電解工藝極板短路檢測系統的研究 ＊

韓雄南

(昆明冶金研究院,云南 昆明 650031)

1 引 言

電解工藝是濕法冶煉的主流程,電解槽極板在電解過程中容易發生短路現象,浪費了大量的電能,直接影響著電解產品的質量、產量和成本。需要判斷極板是否短路,目前采用人工檢測及移動式檢測儀器的方法,需要大量的人力物力,由于各個人的經驗等因素使判別極板短路的效力不高,關鍵是不可能全面實時地對所有極板短路進行有效檢測。

根據操作經驗及理論分析,極板短路時,兩極板間電流增大,使極板溫度顯著升高,通過對極板溫度的監測來實現對極板短路的有效檢測。因此,系統采用了較為先進的數字化溫度傳感器,并通過一線總測溫傳感器和 RS 485總線作為通信協議的工業局域網信號傳到上位機進行全面的更為方便有效的巡檢監測。

2 檢測傳感器

2.1 檢測傳感器的選擇

一個電解車間少則有幾千對電解極板,多則有上萬對。要檢測每對極板的溫度,就需要成千上萬的溫度傳感器,如果采用傳統的溫度傳感器,存在著成本高、重要的是體積大,無法實現在極板之間安裝。另外傳統的傳感器測出的信號是模擬信號,要把它送給上位機,還需經過模數轉換。這樣每一個點的成本平均增加上百元。所以電解極板的溫度檢測關鍵在于選擇測溫傳感器,既要體積小成本低,又要性能優越。

圖1 傳感器安裝示意圖Fig.1 Sensor installation schematic diagram

采用美國 DALLAS公司生產的 DSI8B20數字溫度傳感器,如圖1所示,形狀與一個三極管相似(4.5 mm×4.8 mm),體積小安裝方便、成本低,由于采用 DALLAS公司特有的 “一線總線”技術,即可聯網,也可分散測量,并有較高的分辨率:0.0625℃;測量精度達: ±0.5℃;測量范圍: -55～+125℃。是能夠滿足電解極板短路時檢測的理想數字傳感器。

2.2 檢測傳感器的特點

采用一線總線技術,所有的讀寫信號及電源的提供均可通過一條數據線來完成,而不需另外接線,每一個數字溫度傳感器在出廠時都有一個唯一的 ID編號,在編寫與上位機的通訊程序時不需要為每一個傳感器重新編號,上位機可自動識別。

DSI8B20數字化智能集成的傳感器,其特點是:①每個 DSI8B20都有一個 64位的固化存儲器。前 6位是一線總線編碼,接著的 48位是出廠時的系列號,最后 8位是 CRC效驗碼。CRC效驗碼可以由工程人員根據相應的公式和前邊的數據計算得出,以此驗證數據讀取是否有效。②溫度傳感器 DSI8B20的獨特功能是集成片有一個能直接把測量的溫度信號轉化為數字信號,并具有較高的分辨率和測量精度。③異常溫度上下限報警寄存器,測量的溫度先與它們比較,確定是否有效。當測量的溫度高于寄存器 TH值或低于 TL值時,CRC效驗碼中的報警標志位將被置位,效驗碼中的報警標志位每次測量都會被更新。④DSI8B20的內部結構允許采用兩種供電方式。如圖1所示,一種是通過數據線供電,將傳感器的VCC管腳和 GND管腳接地。當數據線出現高電位時,傳感器自動儲存所需的電能,直到下次再出現高電位,這種供電方式節省了布線數量,但會影響通訊的速度。另一種是通過傳感器的 VCC和GND管腳直接和另接電源相連,這樣數據線只用來傳遞數據,通訊速度不受影響。

2.3 傳感器的安裝

在生產現場要進行傳感器安裝,既不能改變現有設備結構,也不能影響正常生產,同時,要安裝方便可靠。如圖1所示,為了使陽極板的溫度快速地傳遞給溫度傳感器,裝置采用導熱性較好的金屬材料做成,并做一定的防腐處理。將溫度傳感器放入導熱片中,再用導熱硅膠注入小孔內,以增加它的導熱性能。再把導熱片安裝在陽極板的銅棒放置的位置,讓它充分接觸,要保證極板溫度能很快傳遞到溫度傳感器上。

3 檢測及數據采集系統

3.1 檢測數據的通訊

由于溫度傳感器DSI7B20特有的 “一線總線”技術,實現了一條數據線進行雙向數據傳輸,最大限度的節省了通訊線的數量。另外,由于它是數字化溫度傳感器,其傳輸的信號直接就是數字信號,不需要模數轉換模塊,傳感器可以直接和上位機相連。但由于電解車間極板較多,需要大量的傳感器,為提高通訊速率,在傳感器與上位機之間加入一個采集轉換模塊,由它對各傳感器進行溫度采集并向上位機提供數據。

3.2 檢測數據的采集

采集模塊采用單 CPU結構,由它對傳感器進行自動巡檢,實時刷新數據緩沖區,提高系統的采集速度。由于采用一線總線技術,理論上就可以只用一根數據線把所有的傳感器連入采集模塊,但實際上,由于通訊距離,測量電纜導線電阻及電纜線的線間電容都會影響通訊的準確性,所以采集模塊設有 8個信號輸入通道,把每根電纜上的傳感器數量降下來,一般每根通訊電纜上的傳感器數不超過64個,另外為了提高抗干擾和傳輸距離,采用 RS-485工業通訊網絡,它具有較強的抗干擾能力和較遠的傳輸距離,廣泛運用在工業現場的數據傳輸中。如圖2所示。

上位機向采集模塊讀數據時,為了獲得較高的通訊速度,采用 RS-232通訊端口。RS-232網絡和 RS-485網絡之間用轉換器進行連接,該轉換器除了有總線轉換功能外,還具有隔離作用。

圖2 系統電器原理圖Fig.2 Schematic diagram of system electrical equipment

3.3 軟件開發

上位機監控軟件采用組態王工控軟件。組態王是工控軟件中開發較早,較為完整的軟件,其功能強,接口豐富,通過它的開發系統能方便地編寫運行畫面,方便直觀地對各參數進行實時監控,并對異常數據進行報警處理和打印處理,并可編制歷史曲線圖,給管理人員提供歷史參考數據。

4 現場工業試驗

本項目在云南瀾滄鉛鋅礦電解車間對兩個電解槽,64對陰陽極板,在陰極板安裝了檢測系統,系統調試正常進行。在為期 1月的實驗后,獲取系統采溫度數據 (數據太多不便全部列出)。我們只把系統采溫度中當極板短路時溫度變化及處理過程的數據見表1所示。

表1 極板短路時溫度變化表Tab.1 Temperature variation list of plate short circuit

整個系統能快速準確地反應極板短路時工作狀態,并在上位機上即時報警顯示。

5 結 語

實驗結果表明,檢測系統能較好地完成對各個極板溫度變化的巡察、檢測,能快速、靈敏地對極板短路初期及變化過程準確地反映。檢測極板短路溫度比直接測量極板短路電流等其它方法更方便有效。由于采用了DSI8B20數字溫度傳感器和 485工業局域網絡降低系統成本,實現了系統優化。總之系統從理論上和實際應用研究上都有效可行,實現產業化及推廣應用大有前景。

注:該課題審報后,已認定為云南省科技攻關項目。

[1]甘 勇,宋春來,宋寅卯.數字溫度傳感器 DS18B20在多點測溫系統中的應用 [J].河南農業大學學報 (自然科學版),2001,35(4):391-393.

[2]賴朝森,羅 安,劉 堯,龍麗姮.一種實用的發電廠參數采集系統的研制 [J].儀表技術,2006,(5):18-20.

[3]甘 勇,宋寅卯,高為民.Windows2000下基于 RS-485工業數據采集網絡的設計與實現 [J].河南農業大學學報 (自然科學版),2001,29(4):82-84.