高軍永

(貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司， 貴州 貴陽 550081)

0 前言

鋁是國民經(jīng)濟(jì)、軍事等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)材料，2017年全球鋁產(chǎn)量約6 200萬t，其中中國3 300多萬t。目前工業(yè)產(chǎn)鋁的方法是熔鹽電解法，而鋁電解多功能機(jī)組是鋁電解生產(chǎn)最重要、最核心、最復(fù)雜、的作業(yè)裝備。通常一個(gè)新建500 kA鋁電解系列需要配置14～18臺(tái)，用以完成電解槽生產(chǎn)的主要作業(yè)(打殼、扭拔、撈渣、加料、陽極測高、出鋁、輔助抬母線等)[1]。但現(xiàn)有鋁電解多功能機(jī)組的生產(chǎn)作業(yè)過多依靠人工介入，勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作難度高、環(huán)境惡劣，導(dǎo)致企業(yè)人工成本高、用工難；高溫熔融鋁液和電解質(zhì)存在的安全隱患，惡劣工況對(duì)工人健康的影響，以及人工操作可能出現(xiàn)的失誤，都是實(shí)現(xiàn)鋁電解生產(chǎn)過程本質(zhì)安全的障礙。

近些年來，國內(nèi)相關(guān)科研院所及設(shè)備生產(chǎn)廠家，開發(fā)出了自動(dòng)陽極測高及精準(zhǔn)出鋁系統(tǒng)，并在國內(nèi)一些鋁廠進(jìn)行了推廣應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的效果。但受制于鋁電解車間的高溫強(qiáng)磁環(huán)境及實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度，鋁電解多功能機(jī)組的全面智能化研究還處于起步階段。在國務(wù)院發(fā)布的《中國制造2025》戰(zhàn)略及工信部發(fā)布的《有色金屬工業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》中，都提及了開展電解鋁全廠自動(dòng)化、智能化、信息化控制管理技術(shù)，同時(shí)鋁電解生產(chǎn)MES系統(tǒng)的開發(fā)又對(duì)鋁電解多功能機(jī)組的智能化提出了新的要求。本文圍繞鋁電解多功能機(jī)組智能化亟需解決的幾個(gè)難題展開探討。

鋁電解多功能機(jī)組車間布置及結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 鋁電解多功能機(jī)組車間布置及結(jié)構(gòu)

1 鋁電解車間環(huán)境適應(yīng)性

鋁電解生產(chǎn)車間環(huán)境惡劣、鋁電解槽電解質(zhì)溫度達(dá)950 ℃以上，機(jī)組所處空間溫度約60 ℃。由于強(qiáng)大的直流電流存在，車間環(huán)境磁場強(qiáng)度約200高斯[2]，目前國內(nèi)500～600 kA大電流鋁電解系列，空間磁場強(qiáng)度更高，局部可高達(dá)300高斯以上。同時(shí)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(yáng)的情況，并有微量的氟化氫氣體溢出。

隨著機(jī)器人及空間環(huán)境感知技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，智能化起重機(jī)械在工業(yè)制造、港口機(jī)械及鋼鐵冶金等領(lǐng)域已取得了很大的進(jìn)展，并在國內(nèi)唐山鋼鐵、寶鋼及洋山港等項(xiàng)目上進(jìn)行了應(yīng)用。鋁電解多功能機(jī)組受制于現(xiàn)有的鋁電解生產(chǎn)工藝及操作復(fù)雜性，嚴(yán)重影響了機(jī)組的智能化發(fā)展，其主要制約如下：

(1)車間內(nèi)磁場強(qiáng)度分布不均，且大小、方向性沒有規(guī)律，給相關(guān)傳感器的選型造成很大困難。在國內(nèi)500 kA以上的電解系列上，目前機(jī)組上的接近開關(guān)在強(qiáng)磁場區(qū)域存在誤動(dòng)作的情況。出鋁計(jì)量稱的精度也受到嚴(yán)重的影響，一直是精準(zhǔn)控制出鋁的難題，也是電解車間與鋁錠鑄造車間因鋁液數(shù)據(jù)相互扯皮的原因。

(2)機(jī)組智能化需在現(xiàn)有機(jī)組上增加液壓伺服系統(tǒng)和伺服電機(jī)控制技術(shù)。但由于強(qiáng)磁場環(huán)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(shí)因普通伺服電機(jī)內(nèi)有永磁體存在，在強(qiáng)磁場環(huán)境下，電機(jī)工作運(yùn)行機(jī)制很快受到破壞，可靠工作時(shí)間僅能以天計(jì)算。

(3)高溫強(qiáng)磁的環(huán)境影響數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)通訊的穩(wěn)定性。機(jī)組智能化必然要增加大流量的無線及有線數(shù)據(jù)通訊，但從目前在鋁電解車間應(yīng)用的MES系統(tǒng)及精準(zhǔn)出鋁系統(tǒng)來看，存在數(shù)據(jù)丟包及網(wǎng)絡(luò)延遲情況。

(4)車間中少量的氟化氫氣體對(duì)玻璃類制品腐蝕嚴(yán)重。智能機(jī)組中有可能使用的相機(jī)鏡頭、光電類傳感器的讀取模塊等在鋁電解車間環(huán)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(jī)組智能化升級(jí)中，需要考慮上述因素進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，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(jī)組精確定位

對(duì)智能機(jī)組而言，定位是自主移動(dòng)的前提。所謂定位是指機(jī)組利用傳感器數(shù)據(jù)，得到目標(biāo)在環(huán)境中三維位置信息的過程，對(duì)機(jī)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(biāo)的當(dāng)前位置，這是智能機(jī)組定位研究的一個(gè)核心問題。鋁電解多功能機(jī)組的精確定位包含大車、小車、工具回轉(zhuǎn)及各工具的作業(yè)定位。

機(jī)組定位控制的難點(diǎn)在于運(yùn)動(dòng)模型的建立，慣性沖擊大，負(fù)載變化、軌道不平、制動(dòng)器磨損等因素，造成高精度控制難。智能機(jī)組需考慮對(duì)大車運(yùn)行過程的速度進(jìn)行優(yōu)化，建立大車行走動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)運(yùn)行時(shí)間、起點(diǎn)、終點(diǎn)、速度上下限、牽引力及加速度參數(shù)進(jìn)行約束。圖2為大車速度優(yōu)化的仿真結(jié)果，速度曲線平滑，沖擊較小。

圖2 鋁電解多功能機(jī)組大車運(yùn)行優(yōu)化仿真

機(jī)組在運(yùn)行時(shí)具有跨度大、剛度低等特點(diǎn)，而且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝精度誤差，再加上實(shí)際工作時(shí)會(huì)遇到各種復(fù)雜情況，導(dǎo)致機(jī)組大車難免有不同程度跑偏或啃軌現(xiàn)象，控制模型還需考慮大車車身誤差、軌道結(jié)構(gòu)原因，兩側(cè)負(fù)載差異，車輪驅(qū)動(dòng)偏差等因素，對(duì)大車行走進(jìn)行糾偏控制。

機(jī)組由于大小車、工具回轉(zhuǎn)在加速和減速過程中存在慣性，負(fù)載和工具為了保持原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)滯后于大小車的運(yùn)動(dòng)，故這一部分滯后運(yùn)動(dòng)會(huì)造成負(fù)載和工具繞著安裝鉸接點(diǎn)作來回往復(fù)的擺動(dòng)。這種在吊運(yùn)過程中產(chǎn)生的負(fù)載搖晃是一種對(duì)精確定位不利的現(xiàn)象。雖鋁電解多功能機(jī)組各機(jī)構(gòu)均采用了導(dǎo)向結(jié)構(gòu)并使用彈簧組增大阻尼，可以有效減少擺動(dòng)搖晃對(duì)機(jī)組工作效率的影響，但仍是在機(jī)組智能化研發(fā)中不可忽視的問題，機(jī)組各工具的作業(yè)定位是機(jī)組智能化的另一個(gè)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(yè)對(duì)象還需增加位置檢測裝置，以確保作業(yè)安全可靠。法國ECL公司曾使用4臺(tái)工業(yè)相機(jī)(圖3中序號(hào)41～44)對(duì)更換陽極操作進(jìn)行作業(yè)定位[3]，并在機(jī)組上加裝ABB公司的IR7961工業(yè)機(jī)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(jī)組換極作業(yè)定位方案

圖4 ECL公司鋁電解多功能機(jī)組智能打開槽罩結(jié)構(gòu)

3 鋁電解多功能機(jī)組智能控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是智能鋁電解多功能機(jī)組的基礎(chǔ)和核心，它要能完成大/小車運(yùn)行，工具回轉(zhuǎn)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(tǒng)狀態(tài)的檢測和故障報(bào)警等。機(jī)組需要根據(jù)車間MES指令，自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前位置與下一目標(biāo)位置移動(dòng)量并到達(dá)相應(yīng)位置，按照程序?qū)嵤┊?dāng)前目標(biāo)位置的操作(換極、出鋁或抬母線)，完成后到達(dá)下一目標(biāo)，直到完成所有作業(yè)過程。

機(jī)組的整個(gè)控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制，需要獲取并判斷當(dāng)前位置與目標(biāo)位置的差值，將差值信息反饋到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將根據(jù)反饋信息調(diào)整機(jī)組運(yùn)行位置[5]，實(shí)現(xiàn)精確的移動(dòng)定位和換極、出鋁或抬母線操作。

控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖5所示，可以分為以下6個(gè)部分。

(1)現(xiàn)場硬件層。主要是現(xiàn)場安裝的各類傳感器、電機(jī)、液壓驅(qū)動(dòng)裝置等。

(2)控制硬件層。包括模擬量模塊、離散量模塊等數(shù)據(jù)采集模塊，以及運(yùn)動(dòng)控制卡、變頻器等運(yùn)動(dòng)控制硬件模塊。

(3)控制系統(tǒng)軟件層。通過控制系統(tǒng)硬件，控制系統(tǒng)軟件完成傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理，根據(jù)要求完成運(yùn)動(dòng)控制。

(4)網(wǎng)絡(luò)通訊層。完成上位機(jī)軟件和控制系統(tǒng)的通訊，可選用Modbus TCP/IP、CANopen等工業(yè)通訊協(xié)議。

(5)安全報(bào)警層。為了方便人機(jī)交互及保證生產(chǎn)安全，及時(shí)反饋機(jī)組故障，控制系統(tǒng)需增加安全報(bào)警功能。結(jié)合實(shí)時(shí)狀態(tài)采集、語音合成技術(shù)，安全報(bào)警層可以報(bào)告機(jī)組的位置、速度、作業(yè)狀態(tài)及故障部位等信息。

(6)上位機(jī)軟件層?？梢赃x用工業(yè)組態(tài)軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)控智能機(jī)組運(yùn)行位置、速度、各部件狀態(tài)等，并可與鋁電解車間MES系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。

4 鋁電解多功能機(jī)組安全可靠設(shè)計(jì)

鋁電解槽的生產(chǎn)需要在高溫狀態(tài)下進(jìn)行，鋁電解多功能機(jī)組智能化首先滿足安全生產(chǎn)的需要。機(jī)組的安全運(yùn)行直接關(guān)系到電解車間人員的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。

智能化的鋁電解多功能機(jī)組應(yīng)從電氣控制設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)方面，考慮足夠的安全冗余。安全防護(hù)的研究內(nèi)容包括防止碰撞、重物墜落等方面，通過設(shè)置一系列的傳感器，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自我感知和周圍環(huán)境感知，提前預(yù)判，避免碰撞。

鋁電解多功能機(jī)組的每一個(gè)動(dòng)作，至少具有三重不同性質(zhì)的安全防護(hù)：

(1)通過三維動(dòng)態(tài)仿真和人員設(shè)備的移動(dòng)定位，對(duì)作業(yè)進(jìn)行預(yù)先路徑規(guī)劃，確保機(jī)組的操作處于安全范圍內(nèi)；

(2)通過視頻識(shí)別和雷達(dá)探測等安全傳感器，對(duì)過載過位移進(jìn)行預(yù)警并實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制，確保動(dòng)作在可控范圍內(nèi)；

(3)通過安全監(jiān)控，故障報(bào)警，將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)提供到人工監(jiān)控室，并實(shí)現(xiàn)任何時(shí)候任何情況下一鍵緊急停機(jī)，確保設(shè)備安全。

圖5 智能鋁電解多功能機(jī)組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

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