本发明属于铝电解技术领域，具体涉及一种铝电解槽自动更换阳极系统及其更换方法。
背景技术：
铝电解生产是一个连续的生产过程，更换阳极是铝电解生产过程中不可或缺的工艺过程，该过程对铝电解的稳定生产影响很大。现有的更换阳极过程是多功能机组配合人工手动完成的，具体的操作过程为：
1、揭开槽罩并扒料：将烟道阀门切换至大风量，揭开3~4块槽罩板（不能同时揭开两台槽罩板）；将残极上的及周边的所有浮料及块料呈扇形扒出。
2、按下槽控箱上的换极键和边加工键，与计算机取得联系，表明该槽有换极作业，让槽控机启用更换阳极控制程序。
3、正确指挥天车打开所换极壳面，在打壳过程中用铁钩将能勾出的面壳块勾出。如碳渣较多，应在打壳过程中将其捞出，防止物料进入槽中后由于升温而无法捞出。
4、拔出残极：指挥天车工操作天车，下降阳极提升装置，卡住阳极导杆，然后下降风动扳手，旋送卡具，在地面换极工的指挥配合下，慢慢拔出残极。在拔出过程中，操作工发现有结壳块要掉入槽内，要指挥暂停提升，用工具把结壳块勾出后再继续拔出残极。在打壳和拔出残极过程中要防止撞击设备。
5、残极检查及定位：天车拔出残极后，要在大面上下降阳极，此时换极工作要仔细检查残极是否正常，如氧化、涮爪、裂纹、掉快、长包等，并在作业记录上记录清楚。将残极上的定位线移到兜尺上并用粉笔标定好，便于确定新极定位线。
6、捞块及槽况检查：在打壳及拔出残极过程中，有部分快料落入槽内电解质中，此时要用大钩、大耙等槽炉工具及时把落入槽内的面壳块钩出来，且要求捞干净。同时检查槽况，及沉淀多少和分布情况、阳极情况、炉膛形成情况、邻极工作情况、两水平情况等，以确定下一步的工作，并及时做好记录，异常情况及时汇报。
7、新极定位：天车工拔出的残极放在残极托盘上后，掉回一块新极，下降阳极，让换极工在兜尺上标好的定位线的基础上低1.5cm左右确定新极定位线。此时，要检查阳极铝导杆是否干净、是否平整、有无毛刺，否则要用扫帚将将导杆与母线贴面清理干净，用平板锉将贴面清理平整，确保大母线与导杆充分接触（此工作可在准备工作中做）。注：为减少槽热量损失，残极检查及定位、捞块、新极检查定位等项操作应同时进行。
8、新极安装：天车工把新极挂到电解槽上，在新极还未安装到位的情况下进行预热并检查卡具挂钩的松紧度并处理，检查处理大母线贴面积灰和毛刺。再由换极工在下面指挥确定阳极的安装位置，使定位线与水平母线下端平齐。为保证安装精度还要用摸钩对新极的安装位置作进一步确认，无误后天车下降风动扳手，旋紧卡具，在导杆上写清换极日期。（装极注意：要将导杆置于两挂钩中间并使其垂直，卡具要进行三次松紧动作，保证阳极导杆紧贴水平母线，不下滑，然后松开提升装置，收回提升装置和风动扳手。）
9、壳面收边、整形：安装好阳极后，先将热面壳打碎盖在阳极边间缝上，其后用破碎面壳料将阳极中、间缝盖满（有下料口的中缝应用液体电解质运面壳快料浇处下料口），盖料过程中要防止物料进入槽底形成沉淀，特别是中缝应待电解质结壳后才盖。用破碎面壳料在阳极上厚度约为16~18cm和边部盖成斜坡亮出槽沿板，用铁锹将阳极上物料铲平，使物料能均匀覆盖阳极及四周，当面壳保温不够时，应用多功能行车或人为的在面壳料上加盖新鲜氧化铝。
10、及时盖上槽罩板、清扫场地卫生并收拾工具。
综上所述，人工换极过程存在以下不足或缺陷：操作非常复杂，劳动强度极大，人为因素较多，操作一致性较差，劳动生产率很低，用工数量较多，安全隐患较多。
技术实现要素：
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种安装简便、易于操作、自动化程度高、安全可靠性强的铝电解槽自动更换阳极系统及其更换方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：铝电解槽自动更换阳极系统，该系统以铝电解厂房内设置的多功能机组为基础，在多功能机组上增加定位装置、安全装置、执行装置和控制装置来实现自动更换阳极；即通过操控多功能机组实现自动定位、自动阳极打壳开缝、阳极更换过程阳极底掌高度自动定位、自动残阳极扭拔起吊、自动将残阳极运送到指定位置、自动清理铲捞块、自动到指定位置吊起新阳极、自动运送新阳极到更换阳极的位置并自动安装好新阳极；在多功能机组执行机构的基础上选择性增加阳极自动测高装置、浮料自动吸收装置、打壳辅助装置、辅助更换阳极机械手装置。
定位装置包括沿多功能机组的运行轨道、多功能机组工具小车的运行轨道、多功能机组工具小车转动环形轨道上安装位置标识和运行速度检测设备，从而实现多功能机组运行状态的精确检测与定位；在多功能机组上的各种可独立升降作业机构上安装位置标识和速度检测设备，从而实现多功能机组上各种可独立升降作业机构运行状态的精确检测与定位；在多功能机组的适当位置安装一个可伸缩距离检测设备，并通过上位机软件分析以确定阳极导杆卡孔、阳极导杆夹具以及紧固螺栓的准确位置。
在多功能机组适当位置安装一个可独立升降机构或在多功能机组现有的可独立升降作业机构适当位置安装一个固定式或可伸缩式的阳极底掌位置检测设备，以实现阳极更换过程阳极底掌高度自动定位。
安全装置包括在多功能机组的适当位置安装多重防撞装置；在更换阳极装置、打壳机构安装受力检测设备，用以判断阳极导杆是否被成功卡住、打壳锤头是否接触覆盖料壳面和是否打开覆盖料壳面；在更换阳极装置适当位置上安装机械手辅助更换阳极装置，以安全拿起阳极夹具，并在安装新阳极前自动清理大母线与阳极导杆接触面，确保大母线与阳极导杆充分接触。
控制装置根据定位装置和安全装置采集的当前位置和环境信息，通过驱动多功能机组执行机构按照控制要求完成相关的控制动作，按控制要求在需要更换阳极的位置，完成自动定位、自动阳极打壳开缝、阳极更换过程阳极底掌高度自动定位、自动残阳极扭拔起吊、自动将残阳极运送到指定位置、自动吸收覆盖料浮料，自动清理铲捞块、自动清理阳极导杆与母线的接触面、自动到指定位置吊起新阳极、自动运送新阳极到更换阳极的位置并自动安装好新阳极。
位置标识设备包括但不限于一维条码、二位条码、编码尺、激光长距离测距定位精度在毫米级的检测设备；距离检测设备包括但不限于激光测距、超声测距、数码尺、编码器、视觉控制精度在毫米级的测距设备；安全装置的功能包括但不限于激光扫描、雷达测距、超声测距、视觉控制。
控制装置是可编程序装置，包括但不限于工业计算机、PLC、工业控制板卡和控制模块；对新阳极导杆、残阳极导杆和导杆夹具的平面位置和操作高度进行数字化定位。
铝电解槽自动更换阳极系统的更换方法，包括以下步骤，
（1）、在多功能机组上安装定位装置，多功能机组大车运行轨道方向为铝电解厂房的纵向方向，多功能机组工具小车运行轨道方向为横向方向，以铝电解厂房的纵向方向为X向、以铝电解厂房的纵向方向为Y向、以铝电解厂房的高度方向为Z向建立绝对的三维坐标定位系统，电解槽的阳极、阳极导杆、残阳极存放区域、新阳极存放区域以及车间其它各区域相对上述定位系统都有唯一的对应值，控制系统要对操作对象进行操作时只需要找到相应操作对象的X、Y向的坐标值就能找到相应的操作对象的平面位置，工具小车虽然是可旋转设备，但所有工具小车上的工具相对转盘的位置是固定不变的，只有能将工具小车的旋转的绝对角度检测出来，配合工具小车的位置，就能将工具小车上的各设备的X、Y向绝对位置确定下来，在工具小车转动的环形轨道安装了位置标识，就是用来确定各工具的X、Y绝对位置，工具的绝对位置确定后，再去找具有绝对位置的操作对象；但操作对象如导杆卡孔是一个空间位置(X、Y、Z)，只知道X、Y是不能准确找到操作对象的，多功能机组相对厂房的安装高度是固定不变的，只要检测到操作对象相对多功能机组的距离就能将Z向坐标确定下来，在多功能机组的适当位置安装一个可伸缩距离检测设备就是为了达到准确确定操作对象的Z向坐标的目的，在各可伸缩的工具上安装距离检测设备也是为了达到准确确定操作工具的Z向坐标的目的，X、Y、Z项坐标都确定后，所有操作都不再是任何问题；
（2）、岗位操作人员在需要更换阳极的位置人工揭开电解槽的槽盖板，并人工扒掉散落在需要更换的阳极上的大块料；
（3）、操控自动更换阳极系统，根据更换阳极的安排，提前将需更换阳极电解槽的槽控系统设定为换极和边部加工控制模式，让槽控机启用更换阳极控制程序；
（4）、自动更换阳极系统将多功能机组工具小车自动运行到需要更换阳极的位置上方，并按照系统要求自动打壳开缝；
（5）、根据自动更换阳极系统的控制要求控制更换阳极装置，抓住阳极导杆卡孔，当更换阳极装置测量到一定压力值时，系统测量多功能机组到残阳极导杆卡孔的距离H1，然后松掉导杆夹具紧固螺栓，更换阳极装置辅助机械手辅助更换阳极装置，安全提起导杆夹具，自动拔出残阳极；
（6）、在自动运送残阳极过程中，阳极自动测高装置自动测量阳极卡孔到阳极底掌的高度h1，并自动将残阳极运送到残阳极指定存放位置；
（7）、操控多功能机组工具小车自动运行到更换阳极的位置，控制清理铲在吊出残极的位置自动捞块，并把捞到的块渣运送到块渣指定存放位置；
（8）、操控多功能机组工具小车自动运行到新阳极存放位置，并自动吊起新阳极。
（9）、在自动运送新阳极过程中，阳极自动测高装置自动测量阳极卡孔到新阳极底掌的高度h2，并自动将新阳极运送到更换阳极的位置；
（10）、系统根据工艺的要求，按照公式H2=H1+h1-h2+a，其中a为常数，H2为多功能机组到新阳极导杆卡孔的距离，计算出H2；
（11）、更换阳极装置辅助机械手自动清理阳极导杆与母线的接触面，系统根据计算的H2自动定位新阳极；
（12）、自动紧固导杆夹具，导杆夹具紧固好后更换阳极装置松掉阳极导杆卡孔，完成自动更换阳极全部过程；
（13）、壳面人工收边、整形并及时盖上槽罩板。
条码采用过塑处理，利用多功能机组自有的空压设备在各检测设备口安装了空气喷头用于定期清理浮尘，确保检测设备的数据准确性
在运行过程中系统具有安全防护功能，能自动选择安全路线，能自动选择多功能机组临时启停，在任意情况下系统都可以人工切换成手动操作模式和紧急停车。
综上所述，本发明在多功能机组（也被称作多功能天车、多功能起重机或者多功能行车）上增设定位装置、安全装置、执行装置和控制装置，通过各个装置的配合能安全可靠的完成自动更换阳极的全部过程，降低劳动强度，提高劳动生产率，并且安全可靠。
具体实施方式
本发明的铝电解槽自动更换阳极系统，该系统以铝电解厂房内设置的多功能机组为基础，在多功能机组上增加定位装置、安全装置、执行装置和控制装置来实现自动更换阳极；即通过操控多功能机组实现自动定位、自动阳极打壳开缝、阳极更换过程阳极底掌高度自动定位、自动残阳极扭拔起吊、自动将残阳极运送到指定位置、自动清理铲捞块、自动到指定位置吊起新阳极、自动运送新阳极到更换阳极的位置并自动安装好新阳极；在多功能机组执行机构的基础上选择性增加阳极自动测高装置、浮料自动吸收装置、打壳辅助装置、辅助更换阳极机械手装置。
定位装置包括沿多功能机组的运行轨道、多功能机组工具小车的运行轨道、多功能机组工具小车转动环形轨道上安装位置标识和运行速度检测设备，从而实现多功能机组运行状态的精确检测与定位；在多功能机组上的各种可独立升降作业机构上（如打壳装置、更换阳极装置、抓斗装置、操作室等）安装位置标识和速度检测设备，从而实现多功能机组上各种可独立升降作业机构（打壳装置、更换阳极装置、抓斗装置、操作室等）运行状态的精确检测与定位；在多功能机组的适当位置安装一个可伸缩距离检测设备，并通过上位机软件分析以确定阳极导杆卡孔、阳极导杆夹具以及紧固螺栓的准确位置。
在多功能机组适当位置安装一个可独立升降机构或在多功能机组现有的可独立升降作业机构适当位置安装一个固定式或可伸缩式的阳极底掌位置检测设备（如激光接近开关、激光距离或其它位置感应装置），以实现阳极更换过程阳极底掌高度自动定位。
安全装置包括在多功能机组的适当位置安装多重防撞装置；在更换阳极装置、打壳机构安装受力检测设备，用以判断阳极导杆是否被成功卡住、打壳锤头是否接触覆盖料壳面和是否打开覆盖料壳面；在更换阳极装置适当位置安装辅助更换阳极机械手装置安全提起阳极夹具，并在安装新阳极前自动清理大母线与阳极导杆接触面，确保大母线与阳极导杆充分接触。
控制装置根据定位装置和安全装置采集的当前位置和环境信息，通过驱动多功能机组执行机构按照控制要求完成相关的控制动作（如大车运行、小车运行、更换阳极装置动作、清理铲动作、打壳锤头动作等），按控制要求在需要更换阳极的位置，完成自动定位、自动阳极打壳开缝、阳极更换过程阳极底掌高度自动定位、自动残阳极扭拔起吊、自动将残阳极运送到指定位置、自动吸收覆盖料浮料，自动清理铲捞块、自动清理阳极导杆与母线的接触面、自动到指定位置吊起新阳极、自动运送新阳极到更换阳极的位置并自动安装好新阳极。
位置标识设备包括但不限于一维条码、二位条码、编码尺、激光长距离测距定位精度在毫米级的检测设备；距离检测设备包括但不限于激光测距、超声测距、数码尺、编码器、视觉控制精度在毫米级的测距设备；安全装置的功能包括但不限于激光扫描、雷达测距、超声测距、视觉控制。
控制装置是可编程序装置，包括但不限于工业计算机、PLC、工业控制板卡和控制模块；对新阳极导杆、残阳极导杆和导杆夹具的平面位置和操作高度进行数字化定位。
铝电解槽自动更换阳极系统的更换方法，包括以下步骤，
（1）、在多功能机组上安装定位装置，多功能机组大车运行轨道方向为铝电解厂房的纵向方向，多功能机组工具小车运行轨道方向为横向方向，以铝电解厂房的纵向方向为X向、以铝电解厂房的纵向方向为Y向、以铝电解厂房的高度方向为Z向建立绝对的三维坐标定位系统，电解槽的阳极、阳极导杆、残阳极存放区域、新阳极存放区域以及车间其它各区域相对上述定位系统都有唯一的对应值，控制系统要对操作对象进行操作时只需要找到相应操作对象的X、Y向的坐标值就能找到相应的操作对象的平面位置，工具小车虽然是可旋转设备，但所有工具小车上的工具相对转盘的位置是固定不变的，只有能将工具小车的旋转的绝对角度检测出来，配合工具小车的位置，就能将工具小车上的各设备的X、Y向绝对位置确定下来，在工具小车转动的环形轨道安装了位置标识，就是用来确定各工具的X、Y绝对位置，工具的绝对位置确定后，再去找具有绝对位置的操作对象；但操作对象如导杆卡孔是一个空间位置(X、Y、Z)，只知道X、Y是不能准确找到操作对象的，多功能机组相对厂房的安装高度是固定不变的，只要检测到操作对象相对多功能机组的距离就能将Z向坐标确定下来，在多功能机组的适当位置安装一个可伸缩距离检测设备就是为了达到准确确定操作对象的Z向坐标的目的，在各可伸缩的工具上安装距离检测设备也是为了达到准确确定操作工具的Z向坐标的目的，X、Y、Z项坐标都确定后，所有操作都不再是任何问题；
（2）、岗位操作人员在需要更换阳极的位置人工揭开电解槽的槽盖板，并人工扒掉散落在需要更换的阳极上的大块料；
（3）、操控自动更换阳极系统，根据更换阳极的安排，提前将需更换阳极电解槽的槽控系统设定为换极和边部加工控制模式，让槽控机启用更换阳极控制程序；
（4）、自动更换阳极系统将多功能机组工具小车自动运行到需要更换阳极的位置上方，并按照系统要求自动打壳开缝；
（5）、根据自动更换阳极系统的控制要求控制更换阳极装置，抓住阳极导杆卡孔，当更换阳极装置测量到一定压力值时，系统测量多功能机组到残阳极导杆卡孔的距离H1，然后松掉导杆夹具紧固螺栓，更换阳极装置辅助机械手辅助更换阳极装置，安全提起导杆夹具，自动拔出残阳极；
（6）、在自动运送残阳极过程中，阳极自动测高装置自动测量阳极卡孔到阳极底掌的高度h1，并自动将残阳极运送到残阳极指定存放位置；
（7）、操控多功能机组工具小车自动运行到更换阳极的位置，控制清理铲在吊出残极的位置自动捞块，并把捞到的块渣运送到块渣指定存放位置；
（8）、操控多功能机组工具小车自动运行到新阳极存放位置，并自动吊起新阳极。
（9）、在自动运送新阳极过程中，阳极自动测高装置自动测量阳极卡孔到新阳极底掌的高度h2，并自动将新阳极运送到更换阳极的位置；
（10）、系统根据工艺的要求，按照公式H2=H1+h1-h2+a，其中a为常数，H2为多功能机组到新阳极导杆卡孔的距离，计算出H2；
（11）、更换阳极装置辅助机械手自动清理阳极导杆与母线的接触面，系统根据计算的H2自动定位新阳极；
（12）、自动紧固导杆夹具，导杆夹具紧固好后更换阳极装置松掉阳极导杆卡孔，完成自动更换阳极全部过程；
（13）、壳面人工收边、整形并及时盖上槽罩板。
条码采用过塑处理，利用多功能机组自有的空压设备在各检测设备口安装了空气喷头用于定期清理浮尘，确保检测设备的数据准确性
在运行过程中系统具有安全防护功能，能自动选择安全路线，能自动选择多功能机组临时启停，在任意情况下系统都可以人工切换成手动操作模式和紧急停车。
本发明的铝电解槽自动更换阳极系统，是以多功能机组为基础，通过在多功能机组上增加定位装置、安全装置和控制装置实现自动更换阳极的自动化控制系统。
控制装置的控制器选用SIMATICS7-300PLC，与现有的多功能机组PLC系统联网，实现数据共享和对多功能机组执行机构的控制，上位机选用戴尔PrecisionT5810系列Xeon，满足系统数据处理实时性的要求，考虑到系统兼容性问题触屏显示设备全部选用西门子系列。
多功能机组大车运行轨道定位选用德国劳易测LEUZE条码阅读器BPS37，测量范围10,000m内，精确度达到±1mm，能够满足控制系统精度要求，多功能机组工具小车运行轨道、多功能机组工具小车转动环形轨道定位选择倍加福位置编码系统WCS-IG110，该系统能够每0.8mm确认一个新的位置值，无需参考点，没有延迟，免维护设计，适合在电解车间环境安装，控制精度在1mm以内，满足控制系统精度要求，在多功能机组工具小车打壳装置、更换阳极装置、清理铲、控制室安装了劳易测激光测距AMS3004i40，测距范围是0.2m到40m，重复精度是0.3mm，在多功能机组工具小车适当位置可伸缩距离检测设备目的是检测导杆卡孔以及导杆夹具紧固螺栓的高度位置，同样选用了劳易测激光测距AMS3004i40。
在多功能机组工具小车控制室底部适当位置安装了一个固定式激光接近开关，以实现阳极更换过程阳极底掌高度自动定位。
在更换阳极装置安装受力检测设备的目的是检测阳极导杆是否被成功卡住，打壳机构安装受力检测设备的目的是检测打壳锤头是否接触覆盖料壳面和是否打开覆盖料壳面，在更换阳极装置安装机械手辅助更换阳极装置安全拿起阳极夹具，同时机械手在更换新阳极前清理干净阳极导杆与母线贴面，确保大母线与导杆充分接触，在多功能机组工具小车适当位置安装防碰撞安全设备选用了劳易测激光区域扫描仪。
执行装置在原有多功能机组执行机构的基础上增加阳极自动测高装置、浮料自动吸收装置、辅助更换阳极机械手装置。
控制系统根据定位装置和安全装置采集的当前位置和环境信息，通过与事先数字化定位过的电解槽的阳极、阳极导杆、残阳极存放区域、新阳极存放区域以及车间其它各区域位置信息进行比较，输出系统下一步动作指令，完成驱动多功能机组执行机构按照控制要求完成相关的控制动作（如大车运行、小车运行、更换阳极装置动作、清理铲动作、打壳锤头动作等），按控制要求在需要更换阳极的位置，完成自动定位、自动阳极打壳开缝、阳极更换过程阳极底掌高度自动定位、自动残阳极扭拔起吊、自动将残阳极运送到指定位置、自动吸收覆盖料浮料，自动清理铲捞块、自动清理阳极导杆与母线的接触面、自动到指定位置吊起新阳极、自动运送新阳极到更换阳极的位置并自动安装好新阳极。
考虑到电解铝车间粉尘较大，且有氟化物气体腐蚀，条码采用过塑处理，利用多功能机组自有的空压设备在各检测设备口安装了空气喷头用于定期清理浮尘，确保检测设备的数据准确性。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。