鋁時的不確定性，所以在采用手動控制定量吸鋁時，出鋁工通過觀察吸鋁的快慢并根據經驗估計出的提前量M2很難精確到較高程度，結果造成手動控制的定量效果一般較差。

為了盡可能地減小定量誤差，一般電解鋁生產企業對出鋁工的手動控制精度制訂了懲罰制度，力圖保障吸鋁的定量精度。實際上，盡管出鋁工很小心，可畢竟是人為控制，超差的情況還是時有發生，影響了產品質量、經濟效益;同時，由于出鋁過程中出鋁工必須小心加小心地盯著重量顯示屏，精神壓力和勞動強度較大，可還是難免因超差而受罰，影響了出鋁工的工作情緒。

如果能夠比較準確地測量出吸鋁速度，計算出提前量M2，在吸鋁到達M1=M－M2時自動關閉氣路電磁閥，相信能夠取得比較高的定量精度。定量吸鋁自動控制系統如圖4所示。

2 基于單片機測量出鋁速度的定量控制

假設在時刻t停風，停風前后時刻的負壓(設為:Pt－、Pt+)是連續且相等的，即Pt+=Pt－，則M2與Pt+直接相關，也就是與Pt－直接相關，而Pt－又通過該時刻的吸鋁速度(設為:Vt－)直接表現出來。因此可以假設關系式(2)成立:

式中K為待定的比例系數，可以通過試驗的方法求得合適值。計算出M2后，即可求得M1。當吸鋁重量到達M1時刻(相對于定量M，提前量為M2)，控制器關閉控制閥，應該能達到定量出鋁的目標。

然而停風時刻t是未知的，因而停風前的吸鋁速度Vt－是不確定的。筆者在設計中以吸鋁量在定量的40% ～60%之間的平均吸鋁速度充代停風前的吸鋁速度Vt－，取得了比較好的定量效果。設:

V為吸鋁過程中吸鋁量在定量的40%～60%之間的平均吸鋁速度，單位為kg/s;K為比例系數，其大小理論上相當于以吸鋁速度V吸入提前量M2的鋁液所需要的時間(單位為s)，實際中采用試驗的方法求得合適值。

設:t1為吸鋁到40%定量時的時間值，t2為吸鋁到60%定量時的時間值，則吸鋁速度V的計算公式為:

即當吸鋁到40%定量和60%定量時，先后讀取并保存時鐘的時分秒值t1和t2;按公式(4)求出這段時間的平均吸鋁速度V，再按公式(3)求出提前量。當吸鋁量到達M1=M－M2時，控制器關閉控制閥。

3 定量出鋁自動控制的實現

定量出鋁自動控制器構成如圖5所示。單片機采用WINBOND公司的W77E58，U盤接口采用南京沁恒電子公司的U盤文件讀寫模塊CH375，其他電路主要包括時鐘DS12887、掉電保持數據存儲器AT28C64B等。

槽號和定值可由操作者通過鍵盤設定，也可由上位機通過無線通信傳送給控制器;槽號、定值和實際重量分三行LED數碼顯示，可對現有的料單進行查詢、修改、刪除或增加操作;自動保存每槽吸鋁的日期時間、定值和實際重量，存儲器一次最多可存儲320槽，掉電不丟失，存滿報警提示。稱重傳感器將重量變換為模擬電信號送給二次儀表，二次儀表將模擬電信號變換為RS422串行數據通過串行接口送給控制器;RS422串行輸出接大屏幕，實時顯示吸鋁重量和累計值。每一槽吸鋁完成后，吸鋁時間、定量和實際重量自動保存在數據掉電保持存儲器中，用戶可每隔一段時間通過U盤讀取這些數據，轉存到電腦上，也可由上位機通過無線通信采集這些數據，還可選配微型打印機輸出。

4 定量吸鋁自動控制的誤差分析

表1為包鋁四期某臺天車采用定量出鋁控制器后的出鋁數據，誤差比安裝定量出鋁控制器前減小明顯(手動控制誤差平均在50 kg以上)，控制效果得到了企業的認可。經過定量出鋁控制器在該廠八臺天車的推廣應用，明顯改善了產品質量和經濟效益，減輕了出鋁工的勞動強度和精神壓力。

表1 包鋁四期定量吸鋁自動控制的試驗結果

從表1可以看出，盡管采用了基于單片機測量吸鋁速度的定量出鋁自動控制器，實際上仍然存在著一定的誤差。這些誤差筆者認為主要來源于兩個方面:一是從測量到控制的滯后時間，主要包括傳感器的反應時間、二次儀表的數據處理時間、自動控制器的程序掃描周期、信號的傳遞時間、電磁閥的執行時間等;二是由于在每槽的吸鋁過程中，包內剩余空間逐步減少，空氣溫度逐步升高，因此其吸鋁速度是逐步加快的;壓縮空氣壓力的波動，對吸鋁速度的影響更是直接的。所以吸鋁速度在吸鋁過程中并非是一致的，造成控制器測量出的吸鋁速度V與停風前的吸鋁速度Vt－時常存在不定差別。

［1］ 王桂芝.鋁電解槽的壓縮空氣出鋁［J］.輕金屬，1999(1):36－38.

［2］ 李少雄.大型吸鋁真空抬包的研制與開發［J］.中國鑄造裝備與技術，2005(3):50－51.

［3］ 庾莉萍.鋁土礦、氧化鋁和電解鋁產業鏈市場及利潤流向［J］.有色金屬加工，2008(1):5－7.

Automatic Control of Quantitative Al-out

ZHANG Bao-shu，LIU Yu-wen
(Deaprtment of Teaching Affairs，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

After introducing briefly the methods of manual control of quantitative aluminum，this paper focused on the basic principles and realization methods of automatic control of quantitative aluminum，and introduced the main function of the controller at the same time.Then it gave the test results of automatic control of quantitative aluminum.

aluminum electrolysis;quantitative;automatic control

TG3

B

1008-9446(2011)02-0049-04

2011-03-18

張寶樹(1964－)，男，河北省興隆縣人，承德石油高等專科學校教授，工程碩士，主要從事教學管理和電子技術應用研究等工作。