鋁電解多功能機組智能化面臨的難題及研究現狀

高軍永

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司， 貴州 貴陽 550081)

0 前言

鋁是國民經濟、軍事等領域的重要基礎材料，2017年全球鋁產量約6 200萬t，其中中國3 300多萬t。目前工業產鋁的方法是熔鹽電解法，而鋁電解多功能機組是鋁電解生產最重要、最核心、最復雜、的作業裝備。通常一個新建500 kA鋁電解系列需要配置14～18臺，用以完成電解槽生產的主要作業(打殼、扭拔、撈渣、加料、陽極測高、出鋁、輔助抬母線等)[1]。但現有鋁電解多功能機組的生產作業過多依靠人工介入，勞動強度大、操作難度高、環境惡劣，導致企業人工成本高、用工難；高溫熔融鋁液和電解質存在的安全隱患，惡劣工況對工人健康的影響，以及人工操作可能出現的失誤，都是實現鋁電解生產過程本質安全的障礙。

近些年來，國內相關科研院所及設備生產廠家，開發出了自動陽極測高及精準出鋁系統，并在國內一些鋁廠進行了推廣應用，取得了不錯的效果。但受制于鋁電解車間的高溫強磁環境及實現技術難度，鋁電解多功能機組的全面智能化研究還處于起步階段。在國務院發布的《中國制造2025》戰略及工信部發布的《有色金屬工業發展規劃(2016—2020年)》中，都提及了開展電解鋁全廠自動化、智能化、信息化控制管理技術，同時鋁電解生產MES系統的開發又對鋁電解多功能機組的智能化提出了新的要求。本文圍繞鋁電解多功能機組智能化亟需解決的幾個難題展開探討。

鋁電解多功能機組車間布置及結構見圖1所示。

圖1 鋁電解多功能機組車間布置及結構

1 鋁電解車間環境適應性

鋁電解生產車間環境惡劣、鋁電解槽電解質溫度達950 ℃以上，機組所處空間溫度約60 ℃。由于強大的直流電流存在，車間環境磁場強度約200高斯[2]，目前國內500～600 kA大電流鋁電解系列，空間磁場強度更高，局部可高達300高斯以上。同時在鋁電解更換陽極、氟化鹽及氧化鋁下料、出鋁等操作中，存在粉塵飛揚的情況，并有微量的氟化氫氣體溢出。

隨著機器人及空間環境感知技術的應用和發展，智能化起重機械在工業制造、港口機械及鋼鐵冶金等領域已取得了很大的進展，并在國內唐山鋼鐵、寶鋼及洋山港等項目上進行了應用。鋁電解多功能機組受制于現有的鋁電解生產工藝及操作復雜性，嚴重影響了機組的智能化發展，其主要制約如下：

(1)車間內磁場強度分布不均，且大小、方向性沒有規律，給相關傳感器的選型造成很大困難。在國內500 kA以上的電解系列上，目前機組上的接近開關在強磁場區域存在誤動作的情況。出鋁計量稱的精度也受到嚴重的影響，一直是精準控制出鋁的難題，也是電解車間與鋁錠鑄造車間因鋁液數據相互扯皮的原因。

(2)機組智能化需在現有機組上增加液壓伺服系統和伺服電機控制技術。但由于強磁場環境的存在，在液壓缸上采用較多的磁致伸縮式位移傳感器完全不能使用，采用拉線式位移傳感器其可靠性及集成性大受影響。同時因普通伺服電機內有永磁體存在，在強磁場環境下，電機工作運行機制很快受到破壞，可靠工作時間僅能以天計算。

(3)高溫強磁的環境影響數據傳輸、網絡通訊的穩定性。機組智能化必然要增加大流量的無線及有線數據通訊，但從目前在鋁電解車間應用的MES系統及精準出鋁系統來看，存在數據丟包及網絡延遲情況。

(4)車間中少量的氟化氫氣體對玻璃類制品腐蝕嚴重。智能機組中有可能使用的相機鏡頭、光電類傳感器的讀取模塊等在鋁電解車間環境中使用壽命大打折扣，其可靠性也將受到影響。

在鋁電解多功能機組智能化升級中，需要考慮上述因素進行抗干擾設計，需在選型、備件可靠性等方面有充分的考慮。

2 鋁電解多功能機組精確定位

對智能機組而言，定位是自主移動的前提。所謂定位是指機組利用傳感器數據，得到目標在環境中三維位置信息的過程，對機組來說無論是局部避障還是反饋控制，都需要精確知道自身及目標的當前位置，這是智能機組定位研究的一個核心問題。鋁電解多功能機組的精確定位包含大車、小車、工具回轉及各工具的作業定位。

機組定位控制的難點在于運動模型的建立，慣性沖擊大，負載變化、軌道不平、制動器磨損等因素，造成高精度控制難。智能機組需考慮對大車運行過程的速度進行優化，建立大車行走動力學模型，并對運行時間、起點、終點、速度上下限、牽引力及加速度參數進行約束。圖2為大車速度優化的仿真結果，速度曲線平滑，沖擊較小。

圖2 鋁電解多功能機組大車運行優化仿真

機組在運行時具有跨度大、剛度低等特點，而且傳動機構安裝精度誤差，再加上實際工作時會遇到各種復雜情況，導致機組大車難免有不同程度跑偏或啃軌現象，控制模型還需考慮大車車身誤差、軌道結構原因，兩側負載差異，車輪驅動偏差等因素，對大車行走進行糾偏控制。

機組由于大小車、工具回轉在加速和減速過程中存在慣性，負載和工具為了保持原有的運動狀態會滯后于大小車的運動，故這一部分滯后運動會造成負載和工具繞著安裝鉸接點作來回往復的擺動。這種在吊運過程中產生的負載搖晃是一種對精確定位不利的現象。雖鋁電解多功能機組各機構均采用了導向結構并使用彈簧組增大阻尼，可以有效減少擺動搖晃對機組工作效率的影響，但仍是在機組智能化研發中不可忽視的問題，機組各工具的作業定位是機組智能化的另一個難題。雖然鋁電解槽及各陽極位置在車間位置基本固定，但由于安裝精度及陽極消耗的影響，各工具的作業對象還需增加位置檢測裝置，以確保作業安全可靠。法國ECL公司曾使用4臺工業相機(圖3中序號41～44)對更換陽極操作進行作業定位[3]，并在機組上加裝ABB公司的IR7961工業機器人來完成如打開槽罩等輔助操作[4]。

圖3 ECL公司鋁電解多功能機組換極作業定位方案

圖4 ECL公司鋁電解多功能機組智能打開槽罩結構

3 鋁電解多功能機組智能控制系統

控制系統是智能鋁電解多功能機組的基礎和核心，它要能完成大/小車運行，工具回轉的精確控制，打殼/扭拔/撈渣/下料，出鋁及抬母線操作、控制系統狀態的檢測和故障報警等。機組需要根據車間MES指令，自動計算當前位置與下一目標位置移動量并到達相應位置，按照程序實施當前目標位置的操作(換極、出鋁或抬母線)，完成后到達下一目標，直到完成所有作業過程。

機組的整個控制系統為閉環控制，需要獲取并判斷當前位置與目標位置的差值，將差值信息反饋到控制系統，控制系統將根據反饋信息調整機組運行位置[5]，實現精確的移動定位和換極、出鋁或抬母線操作。

控制系統總體結構如圖5所示，可以分為以下6個部分。

(1)現場硬件層。主要是現場安裝的各類傳感器、電機、液壓驅動裝置等。

(2)控制硬件層。包括模擬量模塊、離散量模塊等數據采集模塊，以及運動控制卡、變頻器等運動控制硬件模塊。

(3)控制系統軟件層。通過控制系統硬件，控制系統軟件完成傳感器數據的采集和處理，根據要求完成運動控制。

(4)網絡通訊層。完成上位機軟件和控制系統的通訊，可選用Modbus TCP/IP、CANopen等工業通訊協議。

(5)安全報警層。為了方便人機交互及保證生產安全，及時反饋機組故障，控制系統需增加安全報警功能。結合實時狀態采集、語音合成技術，安全報警層可以報告機組的位置、速度、作業狀態及故障部位等信息。

(6)上位機軟件層。可以選用工業組態軟件，實時監控智能機組運行位置、速度、各部件狀態等，并可與鋁電解車間MES系統進行信息交互。

4 鋁電解多功能機組安全可靠設計

鋁電解槽的生產需要在高溫狀態下進行，鋁電解多功能機組智能化首先滿足安全生產的需要。機組的安全運行直接關系到電解車間人員的生命安全和財產安全。

智能化的鋁電解多功能機組應從電氣控制設計和機械設計方面，考慮足夠的安全冗余。安全防護的研究內容包括防止碰撞、重物墜落等方面，通過設置一系列的傳感器，實現機組的自我感知和周圍環境感知，提前預判，避免碰撞。

鋁電解多功能機組的每一個動作，至少具有三重不同性質的安全防護：

(1)通過三維動態仿真和人員設備的移動定位，對作業進行預先路徑規劃，確保機組的操作處于安全范圍內；

(2)通過視頻識別和雷達探測等安全傳感器，對過載過位移進行預警并實現聯鎖控制，確保動作在可控范圍內；

(3)通過安全監控，故障報警，將運動狀態提供到人工監控室，并實現任何時候任何情況下一鍵緊急停機，確保設備安全。

圖5 智能鋁電解多功能機組控制系統結構

5 結語

近三十年鋁冶煉技術的發展，基本只在于電流和槽型的不斷加大，在節能和環保方面取得了巨大成效，但對于操作技術，則一直沒有突破性發展。目前國內雖已開發出鋁電解廠的MES系統，但由于裝備自動化程度的限制，使得鋁廠在邁向智能工廠時缺失了手和腳，提升鋁電解多功能機組的智能化是目前各大電解鋁企業的迫切要求。雖然面臨本文提到的諸多難點，隨著機器人技術、機器視覺等傳感器技術及大通量無線通訊技術的發展，鋁電解多功能機組的智能化研究已經可以提上日程，必將引領鋁冶煉行業在綠色節能、安全環保、職業健康方面的技術水平[6]。