基于CAN總線的鋁電解槽陽極電流檢測系統(tǒng)的設(shè)計

王雪 曼茂立 呂云飛 左明偉

摘 要：電解鋁的生產(chǎn)是在電解槽中進行的，陽極導(dǎo)桿作為電解槽的電流傳導(dǎo)裝置，其作用與性能至關(guān)重要。陽極電流分布是否均勻?qū)⒅苯佑绊戨娊獠鄣膲勖碗娊鈺r的電流效率。文章通過對現(xiàn)有的電解槽陽極電流檢測方法進行分析，采用等距壓降法測量陽極導(dǎo)桿電流，并結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)，提出了一種基于CAN總線的鋁電解槽陽極電流檢測系統(tǒng)，對提高電流效率，降低生產(chǎn)成本，改善槽況有重要作用。

關(guān)鍵詞：電解鋁；陽極效應(yīng)；電流檢測；CAN總線

中圖分類號：TF351 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）20-0092-02

Abstract： The production of electrolytic aluminum is carried out in the electrolytic cell. As the current conduction device of the electrolytic cell， the function and performance of the anode guide rod are very important. Whether the anode current distribution is uniform or not will directly affect the life of the electrolytic cell and the current efficiency during electrolysis. In this paper， based on the analysis of the existing anode current detection methods of electrolytic cell， the equal distance voltage drop method is used to measure the anode current of aluminum electrolytic cell， and combined with the field bus technology， an anode current detection system of aluminum electrolytic cell based on CAN bus is proposed， which plays an important role in improving current efficiency， reducing production cost， and improving tank condition.

Keywords： electrolytic aluminum； anode effect； current detection； CAN bus

引言

隨著國家電費價格的不斷上漲，作為高耗電的電解鋁產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)成本不斷加大，用電成本已經(jīng)變成的電解鋁廠生產(chǎn)成本的重要一環(huán)，同時電能的過多消耗也對環(huán)境造成一定壓力。如何降低生產(chǎn)過程中的電能消耗，提高能源利用效率，減小能源生產(chǎn)造成的環(huán)境污染，是目前制約電解鋁產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究表明，電解槽的電流分布情況是判斷電解槽工作狀態(tài)的重要依據(jù)。在電解鋁的生產(chǎn)過程中，準確了解電解槽的電流分布情況，可以預(yù)測陽極導(dǎo)桿的陽極效應(yīng)，且通過相應(yīng)調(diào)整可以降低電解槽電壓，從而在完成相同生產(chǎn)任務(wù)的同時，減少電能的消耗，在保護了環(huán)境的同時為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)約成本，提高經(jīng)濟效益。

1 電解槽陽極電流檢測方法

目前電解槽陽極導(dǎo)桿電流檢測常采用以下幾種方法[1，2]：（1）人工萬用表測量法：該方法需要人工手持測量叉接觸陽極導(dǎo)桿，利用萬用表讀取測量叉的壓降，再通過固定公式轉(zhuǎn)化為實際電流。（2）板卡自動測試法：該種方法基本原理與第一種方法相同，只是不再需要人工參與，系統(tǒng)自動采集陽極導(dǎo)桿壓降后，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳遞到計算機進行分析處理；（3）測量小車法：該方法將測試用裝置與毫伏表均安裝在測試小車上，利用小車移動的便攜性分別測量不同陽極導(dǎo)桿電流，具有一定的便攜性；（4）霍爾傳感法：利用電流互感的方式檢測陽極電流分布，避免了測量裝置與陽極導(dǎo)桿的物理接觸，減小了測量過程的影響，具有一定的應(yīng)用發(fā)展前景。綜上所述，前三種方法本質(zhì)上均為“等距壓降法”，這些方法雖然無法避免與陽極導(dǎo)桿的接觸，但是更適用于電解鋁廠的生產(chǎn)環(huán)境，可以獲得更為準確的測量效果，因此實際應(yīng)用中多采用“等距壓降法”。

2 現(xiàn)場總線CAN

現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)最底層的一種總線型拓撲的網(wǎng)絡(luò)，是工業(yè)控制自動化的產(chǎn)物。它能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，具有性能可靠、造價低廉等優(yōu)勢，目前應(yīng)用日趨廣泛。CAN即控制器局域網(wǎng)，是工業(yè)現(xiàn)場總線的一種常用方式，由德國BOSCH公司研發(fā)。相比于傳統(tǒng)的通信總線，CAN總線具有突出的可靠性、實時性、靈活性等特點[3]。因此，CAN總線逐漸被大眾認可，成為一種主流的串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，目前廣泛應(yīng)用到了生產(chǎn)自動化、船舶、汽車、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備等諸多領(lǐng)域[4]。其關(guān)鍵特征有：成本低，重量輕，優(yōu)異的抗噪聲性能，優(yōu)先、實時數(shù)據(jù)處理，錯誤檢測確?？煽啃裕姸郔C供應(yīng)商等[5]。

鑒于以上優(yōu)點，本文采用CAN總線結(jié)合等距壓降法的陽極電流檢測技術(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和傳輸，徹底代替繁瑣的人工現(xiàn)場操作，可以更多節(jié)約時間成本，符合鋁電解廠的實際生產(chǎn)需求。

3 系統(tǒng)組成與原理

根據(jù)對電解鋁廠的實際調(diào)研，為了應(yīng)對鋁廠高溫、強磁場等惡略環(huán)境，本文設(shè)計了有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娊獠垭娏鳈z測系統(tǒng)，其由下位機與上位機組成。下位機分為多個工作單元，工作在電解槽陽極導(dǎo)桿處，負責實時采集電解槽陽極電流數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)匯集上傳。上位機接收到下位機數(shù)據(jù)后，實時顯示并存儲數(shù)據(jù)，同時利用算法軟件對數(shù)據(jù)進行分析，當有不良電流數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，軟件進行實時預(yù)警，提示工作人員對相應(yīng)的陽極進行處理。

本系統(tǒng)由測試板、集中器、服務(wù)器、485總線和CAN總線組成，采用分組方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸工作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。最底層為生產(chǎn)現(xiàn)場的各個電解槽，首先將電解槽編號分組，各組電解槽陽極分別由測試板負責測量；其次將各測試板編號分組，各組測試板通過485總線分別連接到集中器；最后各集中器通過CAN總線連接服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程存儲和管理。

4 電路設(shè)計

系統(tǒng)電路主要包含電源處理模塊、智能數(shù)據(jù)采集測試版、集中器模塊等部分。

4.1 電源處理模塊

為了適應(yīng)電解鋁廠復(fù)雜的溫度及電磁環(huán)境，本系統(tǒng)設(shè)計了獨立的電源模塊。系統(tǒng)采用二極管半波整流電路，將220V的交流電轉(zhuǎn)化為12V直流電，再經(jīng)過濾波穩(wěn)壓后，供給系統(tǒng)的各個部分。在12V直流電壓的基礎(chǔ)上，整個系統(tǒng)合理設(shè)計，采用降壓型DC-DC直流穩(wěn)壓器，LDO等芯片模塊，產(chǎn)生5V與3.3V等數(shù)值的直流電壓，這些電壓為智能數(shù)據(jù)采集測試和集中器模塊當中的單片機處理器及其它芯片電路提供穩(wěn)定電源，具有紋波小、帶載能力強、不易受電磁環(huán)境干擾等諸多優(yōu)點，為整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了強有力的基礎(chǔ)保障。

4.2 智能數(shù)據(jù)采集測試板

本模塊的主要任務(wù)是采集電解槽陽極導(dǎo)桿的實時電流，并將電流數(shù)據(jù)通過485總線傳輸?shù)郊衅髂K。數(shù)據(jù)采集測試版采用等距壓降法對陽極電流進行采集，每塊采集板至少可以采集4組陽極電流。采集板以STM32F030C8T6作為主控芯片，包含電壓轉(zhuǎn)換電路、時鐘振蕩電路、復(fù)位電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、鍵盤接口電路、蜂鳴器示警電路、485總線接口等諸多模塊。STM32F030C8T6是ST半導(dǎo)體公司設(shè)計的32位ARM處理器，具有如下的技術(shù)特征指標。其具有64K的閃存程序存儲器，可存儲較大數(shù)據(jù)量程序；時鐘主頻最高可達72MHz；具有睡眠、停機和待機模式，滿足系統(tǒng)的低功耗要求；2個12位的模式轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為1uS，且具有雙采樣及保持功能，非常適合本系統(tǒng)的高精度、實時數(shù)據(jù)采集要求；具有串行單線調(diào)試和JTAG接口，調(diào)試方便，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)過程。通信接口多達9個，滿足與不同總線系統(tǒng)之間的實時高效通信。綜上所述，STM32F030C8T6完全適合本系統(tǒng)對陽極導(dǎo)桿電流的采集要求。

4.3 集中器模塊

電解鋁車間除了電磁環(huán)境復(fù)雜外，不同電解槽之間的較遠距離也是本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y點之一。為了保證數(shù)據(jù)的實時性與穩(wěn)定性，本系統(tǒng)的設(shè)計放棄了目前比較新穎的無限傳輸方式，轉(zhuǎn)而采用了更為穩(wěn)定和安全的有線傳輸方式。集中器模塊的主要作用就是通過485總線接收不同數(shù)據(jù)采集測試版的實時數(shù)據(jù)，集中后通過CAN總線將數(shù)據(jù)上傳到中央服務(wù)器。本模塊設(shè)計的難點在于布線的困難和數(shù)據(jù)的抗干擾設(shè)計。集中器模塊同樣采用了STM32F030C8T6芯片作為主控芯片，其包含電壓轉(zhuǎn)換電路、時鐘振蕩電路、復(fù)位電路、蜂鳴器示警電路、八段數(shù)碼管顯示電路、LED顯示電路、485總線接口、CAN總線通訊接口等諸多模塊。一般情況下，每個電解槽配備有1個集中器模塊，不同的集中器通過CAN總線及通信轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)上傳至中央服務(wù)器。

本系統(tǒng)應(yīng)用C++高級計算機語言，編寫了電解槽陽極導(dǎo)桿電流數(shù)據(jù)采集、分析及預(yù)警系統(tǒng)，實時記錄、分析集中器模塊上傳數(shù)據(jù)，計算機服務(wù)器操作人員可以及時了解整個車間的電解槽工作情況，為高效、節(jié)能及安全的生產(chǎn)提供了有力的保障。

5 結(jié)束語

由于電解鋁廠工作環(huán)境和電磁環(huán)境復(fù)雜，本系統(tǒng)采用了高抗干擾的電路設(shè)計和CAN總線傳輸協(xié)議設(shè)計，保證了整個系統(tǒng)的高效穩(wěn)定工作。通過本項目的研究，從根本上擺脫了目前采用人工測量確定電解槽電流分布的尷尬局面，大大縮短標定時間和人力、物力成本，為大規(guī)模電解鋁的生產(chǎn)節(jié)約了大量電能，滿足電解鋁廠生產(chǎn)應(yīng)用的實際要求，具有非常廣闊的市場應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]鐵軍，趙仁濤，張志芳，等.基于無線網(wǎng)的鋁電解槽電流分布在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].材料與冶金學(xué)報，2010，9（S1）：14-16.

[2]趙仁濤，紫京浩，張志芳，等.鋁電解槽陽極電流檢測方法的研究[J].有色金屬（冶煉部分），2014（03）.

[3]陳在平.現(xiàn)場總線及工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2008.

[4]傅婕.基于CAN總線通信技術(shù)的檢測儀接口設(shè)計[J].火力與指揮控制，2012（37）：115-117.

[5][美]Louis E. Frenzel Jr.串行通信接口規(guī)范與標準[M].林賜，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2017.