基于三維掃描的鋁電解大型密封式儲料倉物位精準檢測系統設計

馬得勝

（黃河鑫業有限公司，青海 西寧 810600）

1 概述

1.1 背景

隨著鋁電解行業自動化水平和節能降耗意識的不斷提高，對各種物料消耗、庫存盤存精準性要求越來越高。鋁電解各種物料倉作為生產工藝過程的重要組成部分，連續監控料倉料位的要求變得越來越迫切。但是，如何準確可靠地測量料位是一個長期存在的問題，主要原因是各類物料倉在下料時會產生大量的粉塵、料面高低起伏現狀不規則。目前行業內普遍使用的料倉料位測量儀器包括單點雷達物位計、超聲波料位計、投入式重錘料位計、電容料位計等種類，但是由于生產環境比較復雜惡劣、探測介質易受到強磁場干擾，造成常規儀表測量誤差大，加之單點料位計顯示數據單一，只能大概反映出密封儲罐內料位高度，不能準確反映出料倉儲料量。

同時電解鋁行業生產過程又是一種高粉塵、高磁場、易磨損環境。迫切需要一種新的、可靠的、準確性高的料倉料位檢測技術和裝置來解決上述問題，達到準確測量和實時監控料倉料位，為生產提供精確的過程數據。因測量技術的限制，對密封式儲罐料位盤存一直困擾著企業，對儲罐料倉料位的精確測量對電解槽的管理與生產、經營決策具有非常重要意義。本文對在電解鋁行業中使用三維掃描儀測量技術方案進行探討分析。

1.2 物料測量技術發展現狀

電解鋁行業生產過程又是一種高粉塵、高磁場、易磨損環境，目前行業內普遍使用的料倉料位測量儀器包括單點雷達物位計、超聲波料位計、投入式重錘料位計、電容料位計等種類，但是由于生產環境比較復雜惡劣、探測介質易受到強磁場干擾，造成常規儀表測量誤差大，加之單點料位計顯示數據單一，只能大概反映出密封儲罐內料位高度，不能準確反映出料倉儲料量。三維掃描技術是一項測繪技術新突破。它是利用激光測距或雷達波對物位進行

全截面掃描的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據。掃描系統可以密集地大量獲取目標對象的數據點，因此相對于傳統的單點測量，三維激光掃描技術也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破，其具有快速性，不接觸性，實時、動態、主動性、高密度、高精度、數字化、自動化等特點。三維掃描技術與單點雷達技術或單點測量技術對比，可以實現倉內物料雷達陣列掃描，全息成像，可以實現體積、重量、庫存計量、料位自動連鎖控制等功能。三維雷達物位掃描儀是實時的監控儀表，通過配套軟件隨時能夠顯示料倉料位，體積，質量等信息?；趯κ袌隽私蛹罢{研，市場上可以用于3維掃描的設備非常多，但基本上應用于影視制作、三維圖形制作等一些環境較好場所，國產設備中幾乎無法在高磁場、高粉塵、易磨損環境中使用。因此優選進口工業高頻三維雷達技術，可以克服高磁場、高粉塵、易磨損技術難題，以便滿足鑫業公司本次改造需求。

2 鋁電解大型密封儲倉三維檢測技術設計

2.1 成像原理

利用三維掃描技術，多個信號傳送器發射低頻脈沖,并接收來自筒倉、開放倉或其它料倉內物料表面反射的脈沖回波,不僅能夠監測到每個回波的時間/距離，還能監測到回波的方向。設備的數字信號處理器對接收的信號進行取樣和分析,非常準確的監測出物料的物位、體積和質量,并生成料倉內物料的實際分布狀況和三維立體圖像，在遠程電腦上顯示出來。同步監測儲存在各種料倉的各種固體散狀物料,料倉內的物料物位，并繪制出物料隨時間變化而隨機形成的不規則表面狀態，計算出物料的實際體積，使物位監測水平達到了新的高度，解決已有測量手段無法解決的問題。將儲存在筒倉或開放倉內的物料體積、物位和質量監測合為一體并以三維圖像顯示出來的全新理念。

圖1 掃描成像原理圖

圖2 掃描效果展示圖

2.2 掃描儀配置數量計算

我公司共有新鮮氧化鋁儲倉6個，載氟氧化鋁儲倉6個，氧化鋁緩沖倉6個，氧化鋁散裝料倉2個，石油焦料倉2個，煅后焦料倉2個，殘極倉2個。本次設計范圍為電解區域2#凈化1個新鮮氧化鋁儲倉和1個載氟氧化鋁儲倉。參數如下：

單臺掃描儀檢測面積計算公式如下：

單臺掃描面積=安裝高度差×tan20°×2

單臺掃描面積=（33-15）×tan20°×2=18×0.36397×2=13（米）

根據計算，對新鮮氧化鋁倉和載氟氧化鋁倉安裝三維掃描儀數量配置如下，見表1：

表1 三維掃描儀安裝地點及數量

2.3 測量介質

（1）被測介質：氧化鋁；

（2）輸送方法：斗提輸送；

（3）環境溫度，常壓；

（4）現場粉塵較大；

（5）現場有磁場干擾；

（6）介質有一定粘附性。

2.4 三維雷達物位掃描儀技術參數選型

（1）功能簡述：非接觸是測量/調頻（FMCW技術）/多點位同步掃描技術/測量物位、體積和質量；

（2）工作頻率：高頻電磁波，優選140GHz以上；

（3）每個通道測量精度：±3mm；

（4）體積測量精度：根據測量對象參數不同，不超過總體積的5%；

（5）環境溫度：-50--+70℃

（6）工作電壓：24VDC；

（7）料位信號輸出：4--20mA；

（8）數字信號輸出：RS-485 Modbus RTU HART；

（9）存儲設置：內置實時時鐘芯片，通過非易失性存儲器保存調試記錄，

校準數據存儲和重新計算平均數值存儲匯總，實現智能化料位控制輸出信號。

2.5 三維雷達布置安裝示意圖

安裝示意圖見圖3所示。

圖3 三維雷達安裝示意圖

2.6 掃描儀配置

掃描儀具體配置見表2。

表2 掃描儀配置

2.7 3維雷達物位測量系統配置方案

新鮮氧化鋁倉和載氟氧化鋁倉料位檢測信號送至2#凈化集中控制室，整套3維雷達料位檢測系統，從現場雷達檢測，信號變送傳輸，到控制室的集中顯示終端構成一套完成的獨立系統。并預留一個4～20mA信號送至凈化控制系統，用于實現生產過程控制的保護連鎖。

2.8 3維雷達設備安裝

根據新鮮氧化鋁貯倉、載氟氧化鋁倉的尺寸，經計算建議在氧化鋁貯倉安裝2臺3維雷達物位掃描儀，載氟氧化鋁貯倉安裝1臺。儀表安裝在倉體頂部靠近中心位置。安裝位置需開一個φ315的安裝孔配套DN300的法蘭，安裝位置見圖4。

圖4 安裝位置圖

2.9 安裝要求

（1）3維雷達掃描儀開孔尺寸為φ315mm安裝位置下方需避開障礙物；如選定的安裝位置下方或邊上有橫梁，我司可采取儀表下沉式安裝，滿足現場測量需求。

（2）掃描儀供電電壓為24VDC，現場如不能夠提供24VDC電源，可提供220VAC電源,將220VAC電壓轉換為24VDC電壓。

（3）掃描儀4～20mA模擬量信號輸出，可用于客戶接入PLC/DCS系統，4～20mA無源信號。

（4）掃描儀RS485數字信號輸出，需要在中控室集中控制器與儀表之間鋪設一根2芯雙絞屏蔽線，且距離不能超過800m（也可以鋪設一條光纖）。然后通過RS485轉換模塊與3維集中控制器連接，配合3維雷達物位掃描儀專用軟件完成顯示3維成像或體積、質量等信息。

3 試驗情況

通過數據采集后，可看出采集的數據和對比數據非常吻合，誤差較小,能夠適應高磁場、高粉塵環境，采集實驗數據如下：

表3 采集的數據和對比數據對比表（單位：mm）

4 結束語

目前國內外在密封儲罐料倉的盤存上都沒有很好辦法，只是使用單點料位計確定物位大體高度，預防出現安全問題。近年來3維掃描技術在醫學、影視制作等領域應用目前比較廣泛，工業應用方面在煤炭行業應用發展比較多，目前通過市場收集信息，電解鋁領域只有1家進行試用，正在試運行階段。該項測量技術的突破，對儲罐料倉料位的精確測量對電解槽的管理與生產、經營決策具有非常重要意義。