АВТОМАТИЗАЦИЯ МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ СОДЕРБЕРГА ПРИ ПОМОЩИ СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ

Комарова Т.Ю.¹, Кульчицкий А.А.²

¹ Аспирант; ² Кандидат технических наук, доцент, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Россия, Санкт-Петербург

АВТОМАТИЗАЦИЯ МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ СОДЕРБЕРГА ПРИ ПОМОЩИ СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ

Аннотация

Проведен анализ функционирования современных АСУ ТП электролизеров Содерберга и выявлена возможность текущего мониторинга технологического состояния оборудования путем внедрения системы технического зрения. Разработан укрупненный алгоритм процедуры контроля составляющих оптического спектра дожигаемых анодных газов.

Ключевые слова: электролизеры Содерберга, перфторуглероды (ПФУ), оптический неразрушающий контроль, цифровая обработка изображений

Komarova T.Ju.¹, Kul’chickij A.A.²

¹ Postgraduate student; ² PhD in Engineering, Associate professor, National Mineral Resourсes University (Mining University)

AUTOMATIZATION OF THE PROCESS OF MONITORING THE STATE OF SODERBERG POTS THROUGH VISION SYSTEMS

Abstract

The analysis of the functioning of a modern process control system of the Soderberg pots is given and the possibility of automation of current monitoring of technological condition of the equipment by introducing a system of technical vision is detected. The general algorithm for control procedures of components of the optical spectrum post-combusted anode gases is developed.

Keywords: Soderberg pots, perfluorocarbones (PFC), optical non-destructive testing, image processing

 

Введение

На российских предприятиях ОК РУСАЛ 50% первичного алюминия производится на электролизерах Содерберга с верхним токоподводом, и доля затрат на электроэнергию доходит до 35%. Электролизеры с самообжигающимися анодами (СА) являются источником выделения в воздушную среду перфторуглеродов (ПФУ), смолистых веществ, оксида углерода.  ПФУ имеют высокий уровень потенциала глобального потепления, поэтому даже небольшой по массе их совокупный выброс оказывает крайне негативное влияние на человека. Замена действующего оборудования на более производительные и простые в эксплуатации электролизеры с обожженными анодами (ОА) требует инвестиций, сопоставимых со строительством новых мощностей и не может быть осуществлена в ближайшей перспективе [1]. С учетом постоянного роста цен на сырье и электроэнергию при ужесточении экологических требований, актуальной задачей является модернизация отечественных алюминиевых предприятий, использующих технологию Содерберга, в направлении снижения энергозатрат при решении вопросов экологии. Эмиссия выбросов вредных веществ должна быть сопоставима со значениями для серии электролизеров ОА, и сокращение выбросов ПФУ может быть достигнуто лишь за счет уменьшения частоты анодных эффектов.

Постановка задачи исследования

Снижение частоты анодных эффектов – основная стратегия современных алюминиевых предприятий, для реализации которой необходима организация непрерывного мониторинга электролизера [2]. АСУ ТП электролиза регулируют рабочее напряжение, контролируют и фиксируют такие параметры как сила тока серии, суммарное напряжение электролизеров, количество, длительность и величину напряжения анодных эффектов; современные системы АСУ ТП осуществляют контроль технологического состояния электролизеров на основе анализа параметров шумов и волнения расплава и включают в себя алгоритмы распознавания характера возмущения по амплитуде и периоду флуктуации рабочего напряжения, приведенного к току [2]. Разработка и внедрение различных средств автоматического контроля и регулирования технологического процесса электролиза является основной тенденцией развития современного электролиза алюминия [3]. Функции АСУ ТП, использующих  независимые модульные процедуры регулирования, могут быть расширены. Измерениям ряда технологических параметров присуща высокая инерционность: контроль криолитового отношения или концентрации глинозема носит долговременный характер (>3 ч.), межполюсное расстояние, уровень металла и электролита регистрируются после ручных измерений. Величина основного показателя качества работы серии – выхода по току, рассчитывается на основании замеров формы рабочего пространства (ФРП) [4].

Технологическое состояние электролизеров зависит от уровня контроля за соблюдением регламента обслуживающим персоналом. После каждой технологической операции, связанной с разрушением корки электролита, производится герметизация нижней кромки газосборного колокола слоем глинозема. На рисунке 1 показана операция герметизации электролизера на 160 кА.

Рис. 1 - Герметизация электролизера на 160 кА

Частичное дожигание оксида углерода и смолистых веществ, выделяющихся при коксовании анода, осуществляется в специальных горелках, смонтированных вместе с газосборным колоколом. На основании внешних признаков, таких как цвет поверхности электролита и отходящих газов делается вывод о состоянии электролизера. На практике «огни» - индикатор нарушений, связанный с изменением теплового баланса электролизера, однако многие нарушения взаимосвязаны между собой, и это дает возможность диагностировать и прогнозировать изменения температуры электролита и отклонения от нормального хода электролизера.

Нормальный ход характеризуется интенсивным горением анодных газов в горелках, при этом согласно ТИ, их цвет должен быть фиолетовым.

«Горячий ход» характеризуется желтым или белым цветом анодных газов на выходе из «огней» [4]. Цвет изменяется вместе с появлением технологического отклонения, и это изменение можно обнаружить визуально. Цвет «огней» зависит от химического состава выделяющихся анодных газов [1,4]. Контроль состава анодных газов стандартными средствами малоэффективен, из-за осаждения газосборных трубопроводов и газоаналитических датчиков продуктами сгорания и конденсации смолистых отложений, искажающих реальные значения.

Автоматизация мониторинга технологического состояния электролизера Содерберга при помощи систем технического зрения

Оптический неразрушающий контроль основан на анализе взаимодействия оптического излучения с объектом контроля или его собственного излучения. Видимый диапазон электромагнитного спектра охватывает длину волны приблизительно от 0,43 мкм (фиолетовый цвет) до 0,79 мкм (красный цвет) [5]. Наличие ярко выраженного визуального признака является предпосылкой для автоматизации операции мониторинга состояния технологического процесса с помощью средств оптического неразрушающего контроля.

В качестве технических средств восприятия могут быть использованы простейшие оптоэлектронные датчики - фотодиоды, преобразующие попавший на фоточувствительную область свет в электрический заряд и  устанавливаемые на  каждом электролизере у одного из горелочных устройств. Достоинствами этого метода являются непрерывный контроль объекта наблюдения и дешевизна; существенным недостатком – снижение надежности вследствие загрязнения приемной поверхности датчика пылевыми выбросами.

Цветная промышленная камера технического зрения может быть использована для сканирования электролизеров серии с последующей компьютеризированной обработкой изображений, результатом работы которой являются номера электролизеров с наличием признака технологического отклонения и на основе значений технологических параметров, содержащихся в базе данных АСУ ТП, осуществляется  идентификация технологического нарушения и отправка сигнала на АРМ оператора.  Полученное камерой технического зрения изображение, представляющее собой пространство RGB-точек, должно быть переведено в цветовую модель HSI, в которой яркостная информация отделена от цветовой информации. На рис. 2 представлен алгоритм процедуры контроля цвета «огней».

Предполагается сканирование электролизеров камерой, при этом объектами наблюдения являются только горелочные устройства, следовательно, необходимо осуществлять позиционирование средства регистрации, чтобы обработке подвергались только те кадры, на которых присутствует объект наблюдения. После определения области интереса и кадрирования изображение подвергается статистическому анализу по спектру, и определяются его пиковые  значения. Далее, полученные результаты сравниваются со значениями нормального хода электролизера, и делается вывод о наличии или отсутствии отклонения.

Рис. 2 - Алгоритм процедуры контроля цвета отходящих газов

Также, камера технического зрения может быть использована для контроля целостности поверхности корки электролита на нескольких последовательных кадрах съемки.

Выводы

Существующий уровень автоматизированного контроля производства алюминия на электролизерах СА не обеспечивает своевременную корректировку технологических параметров вследствие сложности и дороговизны их контроля стандартными средствами КиП.

Наличие эмпирических алгоритмов диагностики состояний электролизера на основании визуальных признаков обуславливает возможность расширения функций АСУ ТП алюминиевых электролизеров за счет внедрения системы технического зрения.

Автоматизированный анализ составляющих оптического спектра дожигаемых анодных газов  позволит оперативно выявлять технологические отклонения, тем самым  повышая управляемость процесса при снижении влияния человеческого фактора.

Литература

1. Металлургия алюминия. Электролизеры с анодом Содерберга и их модернизация: учебное пособие для вузов / Г.В. Галевский, М.Я. Минцис, Г.А. Сиразутдинов – М. : Флинта : Наука, 2008. – 239 с.
2. Бажин, В. Ю. Управление анодным эффектом на алюминиевом электролизере / В. Ю. Бажин, А. А. Власов, А. В. Лупенков // Металлург. – 2011. № 5. – С. 89–93.
3. Бажин В.Ю. Синергетика в электролизе алюминия / В.Ю. Бажин, А.А. Власов // Расплавы. – 2010. № 6. С.52-57.
4. Янко Э.А. Производство алюминия: пособие для мастеров и рабочих цехов электролиза алюминиевых заводов. - СПб.: Издательство С.Петербургского Университета, 2007. – 423 с.
5. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. Перевод с англ. под ред. П.А. Чочиа. – М.: Техносфера, 2005. – 1072 с.

References

1. Metallurgy of aluminium. Electrolysers with Soderberg anode and modernization: a textbook for universities / G.V. Galevskij, M.Ja. Mincis, G.A. Sirazutdinov – M. : Flinta : Nauka, 2008. – P. 239
2. Bazhin, V. Ju. The management of anode effect in an aluminum electrolyzer / V. Ju. Bazhin, A. A. Vlasov, A. V. Lupenkov // Metallurg. – 2011. № 5. – P. 89–93.
3. Bazhin V.Ju. Synergetrics in aluminum electrolysis / V.Ju. Bazhin, A.A. Vlasov // Rasplavy. – 2010. № 6. P.52-57.
4. Janko Je.A. Aluminium production: a manual for craftsmen and workers of electrolysis shops of aluminum plants. - SPb.: Izdatel'stvo S.Peterburgskogo Universiteta, 2007. – P. 423
5. Gonsales R., Vuds R. Digital image processing. The translation from English. ed P.A. Chochia. – M.: Tehnosfera, 2005. – P. 1072