铝电解巡检机器人技术及装备研发

施燕飞，伍祖槐，路 辉

(1.云南云铝海鑫铝业有限公司，云南 昭通 657699；2.贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

电解槽是铝电解生产的核心设备，其中，铝电解槽中的温度和浓度及分子比是制定生产工艺技术的关键参数。而化验数据是电解生产中排班排产的重要依据。目前我国铝电解生产还处于较粗犷的水平，绝大多数测试操作还由人工完成。测量和记录的工作量比较大，并且测量误差大、录入过程也容易产生错误及录入滞后。存在连续性差及不能实时对数据进行比较分析等缺点，已不能适应大型铝电解槽生产的需要。同时电解槽内铝液、电解质熔体液位(“两水平”)的测量也采用工测量，也存在着误差大、效率低、精度低、录入滞后等问题。

为克服现有电解化验、测温及测两水平等日常操作的不足，项目团队开发了1种铝电解槽槽况巡检机器人，将铝电解浓度及分子比测量、温度测量及两水平测量等功能集成在1台自动运行机器人上，以实现电解槽的日常巡检及化验自动化操作、高效管理和资源的高效使用，大幅度减少工作量和人工失误，降低工作强度，缩短化验时间极大的提高劳动效率。

1 铝电解巡检机器人系统构成

铝电解巡检机器人包括机器人本体系统、测量系统和数据存储传输系统，见图1。

图1 智能巡检机器人系统构成图

其中机器人本体是整个巡检机器人的基础平台，承担测量系统的搭载和巡检机器人在铝电解车间的运行。

测量系统为巡检机器人的核心系统，测量系统包括浓度检测、两水平测量、温度测量3个子系统，分别进行铝液及电解质成分在线监测、电解质水平及电解质铝液温度测量。

经过测量系统测量得到的数据传输到数据存储传输系统进行存储和上传，从而实现电解槽参数的远程监测。

2 测量系统原理

2.1 浓度检测系统

浓度检测采用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)，原理是利用聚焦的强激光束入射样品表面产生激光等离子体，等离子体辐射光谱带有被测物质的组分和组分浓度的信息，对等离子体中原子和离子发射谱线进行元素分析，从而达到测量的目的。根据电解铝厂检测铝液中的元素成份和含量的需求，设计的一款激光诱导击穿光谱系统，具有在线分析、可以缩短分析时间、对样品损坏性小、结构紧凑、可靠性高等特点。整个浓度检测系统包括探测头、控制机柜、调整支架、探杆、隔热套、波纹保护管、LIBS软件等部分组成，见图2。

图2 激光诱导击穿光谱系统设备图

相比其它分析方法，LIBS最强大的优势是不需或仅需简单样品制备过程，大大缩短了分析时间，便于实现生产过程物质成分的在线检测与控制。除此之外，LIBS分析技术还有很多其他优点，例如：它对样品需求量少、破坏性小，对样品的尺寸、形状及物理性质要求均不严格；不仅可以测定固态样品，还可以测定液态、气态样品。

2.2 “两水平”测量系统

“两水平”测量系统是基于在电解质与铝液两种体系中阻抗差别较大，介质体系变化时阻抗数量级变化明显，通过行程记忆与测算获得电解质与铝液的水平。其原理如图3所示，该项技术在国内铝行业领域属于首次应用。

图3 两水平测量原理简化图

图3中：

h1——参考平面到电解槽底部的高度；

h2——参考平面到探杆在初始状态的高度；

a——机械臂与水平面的夹角；

l1——探杆接触到电解质时所伸出的长度；

l2——探杆接触到铝液时所伸出长度的增量。

则可以计算出电解质到槽底的液面高度为：

H=h1+h2-l1×sina

(1)

铝液面到槽底的界面高度为：

h=h1+h2-(l1+l2)×sina

(2)

在图4所示的物质分层分布中，由阳极到阴极的反应电流为I，电解质电位为V0，铝液电位为V1，反应界面电压差为△V。由于电解质层、铝液层不参与反应，电位相对稳定；在反应界面处，原料被电解析出铝液，消耗绝大部分功率。因为P=U×I，所以反应界面处△V很大。

图4 电解槽电位分析图

利用电位的变化，可以找到两个分界面：当探杆由空气中进入电解质层时，电位上升；当探杆由电解质层通过反应界面进入铝液层时，电位继续下降。探杆拔出过程中的电位变化相反。

2.3 温度测量系统

温度测量系统是基于常规热电偶消耗性较大而开发的一款带碳化硅保护套管的热电偶，是根据电解槽的生产情况量身定做的一款温度测量系统，见图5。其结构包括插头、金属保护软管、外围保护软管、热电偶、碳化硅保护管等。

图5 温度测量装置

3 执行机构设计

该机构安装于智能小车上通过导航系统，沿着电解槽边缘行走，具有精确定位火孔位置，保证车体与槽体的平行，小车应具有自动启停，精确定位，避让障碍物的功能。

见图6，将该机构安装于定制的智能小车上，然后将铝液成分测量仪和两水平测量仪安装于工作台⑤上。移动平台沿着槽边缘移动，到达目标电解槽火孔位置停下。升降台②上升一定距离后，启动旋转电机③带动拉杆①，驱动摇杆④，使得工作台⑤向电解槽侧平移，平移到合适位置后，驱动铝液成分测量仪插入电解槽的火孔进行铝液成分测量，测量完毕后缩回，然后驱动两水平测量仪插入电解槽的火孔进行两水平面的距离测量，测量完毕后缩回。升降台②复位，检测工作完成，2个仪器将检测结果进行汇总处理后上传。检测装置等待下一个巡检指令，如此周期循环。

注：1.拉杆；2.升降台；3.旋转电机；4.驱动摇杆；5.工作台

4 结 语

该文结合铝电解企业生产的需要，研发了一种集浓度及分子比测量、温度测量及两水平测量为一体的巡检机器人，通过巡检机器人能实现对铝液、电解质成分、温度和铝液水平、电解质水平的自动化、实时化及标准化测量，同时将测量数据实时上传至存储系统内，以实现电解槽的远程监测，提高管理效率，大幅度减少工作量和人工失误，降低工作强度，缩短化验时间极大的提高劳动效率。