鋁電解陽極電流分布在線無線監控系統的開發應用

李 清，盛樹軍，崔旭東

(1.河南省工業學校,河南 鄭州 450002；2.陜西有色金屬控股集團,陜西 西安 710000)

鋁電解生產中,系列電流是通過陽極大母線上壓接的多個陽極導桿將電流傳輸至陽極炭塊,再通過電解質,鋁液,陰極炭塊,鋼棒等材料到陰極的,陽極電流分布應該是均勻的。尤其是焙燒啟動時,陽極電流分布不均勻如不及時調整,會引發偏流,會使部分陽極陽極組的電流大幅度增加,從而導致影響電解槽技術參數的經濟指標,偏流嚴重時還會導致陽極導桿的爆炸焊塊開焊,造成脫極的嚴重事故,直接影響電解槽或電解系列的穩定性。

因此,實際生產中,對全系列電解槽各個陽極電流分布情況實施在線實時監控,及時了解電流分布的變化,并能顯示實時和歷史曲線的變化趨勢,可以對提高電解槽的管理水平,保證生產的穩定性具有重大的意義。

1 現狀及存在問題

當前鋁電解廠陽極電流分布檢測為人工手持綁有電壓表的鋼叉,將鋼叉頭壓在陽極導桿上,逐個檢測各陽極導桿的電壓降并記錄下來,此方法簡單,但耗時費力,測量誤差偏大,而且每臺槽多組陽極電流檢測不同步,不能實時掌握陽極電流分布變化。

也有采用穿心式直流互感器套在陽極導桿上測電流的,但是在電解廠房內高溫,高磁場,高灰塵的環境中都易損壞,測量不準確,而且在現場工況下安裝困難且對陽極換極不便[1]。

還有通過在線測控機測量顯示的,其測量點多是固定的,但由于陽極組需要根據換極周期定期更換,每次都要拆卸重新安裝,工人操作麻煩,所以一直沒能推廣實施。

2 在線陽極電流監測系統開發的技術方案設計

2.1 監測系統的工作原理

陽極電流分布在線無線檢測控制系統,是基于等距壓降測量原理, 即U=IR,電阻一定時,電壓的變化與電流成正比。通過測量陽極等距壓降的變化反映出對應的陽極電流變化。采用微電壓傳感器采集陽極導桿壓降,經抗干擾過濾后將采集到的信號送至處理器進行轉換。通過智能網關發送至互聯網遠程數據歸集中心,存放于服務器。監測終端通過對服務器云平臺的訪問,可遠程實時查看監測數據,手機端支持蘋果和安卓系統,普通PC終端可實現日報表、周報表、月報表下載和各種數據可視化顯示[2]。實現了鋁電解槽電流分布的在線監測和實時分析,如圖1。

圖1 陽極電流無線監測系統原理圖

2.2 監測系統的組成

陽極電流無線監測系統組成主要由原始數據采集系統,數據信號處理單元系統和數據云儲存系統組成。

2.2.1 原始數據采集端

將專門夾具固定安裝在對應的每一個陽極上,并在與夾具聯結的連接桿端頭安裝2個耐高溫的金屬觸點,壓接在陽極背面,觸點噴涂抗高溫氧化涂層,以保證接觸點測量的穩定性。如圖2所示,將2個觸點測得的等距電壓信號通過耐高溫導線引入到電壓采集模塊,再將電壓信號經專用測量PLC處理,通過無線網關上傳到云系統。測量電壓量程為10 mV,精度1 mV,每10秒采集一次,24小時在線,能準確反映電壓的微小波動,排除了人工測量周期長、個人操作方式不當造成誤差等方面的弊端,真正做到數據同步跟隨[3]。

圖2 夾具安裝觸點采集電壓圖

2.2.2 信號處理單元

觸點采集的微電壓信號,經電壓采集模塊傳輸進入系統信號處理單元,經特定程序處理轉化為輸出信號。信號處理單元設計過程中采用抗干擾措施以減少電磁干擾,數據處理單元采用西門子PLC,具有體積小、功能強、工作穩定可靠。采集到電壓數據,經網關發射直接進入無線網絡,無須布置任何連接線,大大簡化了施工難度,提高了控制、維護便利性。

2.2.3 云系統

將采集到的電壓信號經處理后的數據經無線網絡傳輸到云系統。云系統是交換中樞,負責整個控制系統的協調控制與數據交換。其中心就是網絡系統,采用數據入網,實現了集中采集、無線傳輸、集中處理、分散顯示,通過手機APP或任何能連接互聯網的設備均能隨時隨地查看監控數據,不受時間、地點影響。

云系統依托阿里云的強大穩定性,保證24小時×365天穩定在線,可以保證任何時間、任何地點監測工業現場數據,只要有互聯網的地方就可以實時觀察,如圖3。

圖3 云系統示意圖

陽極電流無線監測系統采集的電壓信號經過數據處理后通過無線網絡上傳到云系統,以實時狀態電壓顯示圖,實時陽極電壓變化曲線圖及表格等在終端設備上形象的顯示出來[4],如圖4。

圖4 實時顯示系統圖

2.3 在線陽極電流監測系統的實施效果

鋁電解槽陽極電流在線無線監測系統在國內某鋁廠安裝測試,通過在線監測實時電壓變化曲線,反應出陽極電流的變化,可以根據生產實際要求,分別通過實時畫面、實時數據、歷史數據曲線、警告管理、報表管理幾項功能展現出來。

2.3.1 實時畫面

利用模擬畫面的方式顯示各陽極導桿的等距壓降,數據詳實,畫面直觀,如下圖5所示某鋁廠陽極電壓監測實時畫面,可以隨時觀察各導桿的電壓數據,清晰明了。

圖5 陽極導桿實時壓降圖

2.3.2 實時數據

按照設定標準,每隔10秒鐘采樣一次電壓信號。并能從表格中實時查詢。如表1為電解槽現場部分陽極的陽極電壓實時監測數據,見表1。

表1 陽極電壓實時監測數據表

2.3.3 數據曲線

以曲線的形式展現數據記錄,可以展現單個或多個陽極的陽極電壓波動曲線。如圖6為1308#電解槽A3極一天的電壓正常波動曲線。也可以展現多個陽極的陽極電壓曲線,從全局把握電解槽多個陽極的陽極電流波動情況。如圖7為凌晨4:30左右,B14極、B17極電壓升高有波動,時間比較短,隨后比較穩定。

圖6 單陽極電壓波動曲線圖

圖7 多個陽極陽極電壓波動曲線圖

2.3.4 警告管理

陽極電流發生異常變化時, 設置了電壓報警范圍,一旦超過正常值,會在監控畫面中反映出來具體位置,也可以根據需要加入聲光報警裝置或聲音提示功能,使報警提示更直觀。如圖8所示陽極效應發生時,顯示紅色報警。

圖8 陽極效應發生報警圖

2.3.5 電壓報表及效應報表管理

每隔24小時,系統會自動生成一張excel格式的電壓數據記錄表;每過7天,自動生成一張周數據記錄表,用于匯總記錄每天每根導桿的電壓數據。圖9為發生時的電壓曲線和效應電壓報表。通過這些可以了解到陽極效應的發生時間和持續時間以及陽極效應電壓的實時數據。

圖9 陽極效應發生及報表圖

在線陽極電流監測系統的應用,可以避免人工測量的誤差,通過實時狀態圖,電壓變化曲線,實時數據報表等手段,及時反映出電解槽的陽極電流變化狀態和陽極效應電壓發生狀況,從中可以判斷陽極組工作的狀態,預測研判電解槽的運行狀況趨勢,提供對電解槽技術調整操作的科學依據,穩定了電解槽工藝技術條件,保證電解槽的穩定運行,有助于進一步提高電解鋁生產的技術經濟指標。

3 結 論

鋁電解槽陽極電流在線無線監測系統,實現了鋁電解槽陽極電流分布的在線監測和實時分析,消除了當前鋁電解廠傳統人工巡視測量數據的錄入誤差及檢測不同步,耗費人工和時間的弊端,提高了一線工人的測量效率。

陽極電流的實時監控,施工方便,安裝簡單,無需架設電纜聯接主控室,通過手機或計算機終端連接無線網絡可以隨時隨地查看調取監測數據,改變了當前鋁電解行業對陽極電流分布參數測量、數據存儲和數據分析的工作模式,提高了數據的使用效率,為深入研究鋁電解生產過程變化、把握電解槽運行狀態提供了參考。