基于CAN总线的铝电解槽阳极电流检测系统的设计

王雪 曼茂立 吕云飞 左明伟

摘 要：电解铝的生产是在电解槽中进行的，阳极导杆作为电解槽的电流传导装置，其作用与性能至关重要。阳极电流分布是否均匀将直接影响电解槽的寿命和电解时的电流效率。文章通过对现有的电解槽阳极电流检测方法进行分析，采用等距压降法测量阳极导杆电流，并结合现场总线技术，提出了一种基于CAN总线的铝电解槽阳极电流检测系统，对提高电流效率，降低生产成本，改善槽况有重要作用。

关键词：电解铝；阳极效应；电流检测；CAN总线

中图分类号：TF351 文献标志码：A 文章编号：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

随着国家电费价格的不断上涨，作为高耗电的电解铝产业生产成本不断加大，用电成本已经变成的电解铝厂生产成本的重要一环，同时电能的过多消耗也对环境造成一定压力。如何降低生产过程中的电能消耗，提高能源利用效率，减小能源生产造成的环境污染，是目前制约电解铝产业发展的关键瓶颈。国内外相关学者的研究表明，电解槽的电流分布情况是判断电解槽工作状态的重要依据。在电解铝的生产过程中，准确了解电解槽的电流分布情况，可以预测阳极导杆的阳极效应，且通过相应调整可以降低电解槽电压，从而在完成相同生产任务的同时，减少电能的消耗，在保护了环境的同时为生产企业节约成本，提高经济效益。

1 电解槽阳极电流检测方法

目前电解槽阳极导杆电流检测常采用以下几种方法[1，2]：（1）人工万用表测量法：该方法需要人工手持测量叉接触阳极导杆，利用万用表读取测量叉的压降，再通过固定公式转化为实际电流。（2）板卡自动测试法：该种方法基本原理与第一种方法相同，只是不再需要人工参与，系统自动采集阳极导杆压降后，再经过模数转换传递到计算机进行分析处理；（3）测量小车法：该方法将测试用装置与毫伏表均安装在测试小车上，利用小车移动的便携性分别测量不同阳极导杆电流，具有一定的便携性；（4）霍尔传感法：利用电流互感的方式检测阳极电流分布，避免了测量装置与阳极导杆的物理接触，减小了测量过程的影响，具有一定的应用发展前景。综上所述，前三种方法本质上均为“等距压降法”，這些方法虽然无法避免与阳极导杆的接触，但是更适用于电解铝厂的生产环境，可以获得更为准确的测量效果，因此实际应用中多采用“等距压降法”。

2 现场总线CAN

现场总线是应用在生产最底层的一种总线型拓扑的网络，是工业控制自动化的产物。它能适应工业现场环境，具有性能可靠、造价低廉等优势，目前应用日趋广泛。CAN即控制器局域网，是工业现场总线的一种常用方式，由德国BOSCH公司研发。相比于传统的通信总线，CAN总线具有突出的可靠性、实时性、灵活性等特点[3]。因此，CAN总线逐渐被大众认可，成为一种主流的串行数据通讯协议，目前广泛应用到了生产自动化、船舶、汽车、医疗设备、工业生产设备等诸多领域[4]。其关键特征有：成本低，重量轻，优异的抗噪声性能，优先、实时数据处理，错误检测确保可靠性，众多IC供应商等[5]。

鉴于以上优点，本文采用CAN总线结合等距压降法的阳极电流检测技术，实现现场数据的采集和传输，彻底代替繁琐的人工现场操作，可以更多节约时间成本，符合铝电解厂的实际生产需求。

3 系统组成与原理

根据对电解铝厂的实际调研，为了应对铝厂高温、强磁场等恶略环境，本文设计了有线数据传输的电解槽电流检测系统，其由下位机与上位机组成。下位机分为多个工作单元，工作在电解槽阳极导杆处，负责实时采集电解槽阳极电流数据，并将数据汇集上传。上位机接收到下位机数据后，实时显示并存储数据，同时利用算法软件对数据进行分析，当有不良电流数据产生时，软件进行实时预警，提示工作人员对相应的阳极进行处理。

本系统由测试板、集中器、服务器、485总线和CAN总线组成，采用分组方式实现数据的采集与传输工作，系统结构如图1所示。最底层为生产现场的各个电解槽，首先将电解槽编号分组，各组电解槽阳极分别由测试板负责测量；其次将各测试板编号分组，各组测试板通过485总线分别连接到集中器；最后各集中器通过CAN总线连接服务器，实现数据远程存储和管理。

4 电路设计

系统电路主要包含电源处理模块、智能数据采集测试版、集中器模块等部分。

4.1 电源处理模块

为了适应电解铝厂复杂的温度及电磁环境，本系统设计了独立的电源模块。系统采用二极管半波整流电路，将220V的交流电转化为12V直流电，再经过滤波稳压后，供给系统的各个部分。在12V直流電压的基础上，整个系统合理设计，采用降压型DC-DC直流稳压器，LDO等芯片模块，产生5V与3.3V等数值的直流电压，这些电压为智能数据采集测试和集中器模块当中的单片机处理器及其它芯片电路提供稳定电源，具有纹波小、带载能力强、不易受电磁环境干扰等诸多优点，为整个系统的稳定运行提供了强有力的基础保障。

4.2 智能数据采集测试板

本模块的主要任务是采集电解槽阳极导杆的实时电流，并将电流数据通过485总线传输到集中器模块。数据采集测试版采用等距压降法对阳极电流进行采集，每块采集板至少可以采集4组阳极电流。采集板以STM32F030C8T6作为主控芯片，包含电压转换电路、时钟振荡电路、复位电路、A/D转换电路、键盘接口电路、蜂鸣器示警电路、485总线接口等诸多模块。STM32F030C8T6是ST半导体公司设计的32位ARM处理器，具有如下的技术特征指标。其具有64K的闪存程序存储器，可存储较大数据量程序；时钟主频最高可达72MHz；具有睡眠、停机和待机模式，满足系统的低功耗要求；2个12位的模式转换器，转换时间为1uS，且具有双采样及保持功能，非常适合本系统的高精度、实时数据采集要求；具有串行单线调试和JTAG接口，调试方便，大大缩短了系统开发过程。通信接口多达9个，满足与不同总线系统之间的实时高效通信。综上所述，STM32F030C8T6完全适合本系统对阳极导杆电流的采集要求。

4.3 集中器模块

电解铝车间除了电磁环境复杂外，不同电解槽之间的较远距离也是本系统数据传输的难点之一。为了保证数据的实时性与稳定性，本系统的设计放弃了目前比较新颖的无限传输方式，转而采用了更为稳定和安全的有线传输方式。集中器模块的主要作用就是通过485总线接收不同数据采集测试版的实时数据，集中后通过CAN总线将数据上传到中央服务器。本模块设计的难点在于布线的困难和数据的抗干扰设计。集中器模块同样采用了STM32F030C8T6芯片作为主控芯片，其包含电压转换电路、时钟振荡电路、复位电路、蜂鸣器示警电路、八段数码管显示电路、LED显示电路、485总线接口、CAN总线通讯接口等诸多模块。一般情况下，每个电解槽配备有1个集中器模块，不同的集中器通过CAN总线及通信转换后，将数据上传至中央服务器。

本系统应用C++高级计算机语言，编写了电解槽阳极导杆电流数据采集、分析及预警系统，实时记录、分析集中器模块上传数据，计算机服务器操作人员可以及时了解整个车间的电解槽工作情况，为高效、节能及安全的生产提供了有力的保障。

5 结束语

由于电解铝厂工作环境和电磁环境复杂，本系统采用了高抗干扰的电路设计和CAN总线传输协议设计，保证了整个系统的高效稳定工作。通过本项目的研究，从根本上摆脱了目前采用人工测量确定电解槽电流分布的尴尬局面，大大缩短标定时间和人力、物力成本，为大规模电解铝的生产节约了大量电能，满足电解铝厂生产应用的实际要求，具有非常广阔的市场应用前景。

参考文献：

[1]铁军，赵仁涛，张志芳，等.基于无线网的铝电解槽电流分布在线监测系统设计与实现[J].材料与冶金学报，2010，9（S1）：14-16.

[2]赵仁涛，紫京浩，张志芳，等.铝电解槽阳极电流检测方法的研究[J].有色金属（冶炼部分），2014（03）.

[3]陈在平.现场总线及工业控制网络技术[M].电子工业出版社，2008.

[4]傅婕.基于CAN总线通信技术的检测仪接口设计[J].火力与指挥控制，2012（37）：115-117.

[5][美]Louis E. Frenzel Jr.串行通信接口规范与标准[M].林赐，译.北京：清华大学出版社，2017.