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基于三維掃描的鋁電解大型密封式儲料倉物位精準檢測系統(tǒng)設(shè)計

2021-03-09 09:50馬得勝
世界有色金屬 2021年20期
關(guān)鍵詞:單點掃描儀氧化鋁

馬得勝

(黃河鑫業(yè)有限公司,青海 西寧 810600)

1 概述

1.1 背景

隨著鋁電解行業(yè)自動化水平和節(jié)能降耗意識的不斷提高,對各種物料消耗、庫存盤存精準性要求越來越高。鋁電解各種物料倉作為生產(chǎn)工藝過程的重要組成部分,連續(xù)監(jiān)控料倉料位的要求變得越來越迫切。但是,如何準確可靠地測量料位是一個長期存在的問題,主要原因是各類物料倉在下料時會產(chǎn)生大量的粉塵、料面高低起伏現(xiàn)狀不規(guī)則。目前行業(yè)內(nèi)普遍使用的料倉料位測量儀器包括單點雷達物位計、超聲波料位計、投入式重錘料位計、電容料位計等種類,但是由于生產(chǎn)環(huán)境比較復(fù)雜惡劣、探測介質(zhì)易受到強磁場干擾,造成常規(guī)儀表測量誤差大,加之單點料位計顯示數(shù)據(jù)單一,只能大概反映出密封儲罐內(nèi)料位高度,不能準確反映出料倉儲料量。

同時電解鋁行業(yè)生產(chǎn)過程又是一種高粉塵、高磁場、易磨損環(huán)境。迫切需要一種新的、可靠的、準確性高的料倉料位檢測技術(shù)和裝置來解決上述問題,達到準確測量和實時監(jiān)控料倉料位,為生產(chǎn)提供精確的過程數(shù)據(jù)。因測量技術(shù)的限制,對密封式儲罐料位盤存一直困擾著企業(yè),對儲罐料倉料位的精確測量對電解槽的管理與生產(chǎn)、經(jīng)營決策具有非常重要意義。本文對在電解鋁行業(yè)中使用三維掃描儀測量技術(shù)方案進行探討分析。

1.2 物料測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

電解鋁行業(yè)生產(chǎn)過程又是一種高粉塵、高磁場、易磨損環(huán)境,目前行業(yè)內(nèi)普遍使用的料倉料位測量儀器包括單點雷達物位計、超聲波料位計、投入式重錘料位計、電容料位計等種類,但是由于生產(chǎn)環(huán)境比較復(fù)雜惡劣、探測介質(zhì)易受到強磁場干擾,造成常規(guī)儀表測量誤差大,加之單點料位計顯示數(shù)據(jù)單一,只能大概反映出密封儲罐內(nèi)料位高度,不能準確反映出料倉儲料量。三維掃描技術(shù)是一項測繪技術(shù)新突破。它是利用激光測距或雷達波對物位進行

全截面掃描的原理,通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息,可快速復(fù)建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。掃描系統(tǒng)可以密集地大量獲取目標對象的數(shù)據(jù)點,因此相對于傳統(tǒng)的單點測量,三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術(shù)突破,其具有快速性,不接觸性,實時、動態(tài)、主動性、高密度、高精度、數(shù)字化、自動化等特點。三維掃描技術(shù)與單點雷達技術(shù)或單點測量技術(shù)對比,可以實現(xiàn)倉內(nèi)物料雷達陣列掃描,全息成像,可以實現(xiàn)體積、重量、庫存計量、料位自動連鎖控制等功能。三維雷達物位掃描儀是實時的監(jiān)控儀表,通過配套軟件隨時能夠顯示料倉料位,體積,質(zhì)量等信息。基于對市場了接及調(diào)研,市場上可以用于3維掃描的設(shè)備非常多,但基本上應(yīng)用于影視制作、三維圖形制作等一些環(huán)境較好場所,國產(chǎn)設(shè)備中幾乎無法在高磁場、高粉塵、易磨損環(huán)境中使用。因此優(yōu)選進口工業(yè)高頻三維雷達技術(shù),可以克服高磁場、高粉塵、易磨損技術(shù)難題,以便滿足鑫業(yè)公司本次改造需求。

2 鋁電解大型密封儲倉三維檢測技術(shù)設(shè)計

2.1 成像原理

利用三維掃描技術(shù),多個信號傳送器發(fā)射低頻脈沖,并接收來自筒倉、開放倉或其它料倉內(nèi)物料表面反射的脈沖回波,不僅能夠監(jiān)測到每個回波的時間/距離,還能監(jiān)測到回波的方向。設(shè)備的數(shù)字信號處理器對接收的信號進行取樣和分析,非常準確的監(jiān)測出物料的物位、體積和質(zhì)量,并生成料倉內(nèi)物料的實際分布狀況和三維立體圖像,在遠程電腦上顯示出來。同步監(jiān)測儲存在各種料倉的各種固體散狀物料,料倉內(nèi)的物料物位,并繪制出物料隨時間變化而隨機形成的不規(guī)則表面狀態(tài),計算出物料的實際體積,使物位監(jiān)測水平達到了新的高度,解決已有測量手段無法解決的問題。將儲存在筒倉或開放倉內(nèi)的物料體積、物位和質(zhì)量監(jiān)測合為一體并以三維圖像顯示出來的全新理念。

圖1 掃描成像原理圖

圖2 掃描效果展示圖

2.2 掃描儀配置數(shù)量計算

我公司共有新鮮氧化鋁儲倉6個,載氟氧化鋁儲倉6個,氧化鋁緩沖倉6個,氧化鋁散裝料倉2個,石油焦料倉2個,煅后焦料倉2個,殘極倉2個。本次設(shè)計范圍為電解區(qū)域2#凈化1個新鮮氧化鋁儲倉和1個載氟氧化鋁儲倉。參數(shù)如下:

單臺掃描儀檢測面積計算公式如下:

單臺掃描面積=安裝高度差×tan20°×2

單臺掃描面積=(33-15)×tan20°×2=18×0.36397×2=13(米)

根據(jù)計算,對新鮮氧化鋁倉和載氟氧化鋁倉安裝三維掃描儀數(shù)量配置如下,見表1:

表1 三維掃描儀安裝地點及數(shù)量

2.3 測量介質(zhì)

(1)被測介質(zhì):氧化鋁;

(2)輸送方法:斗提輸送;

(3)環(huán)境溫度,常壓;

(4)現(xiàn)場粉塵較大;

(5)現(xiàn)場有磁場干擾;

(6)介質(zhì)有一定粘附性。

2.4 三維雷達物位掃描儀技術(shù)參數(shù)選型

(1)功能簡述:非接觸是測量/調(diào)頻(FMCW技術(shù))/多點位同步掃描技術(shù)/測量物位、體積和質(zhì)量;

(2)工作頻率:高頻電磁波,優(yōu)選140GHz以上;

(3)每個通道測量精度:±3mm;

(4)體積測量精度:根據(jù)測量對象參數(shù)不同,不超過總體積的5%;

(5)環(huán)境溫度:-50--+70℃

(6)工作電壓:24VDC;

(7)料位信號輸出:4--20mA;

(8)數(shù)字信號輸出:RS-485 Modbus RTU HART;

(9)存儲設(shè)置:內(nèi)置實時時鐘芯片,通過非易失性存儲器保存調(diào)試記錄,

校準數(shù)據(jù)存儲和重新計算平均數(shù)值存儲匯總,實現(xiàn)智能化料位控制輸出信號。

2.5 三維雷達布置安裝示意圖

安裝示意圖見圖3所示。

圖3 三維雷達安裝示意圖

2.6 掃描儀配置

掃描儀具體配置見表2。

表2 掃描儀配置

2.7 3維雷達物位測量系統(tǒng)配置方案

新鮮氧化鋁倉和載氟氧化鋁倉料位檢測信號送至2#凈化集中控制室,整套3維雷達料位檢測系統(tǒng),從現(xiàn)場雷達檢測,信號變送傳輸,到控制室的集中顯示終端構(gòu)成一套完成的獨立系統(tǒng)。并預(yù)留一個4~20mA信號送至凈化控制系統(tǒng),用于實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制的保護連鎖。

2.8 3維雷達設(shè)備安裝

根據(jù)新鮮氧化鋁貯倉、載氟氧化鋁倉的尺寸,經(jīng)計算建議在氧化鋁貯倉安裝2臺3維雷達物位掃描儀,載氟氧化鋁貯倉安裝1臺。儀表安裝在倉體頂部靠近中心位置。安裝位置需開一個φ315的安裝孔配套DN300的法蘭,安裝位置見圖4。

圖4 安裝位置圖

2.9 安裝要求

(1)3維雷達掃描儀開孔尺寸為φ315mm安裝位置下方需避開障礙物;如選定的安裝位置下方或邊上有橫梁,我司可采取儀表下沉式安裝,滿足現(xiàn)場測量需求。

(2)掃描儀供電電壓為24VDC,現(xiàn)場如不能夠提供24VDC電源,可提供220VAC電源,將220VAC電壓轉(zhuǎn)換為24VDC電壓。

(3)掃描儀4~20mA模擬量信號輸出,可用于客戶接入PLC/DCS系統(tǒng),4~20mA無源信號。

(4)掃描儀RS485數(shù)字信號輸出,需要在中控室集中控制器與儀表之間鋪設(shè)一根2芯雙絞屏蔽線,且距離不能超過800m(也可以鋪設(shè)一條光纖)。然后通過RS485轉(zhuǎn)換模塊與3維集中控制器連接,配合3維雷達物位掃描儀專用軟件完成顯示3維成像或體積、質(zhì)量等信息。

3 試驗情況

通過數(shù)據(jù)采集后,可看出采集的數(shù)據(jù)和對比數(shù)據(jù)非常吻合,誤差較小,能夠適應(yīng)高磁場、高粉塵環(huán)境,采集實驗數(shù)據(jù)如下:

表3 采集的數(shù)據(jù)和對比數(shù)據(jù)對比表(單位:mm)

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)外在密封儲罐料倉的盤存上都沒有很好辦法,只是使用單點料位計確定物位大體高度,預(yù)防出現(xiàn)安全問題。近年來3維掃描技術(shù)在醫(yī)學(xué)、影視制作等領(lǐng)域應(yīng)用目前比較廣泛,工業(yè)應(yīng)用方面在煤炭行業(yè)應(yīng)用發(fā)展比較多,目前通過市場收集信息,電解鋁領(lǐng)域只有1家進行試用,正在試運行階段。該項測量技術(shù)的突破,對儲罐料倉料位的精確測量對電解槽的管理與生產(chǎn)、經(jīng)營決策具有非常重要意義。

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