鋁電解多功能機組遠程智能控制系統

邱永峰,路 輝,陳才榮,陶 力,閆朝寧,鄭 祎,易燁騰

(1.貴陽鋁鎂設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081;2.湖南天橋嘉成智能科技有限公司,湖南 株洲 412007)

0 引言

隨著“中國制造2025”戰略的逐步推進,國家提出了加快新型基礎設施建設的進度,制造企業開始智能制造,并積極應用5G、人工智能、大數據、工業互聯網、機器人等相關技術,建設和布局智能工廠,鋁冶煉行業也不例外[1-3]。

鋁電解多功能機組是鋁冶煉行業電解車間的核心作業裝備,是預焙陽極鋁電解槽工藝操作的專用設備[4-6]。它將鋁電解槽換極、撈渣、添加氧化鋁、添加覆蓋料、出鋁、抬母線、吊運鋁電解槽及車間內零星吊運功能集于一身,在其機械輔助作業下,提高了鋁電解槽工藝作業效率,降低了勞動強度,提升了電解鋁生產力。然而,鋁電解行業因為其復雜的工藝技術和高溫、強磁場、粉塵、多腐蝕性氣體的惡劣環境,常規的自動控制技術和高精尖傳感設備無法直接應用于鋁電解多功能機組等裝備。行業整體的自動化和信息化程度不高,產業升級的需求極為迫切。為推動鋁冶煉行業的自動化升級,學者們做了相關的研究工作[7-9]。高瑩對鋁電解多功能機組控制系統開展了相關研究,從性能和安全的角度,系統總結了當前的發展現狀,也對未來的發展方向及趨勢做了前瞻性的分析[10]。

綜上所述,本論文以鋁電解多功能機組為研究對象,提出了基于運行軌跡控制的行車精準定位方法,研制了鋁電解換極作業遠程智能控制系統,在鋁電解車間開展了試驗測試,定位精度和遠程控制滿足鋁電解多功能機組的工作要求,為鋁電解企業實現全面智能制造奠定了技術基礎。

1 基于運行軌跡控制的行車精準定位方法

鋁電解多功能機組是集多種功能于一體的特種行車,行車是關鍵的重載搬運工具,隨著電子和計算機技術的發展,行車的自動化和無人化運行成為一種趨勢,而行車的精準定位是實現行車自動化運行的關鍵和基礎。在定位過程中,引入加、減速控制,可以有效減小負載在啟動和停止時由于大慣性而滯后或過沖及在停止時少搖擺,但對行車定位過程中的加、減速過程該如何控制才能最大限度地實現行車快速精準定位是行業一大難題。

基于此,本文提出一種基于運行軌跡控制的行車精準定位方法,行車上設有與PLC 信號連接的測距傳感器,PLC 內置的路徑規劃及計算程序模塊根據行車的實時位置輸出行車的實時速度來控制行車工作,定位步驟如下:首先,預設定位運行過程的加速度、減速度、最大運行速度、定位完成區間、定位完成設定時間、定位精度區間和運算周期;其次,根據相關預設值計算行車定位運行軌跡;再次,PLC 在定位過程中根據測距傳感器的實際位置反饋以及計算的運行軌跡和設定的計算程序模塊運算周期動態輸出行車的實時運行速度;然后,行車到達定位區間,PLC 開始計時,當計時達到定位完成設定時間,結束定位并停止速度輸出;最后,檢查定位完成結果。

2 換極作業智能控制系統

2.1 硬件設計

鋁電解換極作業智能控制系統的硬件框架如圖1 所示,控制端主要有遙控器、工業PAD 和普通計算機三種,三者都可以遠程控制天車的運行;控制端通過無線與執行端相連,執行端主要包括視覺測量模塊、交換機、工控機、服務器和鋁電解多功能機組。視覺測量模塊用于對需更換陽極進行掃描拍照并將掃描結果反饋給機組模塊,機組模塊根據視覺測量模塊的掃描反饋結果對大車小車位置、起升高度及回轉角度進行調整,完成換極操作。

圖1 硬件框架圖

鋁電解多功能機組的結構示意圖,如圖2 所示。在鋁電解多功能機組的大、小車上,加裝了編碼尺和激光定位傳感器,以獲取各自的精確位置;視覺測量模塊用于位置補償,為打殼頭和拔極裝置提供相對位置信息,以引導其準確到達目標位置;鋁電解多功能機組的核心控制器PLC,根據實時反饋的位置信息,結合接收的上位機程序下傳指令,控制變頻器動態輸出速度,使各個執行機構準確到達目標位置,并完成相關動作。

2.2 軟件設計

鋁電解換極作業智能控制系統的軟件設計為三層結構,如圖3 所示,包括應用層、中間層和執行層。應用層用于接收用戶輸入的控制參數并下傳給中間層,中間層將從應用層接收到的控制參數下發至執行層及將執行層采集的數據上傳至應用層,中間層為通信調度系統,中間層通過應用層和執行層的信息交互生成換極作業流程最優策略,執行層根據中間層下發的最優策略控制換極作業。

圖3 軟件架構圖

執行層包括相互信號連接的機組模塊和視覺測量模塊,視覺測量模塊用于對需更換陽極進行掃描拍照并將結果反饋給機組模塊,機組模塊根據掃描反饋結果對大車小車位置、起升高度及回轉角度進行調整,完成換極操作。遠程控制面板PAD 界面程序,如圖4 所示。

圖4 PAD 界面

3 實物和實驗

研制的新型智能鋁電解多功能機組如圖5 所示,在云南某鋁廠開展了自動換極作業實驗,利用工業PAD 在遠程下傳自動換極作業指令,在激光測距傳感器和機器視覺的輔助下,天車能自動運行到殘極附近,開展打殼作業;打殼完成后,機器視覺引導拔極組件準確找到極桿頂端,抓取極桿,完成換極作業。

圖5 鋁電解多功能機組實物圖

4 結語

基于鋁電解行業對自動化升級的迫切需求,本論文提出了基于運行軌跡控制的行車精準定位方法,研制了鋁電解換極作業遠程智能控制系統,采用激光測距傳感器和讀碼技術,實現了天車大小車的自動行走和準確定位,基于機器視覺輔助技術和路徑規劃,利用工業PAD 在遠程下傳作業指令,鋁電解多功能天車可以實現換極作業的自動完成。該項工作有利推動了鋁電解作業裝備的自動化進程,同時,對類似產品的設計與改進創新具有重要的指導意義。