电解工艺极板短路检测系统的研究 ＊

韩雄南

(昆明冶金研究院,云南 昆明 650031)

1 引 言

电解工艺是湿法冶炼的主流程,电解槽极板在电解过程中容易发生短路现象,浪费了大量的电能,直接影响着电解产品的质量、产量和成本。需要判断极板是否短路,目前采用人工检测及移动式检测仪器的方法,需要大量的人力物力,由于各个人的经验等因素使判别极板短路的效力不高,关键是不可能全面实时地对所有极板短路进行有效检测。

根据操作经验及理论分析,极板短路时,两极板间电流增大,使极板温度显著升高,通过对极板温度的监测来实现对极板短路的有效检测。因此,系统采用了较为先进的数字化温度传感器,并通过一线总测温传感器和 RS 485总线作为通信协议的工业局域网信号传到上位机进行全面的更为方便有效的巡检监测。

2 检测传感器

2.1 检测传感器的选择

一个电解车间少则有几千对电解极板,多则有上万对。要检测每对极板的温度,就需要成千上万的温度传感器,如果采用传统的温度传感器,存在着成本高、重要的是体积大,无法实现在极板之间安装。另外传统的传感器测出的信号是模拟信号,要把它送给上位机,还需经过模数转换。这样每一个点的成本平均增加上百元。所以电解极板的温度检测关键在于选择测温传感器,既要体积小成本低,又要性能优越。

图1 传感器安装示意图Fig.1 Sensor installation schematic diagram

采用美国 DALLAS公司生产的 DSI8B20数字温度传感器,如图1所示,形状与一个三极管相似(4.5 mm×4.8 mm),体积小安装方便、成本低,由于采用 DALLAS公司特有的 “一线总线”技术,即可联网,也可分散测量,并有较高的分辨率:0.0625℃;测量精度达: ±0.5℃;测量范围: -55～+125℃。是能够满足电解极板短路时检测的理想数字传感器。

2.2 检测传感器的特点

采用一线总线技术,所有的读写信号及电源的提供均可通过一条数据线来完成,而不需另外接线,每一个数字温度传感器在出厂时都有一个唯一的 ID编号,在编写与上位机的通讯程序时不需要为每一个传感器重新编号,上位机可自动识别。

DSI8B20数字化智能集成的传感器,其特点是:①每个 DSI8B20都有一个 64位的固化存储器。前 6位是一线总线编码,接着的 48位是出厂时的系列号,最后 8位是 CRC效验码。CRC效验码可以由工程人员根据相应的公式和前边的数据计算得出,以此验证数据读取是否有效。②温度传感器 DSI8B20的独特功能是集成片有一个能直接把测量的温度信号转化为数字信号,并具有较高的分辨率和测量精度。③异常温度上下限报警寄存器,测量的温度先与它们比较,确定是否有效。当测量的温度高于寄存器 TH值或低于 TL值时,CRC效验码中的报警标志位将被置位,效验码中的报警标志位每次测量都会被更新。④DSI8B20的内部结构允许采用两种供电方式。如图1所示,一种是通过数据线供电,将传感器的VCC管脚和 GND管脚接地。当数据线出现高电位时,传感器自动储存所需的电能,直到下次再出现高电位,这种供电方式节省了布线数量,但会影响通讯的速度。另一种是通过传感器的 VCC和GND管脚直接和另接电源相连,这样数据线只用来传递数据,通讯速度不受影响。

2.3 传感器的安装

在生产现场要进行传感器安装,既不能改变现有设备结构,也不能影响正常生产,同时,要安装方便可靠。如图1所示,为了使阳极板的温度快速地传递给温度传感器,装置采用导热性较好的金属材料做成,并做一定的防腐处理。将温度传感器放入导热片中,再用导热硅胶注入小孔内,以增加它的导热性能。再把导热片安装在阳极板的铜棒放置的位置,让它充分接触,要保证极板温度能很快传递到温度传感器上。

3 检测及数据采集系统

3.1 检测数据的通讯

由于温度传感器DSI7B20特有的 “一线总线”技术,实现了一条数据线进行双向数据传输,最大限度的节省了通讯线的数量。另外,由于它是数字化温度传感器,其传输的信号直接就是数字信号,不需要模数转换模块,传感器可以直接和上位机相连。但由于电解车间极板较多,需要大量的传感器,为提高通讯速率,在传感器与上位机之间加入一个采集转换模块,由它对各传感器进行温度采集并向上位机提供数据。

3.2 检测数据的采集

采集模块采用单 CPU结构,由它对传感器进行自动巡检,实时刷新数据缓冲区,提高系统的采集速度。由于采用一线总线技术,理论上就可以只用一根数据线把所有的传感器连入采集模块,但实际上,由于通讯距离,测量电缆导线电阻及电缆线的线间电容都会影响通讯的准确性,所以采集模块设有 8个信号输入通道,把每根电缆上的传感器数量降下来,一般每根通讯电缆上的传感器数不超过64个,另外为了提高抗干扰和传输距离,采用 RS-485工业通讯网络,它具有较强的抗干扰能力和较远的传输距离,广泛运用在工业现场的数据传输中。如图2所示。

上位机向采集模块读数据时,为了获得较高的通讯速度,采用 RS-232通讯端口。RS-232网络和 RS-485网络之间用转换器进行连接,该转换器除了有总线转换功能外,还具有隔离作用。

图2 系统电器原理图Fig.2 Schematic diagram of system electrical equipment

3.3 软件开发

上位机监控软件采用组态王工控软件。组态王是工控软件中开发较早,较为完整的软件,其功能强,接口丰富,通过它的开发系统能方便地编写运行画面,方便直观地对各参数进行实时监控,并对异常数据进行报警处理和打印处理,并可编制历史曲线图,给管理人员提供历史参考数据。

4 现场工业试验

本项目在云南澜沧铅锌矿电解车间对两个电解槽,64对阴阳极板,在阴极板安装了检测系统,系统调试正常进行。在为期 1月的实验后,获取系统采温度数据 (数据太多不便全部列出)。我们只把系统采温度中当极板短路时温度变化及处理过程的数据见表1所示。

表1 极板短路时温度变化表Tab.1 Temperature variation list of plate short circuit

整个系统能快速准确地反应极板短路时工作状态,并在上位机上即时报警显示。

5 结 语

实验结果表明,检测系统能较好地完成对各个极板温度变化的巡察、检测,能快速、灵敏地对极板短路初期及变化过程准确地反映。检测极板短路温度比直接测量极板短路电流等其它方法更方便有效。由于采用了DSI8B20数字温度传感器和 485工业局域网络降低系统成本,实现了系统优化。总之系统从理论上和实际应用研究上都有效可行,实现产业化及推广应用大有前景。

注:该课题审报后,已认定为云南省科技攻关项目。

[1]甘 勇,宋春来,宋寅卯.数字温度传感器 DS18B20在多点测温系统中的应用 [J].河南农业大学学报 (自然科学版),2001,35(4):391-393.

[2]赖朝森,罗 安,刘 尧,龙丽姮.一种实用的发电厂参数采集系统的研制 [J].仪表技术,2006,(5):18-20.

[3]甘 勇,宋寅卯,高为民.Windows2000下基于 RS-485工业数据采集网络的设计与实现 [J].河南农业大学学报 (自然科学版),2001,29(4):82-84.