一种氯化钙熔盐电解生产金属钙的智能控制系统及控制方法与流程
本发明涉及电解生产金属钙技术领域，尤其涉及一种氯化钙熔盐电解生产金属钙的智能控制系统及控制方法。
背景技术：
高纯金属钙的工业化生产主要采用氯化钙的熔盐电解法，该方法根据其采用的电极不同，又分为接触阴极法和液体阴极法。接触阴极法生产得到富含钙的铜钙合金，再经过蒸发得到金属钙，而接触阴极法则直接通过电解得到金属钙，属于钙生产最直接的方法。液体阴极法电解以含钙10％～15％的铜钙合金液体作阴极，石墨电极作阳极，电解氯化钙熔体制取富含钙的钙铜合金的过程。产出的钙铜合金经蒸馏获得金属钙。
对于上述两种方法，现有的生产模式使一炉一次的间断式生产模式，其中包含热过程和冷过程，因为两者对生产参数的控制均不同，且每个过程都有其独特的工艺要求，所以，电解钙的生产控制流程十分复杂，加之参数获取的难度大，例如目前没有经济耐用的工业级热电偶(用于采集电解质温度)，故在现有的电解生产金属钙的过程中，依然依靠人工肉眼估测电解质温度，并采用人工加料的方式添加原料。
然而，对于金属钙的电解生产过程而言，电解质温度和氯化钙浓度都是十分重要的参数。首先，如果电解质温度过高，金属钙会漂浮起来，一部分燃烧，另一部分溶解于cacl2中生成cacl，导致电流效率下降，并使电解质变粘，电导率降低，出现这种情况时就必须更换电解质，此外，电解质温度过高，还会引起阴极钙棒局部过热，过热的钙棒会与空气中的氮相互作用生成氮化钙；而如果电解质温度过低，金属钙与电解质胶结在一起成为海绵状金属滴析出。整个电解生产过程，受到极距、电流密度、电阻率、保温设计等一系列因素影响，而现有的通过人工肉眼观测电解质的方式来实现温度和下料控制是极为不合理的，存在诸多缺点：(1)人工生产方式的生产现场环境十分恶劣，工人必须直面高温的熔盐，对人身的损伤较大；(2)人工生产方式十分粗放，往往存在漏判或错误控制逻辑出现；(3)人工生产方式需要工人经验的积累，且生产效率低下，工人一次只能处理一台电解槽的下料，难以保障大规模连续化生产。受制于上述原因，目前金属钙电解生产模式依然原始、效率低下。
技术实现要素：
针对上述存在的问题，本发明提出了一种氯化钙熔盐电解生产金属钙的智能控制系统及智能控制方法，能实现对现有氯化钙熔盐电解制备金属钙的生产过程的数字化和自动化，为钙电解的大型化、连续化与低能耗化生产管理提供支持。
本发明提供了一种氯化钙熔盐电解生产金属钙的智能控制系统，包括：
钙电解槽信息采集单元，用于获取电解槽电压和电流以及电解质实时温度原始数据；
数据处理与显示单元，用于对获取的所述电解槽电压和电流以及电解质实时温度原始数据进行预处理，得到预处理后的电解槽电压和电流以及电解质实时温度数据，并显示系统中的数据信息；
决策与控制单元，用于根据所述预处理后的电解槽电压和电流以及电解质实时温度数据生成控制指令，对金属钙的电解过程进行控制；
控制执行单元，用于接收所述决策与控制单元生成控制指令，并执行对应的控制操作；
后台数据管理单元，用于存储所述钙电解槽信息采集单元采集的原始数据、数据处理与显示单元处理后的数据和决策与控制单元生成的控制指令。
在本发明提供的智能控制系统中，钙电解槽信息采集单元同数据处理与显示单元相连接，数据处理与显示单元同决策与控制单元和后台数据管理单元相连接，控制执行单元、数据处理与显示单元和后台数据管理单元均同决策与控制单元相连接，各个单元之间均通过传输控制协议/因特网互联协议(tcp/ip)建立通信连接。因为本发明提供的智能控制系统的各个单元采用模块化设计，各个单元的功能相对独立，所以，各个单元有机连接后即可实现对电解槽的生产控制。
进一步的，所述钙电解槽信息采集单元包括电解质温度红外测温模块和电解槽电信号采样模块；
其中，所述电解质温度红外测温模块用于实时测量电解槽内电解质的温度；
所述电解槽电信号采样模块用于实时采集电解槽内电压和电流数据。
因为现有技术中没有合适的经济耐用的工业级热电偶用于电解槽内电解质温度的测量，所以本发明的发明人通过大量实验，尝试通过不同的方法来获取电解质温度，最后发现采用红外测温设备来采集电解质温度能够得到最可靠的结果；而电解槽内电压和电流数据可以采用现有技术中的常规的电压和电流采样装置来采集。
进一步的，所述数据处理与显示单元包括数据预处理模块和数字化显示模块；
其中，所述数据预处理模块用于对所述钙电解槽信息采集单元采集到的原始数据进行滤波去噪声和/或异常数据剔除处理；
所述数字化显示模块用于显示系统中的数据信息。
进一步的，所述决策与控制单元包括下料控制模块、温度控制模块、出钙控制模块和异常处理模块；
其中，所述下料控制模块用于根据所述数据预处理模块处理后的电解槽电压和电流数据和下料速率控制规则，生成下料速率控制指令；
所述温度控制模块用于根据所述数据预处理模块处理后的电解槽中电解质实时温度数据和温度控制规则，生成温度控制指令；
所述出钙控制模块用于根据所述数据预处理模块处理后的电解槽电压和电流数据和出钙量控制规则，生成出钙控制指令；
所述异常处理模块用于识别所述数据预处理模块处理后的电解槽电压和电流以及电解质实时温度数据中的异常数据，并根据异常处理规则生成异常处理控制指令。
通过反复实验以及对现有技术中的经验公式的研究，发明人研究得到了下料速率控制规则、温度控制规则、出钙量控制规则和异常处理规则：
下料速率控制规则为：根据采集到的电解槽电压u和电流i，通过公式
温度控制规则为：将电解质温度定义为三个档次：当温度为500～649℃时为“低”档，当温度为650～715℃时为“正常”档，当温度为716～800℃时为“高”档；当采集到的电解质温度为“低”档时，生成将电极极距增加0.5cm的指令；当采集到的电解质温度为“正常”档时，保持当前的电极极距不变；当采集到的电解质温度为“高”档时，则生成将电极极距减小0.5cm的指令；具体的电极极距调整，通过电极控制电机实现。
出钙量控制规则为：根据电解过程中的电压u和电流i，计算出24-72小时内的累计理论电解的钙产量，以固定的时间间隔(一般为24小时)输出出钙量信息，并生成出钙操作指令。钙的理论产出量p的计算公式为：p＝kca*i*η*t，其中，kca为钙的电化学当量常数，取值为0.7478*10-3kg/(a.h)；i为电流强度，单位为a；η为电解过程的电流效率，单位为％；t为时间间隔，一般为24h。
异常处理规则为：当电解质温度高于800℃或低于500℃的时候，生成电解槽异常提示的指令，由操作员决定是人工干预或者中断电解过程；当电解槽出现电流突然增大或减小的电流大小在30％以内时，输出报警信息，并生成自动减小或增大电极极距进行紧急自动干预的指令；当电解槽出现电流突然增大或减小的电流大小超出30％时，则生成自动跳闸断电的指令。即电流增大，减小极距；电流减小，增大极距，目的均为维持电解槽的热平衡，例如，电流增大，如极距不变，则极间电阻不变，那么热收入i2*r则会大幅度增大，所以必须降低极距，减小r，维持热收入；反之，亦然。
进一步的，所述控制执行单元包括料斗执行模块、极距调整模块、出钙模块、紧急跳闸模块；
其中，所述料斗执行模块用于根据所述决策与控制单元生成的下料速率控制指令调整下料速率，执行下料操作；
所述极距调整模块用于根据所述决策与控制单元生成的温度控制指令调整电极极距，执行温度控制操作；
所述出钙模块用于根据所述决策与控制单元生成的出钙控制指令，执行出钙操作；
紧急跳闸模块用于根据所述决策与控制单元生成的异常处理控制指令，执行异常处理操作，其中，异常处理操作包括提示人工干预、调节电极极距和/或跳闸断电。
进一步的，所述电解质温度红外测温模块至少包括红外测温探头和石英冷却与保护罩。
因为电解槽所在环境温度极高，普通的红外测温探头无法在如此高温环境下长时间正常工作，发明人通过对各种材料进行反复实验和对比研究，发现石英材质可以在有效阻挡高温的同时让红外线几乎无损失地通过，所以，发明人根据石英材质这一特性，制作了用于保护红外测温探头的石英冷却与保护罩，使得本系统能够顺利地长时间采集电解质的温度信息。
本发明还提供了一种氯化钙熔盐电解生产金属钙的智能控制方法，包括：
步骤s1：获取电解槽电压和电流以及电解质实时温度原始数据；
步骤s2：对获取的电解槽电压和电流以及电解质实时温度原始数据进行预处理，得到预处理后的电解槽电压和电流以及电解质实时温度数据，其中，预处理包括对所述原始数据进行滤波去噪声和/或异常数据剔除处理；
步骤s3：根据所述预处理后的电解槽电压和电流以及电解质实时温度数据生成控制指令，用于对金属钙的电解过程进行控制；
步骤s4：根据所述控制指令，执行对应的控制操作。
进一步的，所述步骤s1具体包括：
步骤s1.1：采用电信号采集设备获取电解槽电压和电流原始数据；
步骤s1.2：采用红外线测温设备获取电解槽中电解质实时温度原始数据。
进一步的，所述步骤s3具体包括：
步骤s3.1：根据所述预处理后的电解槽电压和电流数据和下料速率控制规则，生成下料速率控制指令；
步骤s3.2：根据所述预处理后的电解槽中电解质实时温度数据和温度控制规则，生成温度控制指令；
步骤s3.3：根据所述预处理后的电解槽电压和电流数据和出钙量控制规则，生成出钙控制指令；
步骤s3.4：识别所述预处理后的电解槽电压和电流以及电解质实时温度数据中的异常数据，并根据异常处理规则生成异常处理控制指令。
具体的各项控制规则如下：
下料速率控制规则为：根据采集到的电解槽电压u和电流i，通过公式
温度控制规则为：将电解质温度定义为三个档次：当温度为500～649℃时为“低”档，当温度为650～715℃时为“正常”档，当温度为716～800℃时为“高”档；当采集到的电解质温度为“低”档时，生成将电极极距增加0.5cm的指令；当采集到的电解质温度为“正常”档时，保持当前的电极极距不变；当采集到的电解质温度为“高”档时，则生成将电极极距减小0.5cm的指令；具体的电极极距调整，通过电极控制电机实现。
出钙量控制规则为：根据电解过程中的电压u和电流i，计算出24-72小时内的累计理论电解的钙产量，以固定的时间间隔(一般为24小时)输出出钙量信息，并生成出钙操作指令。钙的理论产出量p计算公式为：p＝kca*i*η*t，其中，kca为钙的电化学当量常数，取值为0.7478*10-3kg/(a.h)；i为电流强度，单位为a；η为电解过程的电流效率，单位为％；t为时间间隔，一般为24h。
异常处理规则为：当电解质温度高于800℃或低于500℃的时候，生成电解槽异常提示的指令，由操作员决定是人工干预或者中断电解过程；当电解槽出现电流突然增大或减小的电流大小在30％以内时，输出报警信息，并生成自动减小或增大电极极距进行紧急自动干预的指令；当电解槽出现电流突然增大或减小的电流大小超出30％时，则生成自动跳闸断电的指令。即电流增大，减小极距；电流减小，增大极距，目的均为维持电解槽的热平衡，例如，电流增大，如极距不变，则极间电阻不变，那么热收入i2*r则会大幅度增大，所以必须降低极距，减小r，维持热收入；反之，亦然。
进一步的，所述步骤s4具体包括：
步骤s4.1：根据所述下料速率控制指令，调整下料速率，执行下料操作；
步骤s4.2：根据所述温度控制指令，调整电极极距，执行温度控制操作；
步骤s4.3：根据所述出钙控制指令，执行出钙操作；
步骤s4.4：根据所述异常处理控制指令，执行异常处理操作，其中，异常处理操作包括提示人工干预、调节电极极距和/或跳闸断电。
有益效果
本发明具有以下有益效果：
1.实现了对金属钙电解生产过程中各项关键参数的获取自动化：本发明方案，通过带有特制石英冷却与保护罩的红外测温探头实现了对电解质温度的实时采集，并通过电压与电流采集设备实现了对电解槽电压和电流的实时采集，实现了各项关键参数的自动获取，为生产过程操作管理的自动化提供了基础；
2.实现了对金属钙电解生产过程操作管理的自动化：通过本发明的方案，可以解放现场的操作人员，实现金属钙电解生产过程中对下料、温度及异常情况的全方位数字化控制；
3.实现了系统扩展性强：本发明提供的方案可以针对单台钙电解槽进行控制，也可以针对多台钙电解槽进行控制，各个单元之间采用高可靠性的tcp/ip协议进行通信，使得系统扩展十分容易；
4.实现了生产流程的数字化：本发明提供的方案将整个金属钙电解槽自启动到生命终结全过程的数据进行存储与处理，将金属钙电解生产过程完全数字化，形成数字化钙电解槽，实现了金属钙电解生产过程信息化的重大跨越。
附图说明
图1示出了本发明提供的一种氯化钙熔盐电解生产金属钙的智能控制系统的结构示意图；
图2示出了本发明提供的一种氯化钙熔盐电解生产金属钙的智能控制方法的流程图；
图3示出了本发明实施例一提供的一种氯化钙熔盐电解生产金属钙的智能控制系统的结构示意图；
图4示出了本发明实施例一提供的一种氯化钙熔盐电解生产金属钙的智能控制系统中电解质温度红外测温模块的具体结构示意图；
图5示出了本发明实施例二提供的另一种氯化钙熔盐电解生产金属钙的智能控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为了进一步解释说明本发明提供的方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一
图1示出了本发明提供的一种氯化钙熔盐电解生产金属钙的智能控制系统的结构示意图，本智能控制系统包括钙电解槽信息采集单元10、数据处理与显示单元20、决策与控制单元30、控制执行单元40和后台数据管理单元50。
图3具体示出了在本实施例中，该智能控制系统的结构，钙电解槽信息采集单元10具体由电解质温度红外测温模块11和电解槽电信号采样模块12构成，数据处理与显示单元20具体由数据预处理模块21和数字化显示模块22构成，决策与控制单元30由下料控制模块31、温度控制模块32、出钙控制模块33和异常处理模块34构成，控制执行单元40具体由料斗执行模块41、极距调整模块42、出钙模块43和紧急跳闸模块44构成，钙电解槽信息采集单元10和控制执行单元40分别与电解槽70上的相关部件相连接。在本实施例中，增加了一台上位计算机60，可以用于统筹该智能控制系统中的各项信息，该上文计算机60分别与决策与控制单元30和后台数据管理单元50相连接。各个单元之间通过tcp/ip建立通信连接。其中，电解槽电信号采样模块12跨越采用现有的常规电压与电流采样装置实现，决策与控制单元30可以由可编程逻辑控制器(plc)来实现。
该系统的工作流程为：通过钙电解槽信息采集单元10中的电解质温度红外测温模块11实时测量电解槽内电解质的温度，并通过电解槽电信号采样模块12实时采集电解槽内电压和电流数据；数据处理与显示单元20中的数据预处理模块21将钙电解槽信息采集单元采集到的原始数据进行滤波去噪声和/或异常数据剔除处理，从而得到有效数据，而数字化显示模块22用于显示系统中的各项数据信息；决策与控制单元30中的下料控制模块31会根据电解槽电压和电流有效数据和下料速率控制规则，生成下料速率控制指令，温度控制模块32用于根据所述电解槽中电解质实时温度有效数据和温度控制规则，生成温度控制指令，出钙控制模块33用于根据所述电解槽电压和电流有效数据和出钙量控制规则，生成出钙控制指令，异常处理模块34用于识别所述电解槽电压和电流以及电解质实时温度有效数据中的异常数据，并根据异常处理规则生成异常处理控制指令；控制执行单元40中的料斗执行模块41根据决策与控制单元30中的下料控制模块31生成的下料速率控制指令调整下料速率，执行下料操作，极距调整模块42根据决策与控制单元30中的温度控制模块32生成的温度控制指令调整电极极距，执行温度控制操作，出钙模块43根据决策与控制单元30中的出钙控制模块33生成的出钙控制指令，执行出钙操作，紧急跳闸模块44根据决策与控制单元30中的异常处理模块34的生成的异常处理控制指令，执行异常处理操作，其中，异常处理操作包括提示人工干预、调节电极极距和/或跳闸断电；后台数据管理单元50会存储钙电解槽信息采集单元10采集的原始数据、数据处理与显示单元20处理后的有效数据以及决策与控制单元30生成的各项指令，方便对整个生产过程进行记录和维护。
其中，下料控制模块31中的下料速率控制规则为：根据采集到的电解槽电压u和电流i，通过公式
温度控制模块32中的温度控制规则为：将电解质温度定义为三个档次：当温度为500～649℃时为“低”档，当温度为650～715℃时为“正常”档，当温度为716～800℃时为“高”档；当采集到的电解质温度为“低”档时，生成将电极极距增加0.5cm的指令；当采集到的电解质温度为“正常”档时，保持当前的电极极距不变；当采集到的电解质温度为“高”档时，则生成将电极极距减小0.5cm的指令；具体的电极极距调整，通过电极控制电机实现。
出钙控制模块33中的出钙控制规则为：根据电解过程中的电压u和电流i，计算出24-72小时内的累计理论电解的钙产量，以固定的时间间隔(一般为24小时)输出出钙量信息，并生成出钙操作指令。钙的理论产出量p计算公式为：p＝kca*i*η*t，其中，kca为钙的电化学当量常数，取值为0.7478*10-3kg/(a.h)；i为电流强度，单位为a；η为电解过程的电流效率，单位为％；t为时间间隔，一般为24h。
异常处理模块34中的异常处理规则为：当电解质温度高于800℃或低于500℃的时候，生成电解槽异常提示的指令，由操作员决定是人工干预或者中断电解过程；当电解槽出现电流突然增大或减小的电流大小在30％以内时，输出报警信息，并生成自动减小或增大电极极距进行紧急自动干预的指令；当电解槽出现电流突然增大或减小的电流大小超出30％时，则生成自动跳闸断电的指令。即电流增大，减小极距；电流减小，增大极距，目的均为维持电解槽的热平衡，例如，电流增大，如极距不变，则极间电阻不变，那么热收入i2*r则会大幅度增大，所以必须降低极距，减小r，维持热收入；反之，亦然。
如图4所示，本方案所提出的适用于钙电解生产的电解质温度红外测温模块11的具体结构示意图，该电解质温度红外测温模块11至少包含了红外测温探头111、石英冷却与保护罩112和石英片113。因为电解槽所处环境温度极高，普通的红外测温探头无法在如此高温环境下长时间正常工作，发明人通过对各种材料进行反复实验和对比研究，发现石英材质可以在有效阻挡高温的同时让红外线几乎无损失地通过，所以，发明人根据石英材质这一特性，制作了用于保护红外测温探头111的石英冷却与保护罩112，并在石英冷却与保护罩112对应红外测温探头111的镜头位置镶嵌石英片113，进一步保证红外线的透过率，使得红外测温探头111能够顺利地长时间地准确地采集电解质的温度信息。
图2示出了本发明提供的一种氯化钙熔盐电解生产金属钙的智能控制方法的流程图，该方法包括：
步骤s1：获取电解槽电压和电流以及电解质实时温度原始数据。
具体而言包括：步骤s1.1：采用电信号采集设备获取电解槽电压和电流原始数据；步骤s1.2：采用红外线测温设备获取电解槽中电解质实时温度原始数据。
步骤s2：对获取的电解槽电压和电流以及电解质实时温度原始数据进行预处理，得到预处理后的电解槽电压和电流以及电解质实时温度数据，其中，预处理包括对所述原始数据进行滤波去噪声和/或异常数据剔除处理。
步骤s3：根据所述预处理后的电解槽电压和电流以及电解质实时温度数据生成控制指令，用于对金属钙的电解过程进行控制。
具体而言包括：步骤s3.1：根据所述预处理后的电解槽电压和电流数据和下料速率控制规则，生成下料速率控制指令；步骤s3.2：根据所述预处理后的电解槽中电解质实时温度数据和温度控制规则，生成温度控制指令；步骤s3.3：根据所述预处理后的电解槽电压和电流数据和出钙量控制规则，生成出钙控制指令；步骤s3.4：识别所述预处理后的电解槽电压和电流以及电解质实时温度数据中的异常数据，并根据异常处理规则生成异常处理控制指令。
步骤3中的各个控制规则与上述装置实施例中的控制规则相同，在此不再赘述。
步骤s4：根据所述控制指令，执行对应的控制操作。
具体而言包括：步骤s4.1：根据所述下料速率控制指令，调整下料速率，执行下料操作；步骤s4.2：根据所述温度控制指令，调整电极极距，执行温度控制操作；步骤s4.3：根据所述出钙控制指令，执行出钙操作；步骤s4.4：根据所述异常处理控制指令，执行异常处理操作，其中，异常处理操作包括提示人工干预、调节电极极距和/或跳闸断电。
综上所述，本发明提供的一种氯化钙熔盐电解生产金属钙的智能控制系统及控制方法，可以解放现场的操作人员，实现金属钙电解生产过程中对下料、温度及异常情况的全方位数字化控制，实现了钙电解过程的低能耗高效无人化生产，且本发明提供的系统及方法将金属钙电解槽自启动到生命终结全过程的数据进行存储与处理，将金属钙电解生产过程完全数字化，形成数字化钙电解槽，实现了金属钙电解生产过程信息化的重大跨越。
实施例二
图5示出了本发明实施例二提供的另一种氯化钙熔盐电解生产金属钙的智能控制系统的结构示意图，在实施例二中，包含多个电解槽，优选范围为5～15台电解槽，每一台电解槽都配置有独立的钙电解槽信息采集单元10、数据处理与显示单元20和控制执行单元40，各个钙电解槽信息采集单元10将采集的原始数据发送给各自对应的数据处理与显示单元20，所有数据处理与显示单元20将经过预处理后的有效数据汇总到同一个决策与控制单元30，该决策与控制单元30在对不同电解槽的有效数据分别进行控制与决策判断后，将生成的控制指令分别发送给各个电解槽的控制执行单元40，各个电解槽的控制执行单元40根据指令执行对应的操作。在本实施例中，还可以设置多台上位计算机60，用于对决策与控制单元30的工作状态进行观察或控制；后台数据管理单元50可以仅与上位计算机60相连接，用于存储上位计算机60转发的各项原始数据、有效数据和/或控制指令。
实施例二中对各个单元的其他描述与实施例一中对应描述完全相同，在此不再赘述。
综上所述，实施例二提供的一种氯化钙熔盐电解生产金属钙的智能控制系统中，因为各个电解槽分别具有独立的钙电解槽信息采集单元10、数据处理与显示单元20和控制执行单元40，并将数据汇总到同一个决策与控制单元30进行处理，因为各个单元功能完整且相对独立，故在没有上位计算机的情况下，所有电解槽仍能有效工作，从而确保钙电解槽的正常生产。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！