韓圓勛,錢曉耀
(中國計量學(xué)院質(zhì)量與安全工程學(xué)院,杭州 310018)
電阻爐事故是鋁壓鑄行業(yè)發(fā)生頻率最高的事故之一,這種事故主要發(fā)生在焙燒結(jié)束和生產(chǎn)啟動過程中,或生產(chǎn)一段時間及槽齡超過1000天的坩堝,就易發(fā)生泄漏。泄漏處主要發(fā)生在坩堝側(cè)部和鋼棒口,如果重視不夠和疏于管理、或處理不及時,則會由于鋁液熔化槽殼外漏時,沖斷陰極母線造成系列停產(chǎn)等重大事故。
現(xiàn)有的電阻爐中缺少直接對熔鋁進行泄露檢測的裝置,即使有檢測報警裝置,也只是間接進行檢測,不能第一時間檢測到熔鋁泄露。另外,由于鋁液坩堝升溫速度慢,達到熔鋁要求溫度不易,須24小時不停歇工作,即需要防斷電檢測。隨著移動通訊技術(shù)的不斷發(fā)展,GSM無線移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)越來越成熟,應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。近年來也應(yīng)用在安全防護、監(jiān)控中,可監(jiān)控夜間無人值守的工作設(shè)備,一旦有故障可通過手機第一時間通知相關(guān)人員,以減少事故蔓延和損失。
系統(tǒng)設(shè)計由主控模塊、安全監(jiān)控模塊、報警模塊、存儲模塊、顯示模塊、按鍵模塊和GSM通訊模塊等多模塊組成。主控模塊分別控制安全監(jiān)控模塊、報警模塊、存儲模塊、顯示模塊、按鍵模塊和GSM通訊模塊完成各自相關(guān)地操作、實現(xiàn)各自的功能得到預(yù)期的效果。
圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖
安全監(jiān)控模塊包括鋁液泄露檢測模塊和總電源斷電檢測模塊,鋁液泄露檢測模塊是用來檢測熔鋁坩堝是否發(fā)生鋁液泄漏,總電源斷電檢測模塊是用來判斷熔鋁坩堝的主電源是否斷電而設(shè)計的檢測模塊,這兩個檢測模塊在系統(tǒng)設(shè)計中有著重要的地位,是確保熔鋁坩堝安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。主控模塊接受鋁液泄露檢測模塊和總電源斷電檢測模塊的24小時不間斷的實時檢測信號,當(dāng)主控模塊接收到熔鋁坩堝發(fā)生鋁液泄露信號或控制它的總電源斷電信號時,主控模塊會及時控制報警模塊和GSM通訊模塊發(fā)出報警操作,即通過GSM通訊模塊向指定移動終端發(fā)出報警信息及控制報警燈及時發(fā)生現(xiàn)場聲光報警;同時利用存儲模塊將歷史報警時間存儲到TF卡存儲器中。
此外,顯示模塊是用于顯示熱電偶測量的溫度值和時間,按鍵模塊具有切換數(shù)碼管顯示內(nèi)容、模擬報警操作、查看歷史報警時間記錄等功能。系統(tǒng)總體設(shè)計圖如圖1所示。
本系統(tǒng)主控模塊采用的芯片是STC15F2K60S2單片機,它是增強型8051內(nèi)核的單片機,速度比傳統(tǒng)8051內(nèi)核單片機快8-12倍;內(nèi)部存儲也有極大地提高,具有60KB的Flash程序存儲器、1KB的數(shù)據(jù)存儲器,對系統(tǒng)程序的編寫提供了一個良好的環(huán)境;器件具有42個雙向I/O口,可以連接更多的外設(shè)和傳感器使系統(tǒng)功能更多樣化和完善,為用戶提供更好地體驗效果??傮w上STC15F2K60S2單片機具有接口簡單、方便使用、功能強大等優(yōu)點,并且成本低,所以能為本系統(tǒng)提供高靈活、超高效的解決方案。
安全監(jiān)控模塊是本系統(tǒng)設(shè)計的重中之重,它要24小時不停歇的對熔鋁坩堝是否發(fā)生鋁液泄露和控制坩堝的主電源是否斷電進行檢測,以達到熔鋁坩堝正常運行和安全生產(chǎn)的目的。
2.2.1 鋁液泄露檢測模塊
在生產(chǎn)現(xiàn)場,電阻爐高溫、密封,探測鋁液泄漏成為檢測的關(guān)鍵,就目前的電阻爐而言,爐內(nèi)腔與坩堝之間的夾層內(nèi)都設(shè)計了一個貯液倉,這有利于檢測手段的實施。
鋁液泄漏作為監(jiān)控及報警系統(tǒng)的輸入條件,判斷是否達到報警點,其主要工作原理:在坩堝的側(cè)壁和底壁的連接處的下方設(shè)計一個圓形凹槽,圓形凹槽包括中心實體區(qū)域和圍繞中心實體區(qū)域的周向設(shè)置的鋁液承接區(qū)域,鋁液承接區(qū)域上還設(shè)置了一個出口可以引出到電阻爐外部。檢測模塊的傳感器是由四個(根據(jù)實際需要可以相應(yīng)地增加數(shù)量)設(shè)置于鋁液承接區(qū)域內(nèi)同心且互相絕緣的導(dǎo)電抗高溫氧化金屬圓環(huán)(如鎳鉻合金)組成[3],其中靠近圓形凹槽中心實體區(qū)域的第一、三根金屬圓環(huán)由導(dǎo)線A連接通過鋁液承接區(qū)域的出口電連接到單片機的引腳P3.4,第二、四根金屬圓環(huán)由導(dǎo)線B連接通過鋁液承接區(qū)域的出口電連接到單片機的引腳地上,一旦少量鋁液泄露將其中兩環(huán)短路,能立即引發(fā)單片機引腳電平變化,單片機上電初始化時引腳電平為高電位,當(dāng)鋁液泄露導(dǎo)致兩導(dǎo)線短路會立即將單片機引腳電平拉為低電平,當(dāng)單片機檢測到特定引腳(用于檢測鋁液泄露的引腳)的電平為低電平時會立即控制聲光報警燈進行現(xiàn)場聲光報警且通過GSM通訊模塊向指定移動終端(管理人員的手機)發(fā)出報警信息促使工作者及時處理,防止危險進一步擴大。
另外,檢測模塊還包括安置在鋁液承接區(qū)域出口的熱電偶傳感器,熱電偶傳感器由熱電偶和MAX6675芯片組合而成,能夠?qū)崿F(xiàn)自動冷端補償,測出的溫度值更精確,當(dāng)鋁液泄露后會導(dǎo)致圓形凹槽出口處的溫度升高,若超過預(yù)先設(shè)定溫度限值如150℃將及時發(fā)生報警操作,熱電偶傳感器是為了進一步確定鋁液泄露事件是否發(fā)生。此模塊設(shè)計示意圖(電阻爐的正剖面圖)如圖2所示。
由于坩堝的側(cè)壁容易開裂,鋁液多從坩堝的側(cè)壁和底壁的連接處向下泄露,所以將圓形凹槽的鋁液承接區(qū)域相應(yīng)地設(shè)置在坩堝的側(cè)壁和底壁的連接處的下方,泄露檢測裝置的四個金屬圓環(huán)設(shè)置在圓形凹槽朝向坩堝的表面上,保證泄露的鋁液直接流入圓形凹槽的鋁液承接區(qū)域,使其中兩圓環(huán)短路發(fā)生報警做出相關(guān)操作。
2.2.2 總電源斷電檢測模塊
總電源斷電檢測模塊的工作原理是將電阻爐總電源與380V交流接觸器的380V線圈電壓的連接處相連接,然后將交流接觸器的常閉觸點的一端與單片機的引腳P2.4相連接,另一端與單片機的引腳地相連接,上電后單片機時刻監(jiān)測引腳P2.4電平是否發(fā)生變化(是否由高電平變到低電平)。當(dāng)電阻爐正常工作主電源未斷電時,交流接觸器的常閉觸點為斷開狀態(tài),此時引腳P2.4電平為高電平;當(dāng)坩堝總電源斷電時,交流接觸器的常閉觸點由正常斷開狀態(tài)變?yōu)殚]合狀態(tài),觸發(fā)單片機引腳P2.4電平變?yōu)榈碗娖竭M而引發(fā)報警,進行現(xiàn)場聲光報警和通過GSM通訊模塊向管理人員發(fā)出報警信息提示總電源處于斷電狀態(tài)。電氣連接示意圖如圖3所示。
圖2 模塊設(shè)計示意圖
圖3 電氣連接示意圖
GSM通訊模塊采用的是SIM900A模塊芯片,SIM900A模塊可以實現(xiàn)的主要功能有:語音通話、短信收發(fā)、GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)、彩信收發(fā)。本系統(tǒng)中我們主要利用SIM900A實現(xiàn)短信發(fā)送功能,當(dāng)單片機檢測到鋁液泄露或者電阻爐主電源斷電信號時會及時發(fā)短信給管理人員,兩個報警信號所發(fā)送的短信內(nèi)容不同以便于提示工作人員具體處理相關(guān)危險。
GSM模塊主要由嵌入式微處理器(CPU)、存儲器、音頻編解碼器(聲碼器)、射頻收發(fā)單元、電源管理、SIM卡控制器、通用外部接口(串口、I/O口、音頻接口)等部分組成。GSM模塊框圖如圖3所示。
圖4 GSM模塊框圖結(jié)構(gòu)
此模塊是為了實現(xiàn)系統(tǒng)可操作性,使用戶體驗更好一些,它包含了三個按鍵和一個鑰匙開關(guān)。三個按鍵的功能分別是:1)調(diào)用和查看發(fā)生報警后存儲到TF存儲卡內(nèi)的實時報警時間,顯示在數(shù)碼管上,便于管理人員查看歷史報警時間;2)復(fù)位按鍵,當(dāng)報警后按下復(fù)位按鍵可關(guān)掉報警燈,使整個系統(tǒng)回到初始位置;3)切換按鍵,用來切換數(shù)碼管實時顯示的內(nèi)容(熱電偶的實時溫度或者是當(dāng)前時間)。鑰匙開關(guān)視為自檢開關(guān),正常運行時打開開關(guān)會發(fā)生報警操作,即聲光報警和短信提醒,目的是為檢查電路是否有故障。
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分包括系統(tǒng)初始化、鋁液泄露檢測、主電源斷電檢測、報警操作等幾部分。主控模塊控制鋁液泄露檢測模塊和主電源斷電檢測模塊24小時不停歇對鋁液泄露信號和斷電信號進行檢測,并判斷信號是否達到報警條件,若達到條件,則判定電阻爐發(fā)生鋁液泄露或主電源斷電,具體為何原因發(fā)生報警則可以通過短信內(nèi)容得知。如果有報警信號則啟動報警燈進行現(xiàn)場聲光報警、通過GSM通訊模塊向管理人員發(fā)送短信提醒同時將當(dāng)前報警時間存儲到TF存儲卡以便于工作人員查詢歷史報警記錄,系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)程序流程圖
按照上文中所述的鋁液泄露檢測模塊的具體檢測硬件設(shè)計一樣,在圓形凹槽的鋁液承接區(qū)域上設(shè)置四個同心且互相絕緣的導(dǎo)電抗高溫氧化金屬圓環(huán)(鎳鉻合金)[3],將靠近圓形凹槽中心實體區(qū)域的第一、三根金屬圓環(huán)用導(dǎo)線連接到單片機的引腳P3.4上,第二、四根金屬圓環(huán)用另一根導(dǎo)線連接到單片機的引腳地上,啟動裝置,待裝置正常工作后開始試驗,將少量鋁液倒入圓形凹槽中,其中兩環(huán)短路,與此同時報警燈發(fā)生聲光報警、間隔3秒左右管理人員接到報警短信。據(jù)工廠生產(chǎn)部門的工程師所述,在實際情況中坩堝發(fā)生泄漏不是爆發(fā)式泄漏而是循序漸進地滲出鋁滴,鋁滴由小變大流入圓形凹槽中,進一步地講坩堝在發(fā)生泄露的最初階段及時發(fā)現(xiàn)可避免事故的發(fā)生。由于爐內(nèi)溫度較高鋁滴一直為液態(tài)在圓形凹槽中流動定會接觸到金屬圓環(huán)觸發(fā)報警。同理,斷電檢測模塊試驗也已完成,能夠達到預(yù)期目標(biāo)。
本系統(tǒng)鋁液泄露檢測裝置的圓形凹槽設(shè)置在坩堝的下方,當(dāng)發(fā)生泄漏時,鋁液流到圓形凹槽的鋁液承接區(qū)域,將其中兩金屬圓環(huán)短路,導(dǎo)致主控模塊的引腳P3.7電平發(fā)生變化觸發(fā)報警操作,或安置在所述鋁液承接區(qū)域出口的熱電偶傳感器檢測的溫度值超過預(yù)先設(shè)定溫度限值,觸發(fā)報警操作。另外,當(dāng)坩堝總電源斷電時,與總電源相連接的380V交流接觸器的常閉觸點由正常斷開狀態(tài)變?yōu)殚]合狀態(tài),引起主控模塊的引腳P2.4電平變化觸發(fā)報警。與現(xiàn)有技術(shù)相比,該系統(tǒng)操作起來簡單,可擴展性強,安裝檢測模塊便利,不需要對鋁液坩堝進行大規(guī)模改造,節(jié)省資源和資金。
此外,本系統(tǒng)綜合運用了GSM網(wǎng)絡(luò)和安全監(jiān)控檢測技術(shù),實現(xiàn)對鋁液坩堝進行實時監(jiān)控并在異常情況下進行報警,從而保證了坩堝不正常工作時及時發(fā)現(xiàn)并立即處理防止情況進一步惡化。最后提醒一點,在實際正常生產(chǎn)過程中,安全監(jiān)控檢測報警裝置一旦報警,就表示鋁液坩堝漏爐事故已經(jīng)發(fā)生了,此時所謂的報警僅僅起到提醒管理人員避免事故擴大的作用。
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