鋁液坩堝安全監控及遠程報警系統設計

韓圓勛，錢曉耀

（中國計量學院質量與安全工程學院，杭州 310018）

0 引言

電阻爐事故是鋁壓鑄行業發生頻率最高的事故之一，這種事故主要發生在焙燒結束和生產啟動過程中，或生產一段時間及槽齡超過1000天的坩堝，就易發生泄漏。泄漏處主要發生在坩堝側部和鋼棒口，如果重視不夠和疏于管理、或處理不及時，則會由于鋁液熔化槽殼外漏時，沖斷陰極母線造成系列停產等重大事故。

現有的電阻爐中缺少直接對熔鋁進行泄露檢測的裝置，即使有檢測報警裝置，也只是間接進行檢測，不能第一時間檢測到熔鋁泄露。另外，由于鋁液坩堝升溫速度慢，達到熔鋁要求溫度不易，須24小時不停歇工作，即需要防斷電檢測。隨著移動通訊技術的不斷發展，GSM無線移動通信網絡技術越來越成熟，應用領域越來越廣。近年來也應用在安全防護、監控中，可監控夜間無人值守的工作設備，一旦有故障可通過手機第一時間通知相關人員，以減少事故蔓延和損失。

1 系統設計

系統設計由主控模塊、安全監控模塊、報警模塊、存儲模塊、顯示模塊、按鍵模塊和GSM通訊模塊等多模塊組成。主控模塊分別控制安全監控模塊、報警模塊、存儲模塊、顯示模塊、按鍵模塊和GSM通訊模塊完成各自相關地操作、實現各自的功能得到預期的效果。

圖1 系統總體設計圖

安全監控模塊包括鋁液泄露檢測模塊和總電源斷電檢測模塊，鋁液泄露檢測模塊是用來檢測熔鋁坩堝是否發生鋁液泄漏，總電源斷電檢測模塊是用來判斷熔鋁坩堝的主電源是否斷電而設計的檢測模塊，這兩個檢測模塊在系統設計中有著重要的地位，是確保熔鋁坩堝安全生產的關鍵。主控模塊接受鋁液泄露檢測模塊和總電源斷電檢測模塊的24小時不間斷的實時檢測信號，當主控模塊接收到熔鋁坩堝發生鋁液泄露信號或控制它的總電源斷電信號時，主控模塊會及時控制報警模塊和GSM通訊模塊發出報警操作，即通過GSM通訊模塊向指定移動終端發出報警信息及控制報警燈及時發生現場聲光報警；同時利用存儲模塊將歷史報警時間存儲到TF卡存儲器中。

此外，顯示模塊是用于顯示熱電偶測量的溫度值和時間，按鍵模塊具有切換數碼管顯示內容、模擬報警操作、查看歷史報警時間記錄等功能。系統總體設計圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 主控模塊

本系統主控模塊采用的芯片是STC15F2K60S2單片機，它是增強型8051內核的單片機，速度比傳統8051內核單片機快8-12倍；內部存儲也有極大地提高，具有60KB的Flash程序存儲器、1KB的數據存儲器，對系統程序的編寫提供了一個良好的環境；器件具有42個雙向I/O口，可以連接更多的外設和傳感器使系統功能更多樣化和完善，為用戶提供更好地體驗效果。總體上STC15F2K60S2單片機具有接口簡單、方便使用、功能強大等優點，并且成本低，所以能為本系統提供高靈活、超高效的解決方案。

2.2 安全監控模塊

安全監控模塊是本系統設計的重中之重，它要24小時不停歇的對熔鋁坩堝是否發生鋁液泄露和控制坩堝的主電源是否斷電進行檢測，以達到熔鋁坩堝正常運行和安全生產的目的。

2.2.1 鋁液泄露檢測模塊

在生產現場，電阻爐高溫、密封，探測鋁液泄漏成為檢測的關鍵，就目前的電阻爐而言，爐內腔與坩堝之間的夾層內都設計了一個貯液倉，這有利于檢測手段的實施。

鋁液泄漏作為監控及報警系統的輸入條件，判斷是否達到報警點，其主要工作原理：在坩堝的側壁和底壁的連接處的下方設計一個圓形凹槽，圓形凹槽包括中心實體區域和圍繞中心實體區域的周向設置的鋁液承接區域，鋁液承接區域上還設置了一個出口可以引出到電阻爐外部。檢測模塊的傳感器是由四個（根據實際需要可以相應地增加數量）設置于鋁液承接區域內同心且互相絕緣的導電抗高溫氧化金屬圓環（如鎳鉻合金）組成[3]，其中靠近圓形凹槽中心實體區域的第一、三根金屬圓環由導線A連接通過鋁液承接區域的出口電連接到單片機的引腳P3.4，第二、四根金屬圓環由導線B連接通過鋁液承接區域的出口電連接到單片機的引腳地上，一旦少量鋁液泄露將其中兩環短路，能立即引發單片機引腳電平變化，單片機上電初始化時引腳電平為高電位，當鋁液泄露導致兩導線短路會立即將單片機引腳電平拉為低電平，當單片機檢測到特定引腳（用于檢測鋁液泄露的引腳）的電平為低電平時會立即控制聲光報警燈進行現場聲光報警且通過GSM通訊模塊向指定移動終端（管理人員的手機）發出報警信息促使工作者及時處理，防止危險進一步擴大。

另外，檢測模塊還包括安置在鋁液承接區域出口的熱電偶傳感器，熱電偶傳感器由熱電偶和MAX6675芯片組合而成，能夠實現自動冷端補償，測出的溫度值更精確，當鋁液泄露后會導致圓形凹槽出口處的溫度升高，若超過預先設定溫度限值如150℃將及時發生報警操作，熱電偶傳感器是為了進一步確定鋁液泄露事件是否發生。此模塊設計示意圖（電阻爐的正剖面圖）如圖2所示。

由于坩堝的側壁容易開裂，鋁液多從坩堝的側壁和底壁的連接處向下泄露，所以將圓形凹槽的鋁液承接區域相應地設置在坩堝的側壁和底壁的連接處的下方，泄露檢測裝置的四個金屬圓環設置在圓形凹槽朝向坩堝的表面上，保證泄露的鋁液直接流入圓形凹槽的鋁液承接區域，使其中兩圓環短路發生報警做出相關操作。

2.2.2 總電源斷電檢測模塊

總電源斷電檢測模塊的工作原理是將電阻爐總電源與380V交流接觸器的380V線圈電壓的連接處相連接，然后將交流接觸器的常閉觸點的一端與單片機的引腳P2.4相連接，另一端與單片機的引腳地相連接，上電后單片機時刻監測引腳P2.4電平是否發生變化（是否由高電平變到低電平）。當電阻爐正常工作主電源未斷電時，交流接觸器的常閉觸點為斷開狀態，此時引腳P2.4電平為高電平；當坩堝總電源斷電時，交流接觸器的常閉觸點由正常斷開狀態變為閉合狀態，觸發單片機引腳P2.4電平變為低電平進而引發報警，進行現場聲光報警和通過GSM通訊模塊向管理人員發出報警信息提示總電源處于斷電狀態。電氣連接示意圖如圖3所示。

圖2 模塊設計示意圖

圖3 電氣連接示意圖

2.3 GSM通訊模塊

GSM通訊模塊采用的是SIM900A模塊芯片，SIM900A模塊可以實現的主要功能有：語音通話、短信收發、GPRS網絡數據收發、彩信收發。本系統中我們主要利用SIM900A實現短信發送功能，當單片機檢測到鋁液泄露或者電阻爐主電源斷電信號時會及時發短信給管理人員，兩個報警信號所發送的短信內容不同以便于提示工作人員具體處理相關危險。

GSM模塊主要由嵌入式微處理器(CPU)、存儲器、音頻編解碼器(聲碼器)、射頻收發單元、電源管理、SIM卡控制器、通用外部接口(串口、I/O口、音頻接口)等部分組成。GSM模塊框圖如圖3所示。

2.4 按鍵模塊

圖4 GSM模塊框圖結構

此模塊是為了實現系統可操作性，使用戶體驗更好一些，它包含了三個按鍵和一個鑰匙開關。三個按鍵的功能分別是：1）調用和查看發生報警后存儲到TF存儲卡內的實時報警時間，顯示在數碼管上，便于管理人員查看歷史報警時間；2）復位按鍵，當報警后按下復位按鍵可關掉報警燈，使整個系統回到初始位置；3）切換按鍵，用來切換數碼管實時顯示的內容（熱電偶的實時溫度或者是當前時間）。鑰匙開關視為自檢開關，正常運行時打開開關會發生報警操作，即聲光報警和短信提醒，目的是為檢查電路是否有故障。

3 系統軟件設計

本系統的軟件設計部分包括系統初始化、鋁液泄露檢測、主電源斷電檢測、報警操作等幾部分。主控模塊控制鋁液泄露檢測模塊和主電源斷電檢測模塊24小時不停歇對鋁液泄露信號和斷電信號進行檢測，并判斷信號是否達到報警條件，若達到條件，則判定電阻爐發生鋁液泄露或主電源斷電，具體為何原因發生報警則可以通過短信內容得知。如果有報警信號則啟動報警燈進行現場聲光報警、通過GSM通訊模塊向管理人員發送短信提醒同時將當前報警時間存儲到TF存儲卡以便于工作人員查詢歷史報警記錄，系統程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統程序流程圖

4 實驗驗證

按照上文中所述的鋁液泄露檢測模塊的具體檢測硬件設計一樣，在圓形凹槽的鋁液承接區域上設置四個同心且互相絕緣的導電抗高溫氧化金屬圓環（鎳鉻合金）[3]，將靠近圓形凹槽中心實體區域的第一、三根金屬圓環用導線連接到單片機的引腳P3.4上，第二、四根金屬圓環用另一根導線連接到單片機的引腳地上，啟動裝置，待裝置正常工作后開始試驗，將少量鋁液倒入圓形凹槽中，其中兩環短路，與此同時報警燈發生聲光報警、間隔3秒左右管理人員接到報警短信。據工廠生產部門的工程師所述，在實際情況中坩堝發生泄漏不是爆發式泄漏而是循序漸進地滲出鋁滴，鋁滴由小變大流入圓形凹槽中，進一步地講坩堝在發生泄露的最初階段及時發現可避免事故的發生。由于爐內溫度較高鋁滴一直為液態在圓形凹槽中流動定會接觸到金屬圓環觸發報警。同理，斷電檢測模塊試驗也已完成，能夠達到預期目標。

5 結束語

本系統鋁液泄露檢測裝置的圓形凹槽設置在坩堝的下方，當發生泄漏時，鋁液流到圓形凹槽的鋁液承接區域，將其中兩金屬圓環短路，導致主控模塊的引腳P3.7電平發生變化觸發報警操作，或安置在所述鋁液承接區域出口的熱電偶傳感器檢測的溫度值超過預先設定溫度限值，觸發報警操作。另外，當坩堝總電源斷電時，與總電源相連接的380V交流接觸器的常閉觸點由正常斷開狀態變為閉合狀態，引起主控模塊的引腳P2.4電平變化觸發報警。與現有技術相比，該系統操作起來簡單，可擴展性強，安裝檢測模塊便利，不需要對鋁液坩堝進行大規模改造，節省資源和資金。

此外，本系統綜合運用了GSM網絡和安全監控檢測技術，實現對鋁液坩堝進行實時監控并在異常情況下進行報警，從而保證了坩堝不正常工作時及時發現并立即處理防止情況進一步惡化。最后提醒一點，在實際正常生產過程中，安全監控檢測報警裝置一旦報警，就表示鋁液坩堝漏爐事故已經發生了，此時所謂的報警僅僅起到提醒管理人員避免事故擴大的作用。

[1] 馬寶山,汪海峰,李寶全.中頻感應電爐漏爐報警方式的探討[J].現代鑄鐵,2013,33(2):46-52.

[2] 譚浩強.C程序設計[M].清華大學出版社,2005.

[3] 楊龍.熔鋁鑄鐵坩堝漏液報警器[J].特種鑄造及有色合金,1991, (04).

[4] 張貴明.GSM/SMS實現遠程控制與報警的研究與設計[J].四川師范大學學報(自然科學版),2004,27(1):102-106.