一种铝电解槽的全分布式语音预警方法及其系统与流程

本发明属于铝电解技术领域，具体涉及一种铝电解槽的全分布式语音预警方法及其系统。

背景技术：

铝电解是一个多变量、非线性时变、高温、强电流的复杂的电化学生产过程，存在电-磁-热-流-浓度场等多个相互耦合的物理场，此外，电解过程中，多物理场的分布、电流密度、电解温度、电解质分子比、槽膛内形等工艺参数都相互关联，这些因素共同作用造成了电解过程经常会出现各类型异常槽况，如槽电压异常、阳极效应异常、下料与物料平衡异常等，而一旦这些异常槽况发生，则必须第一时间的处理，但电解槽多半处于半自动换运行状态，一个工区往往包括几十台电解槽，而操作人员只有数人，故需要通过语音广播通知相关人员对异常槽况进行处理，此为铝电解的语音报警过程。

多年来，铝电解控制系统中的语音播报方法均是基于接口机声卡直接输出音频信号播报，再通过功放驱动现场音柱进行全厂的广播。一般来说，基于传统控制系统的接口机数量按照电解系列的车间设置，也即每个电解系列包含两个车间两台工控机，它不但需要完成数据的传输和存储任务，还负责进行现场的语音播报。此外，由于工控机的数量较少，现场语音均是一个车间或多个车间共享一套，也即每所有的语音内容都需要在其下属所有工区进行播报。最后，再加之当前铝电解企业规模较大(平均单厂产能已大于30万吨)，单个电解厂的电解槽数量往往多达300台，导致故障数量也较多，造成语音系统的播报压力十分巨大、报警广播滞后严重，另一方面，对各工区来说大部分的内容均是自身并不关心的其他区域的内容。因此，单一全厂的报警模式经常出现对报警信息的遗漏，严重影响生产的进行。此外，由于传统的语音播报方式通过工控机的声卡系统驱动功放推动现场扬声器进行播报，不得不在接口机与现场间连接较长的音频线或者广播线，大大增加了投资费用和故障的可能性。

对于铝电解现场的各工区来说，其最为关心的仅仅是本工区的信息，因此，较好的播报方式是向各个工区投放仅本工区所需要的内容，进行分布式语音播报，同时，改变现有利用监控中心工控机的声卡输出音频信号进行报警的现状，而采用其他的更为廉价及稳定方式进行数据传输和播报。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种铝电解槽的全分布式语音预警系统及其方法，可更加高效、精准的实现铝电解异常信息的精准定位与报警，从而将报警信息及时传达，避免由于在全厂进行报警广播而造成的生产安全事故的现象发生。

本发明提供一种铝电解槽的全分布式语音预警系统及其方法，包括如下步骤：

步骤1：电解槽控制器获取电解槽的实时状态数据，并将所述实时状态数据通过工区级交换机以及厂级交换机发送给中央语音报警决策单元；

其中，所述实时状态数据至少包括电解槽电压、阳极电流；

每个工区内设有两个以上电解槽控制器、一个工区级交换机以及工区级语音报警器，每个电解槽控制器监测一个电解槽；每个电解槽控制器以及每个工区级语音报警器设有唯一ip地址；

同一工区内的所有电解槽控制器均与所述同一工区内的工区级交换机连接，同一工区内的工区级交换机以及工区级语音报警器相互连接，所有的工区级交换机均与所述厂级交换机连接，所述厂级交换机与所述中央语音报警决策单元连接；

步骤2：所述中央语音报警决策单元对所述实时状态数据进行常规解析和多频率尺度分析识别是否存在故障，若存在故障则生成报警信息，否则，重复步骤1；

其中，按照预设解析规则对所述电解槽电压进行常规解析；按照预设多频率尺度规则对所述电解槽电压或阳极电流进行多频率尺度分析；

所述报警信息包括故障内容、故障电解槽对应的电解槽控制器的ip地址；

步骤3：依据电解槽控制器的ip地址以及工区级语音报警器的ip地址，所述中央语音报警决策单元将故障电解槽的报警信息通过厂级交换机发送给故障电解槽所在工区的工区级交换机以及工区级语音报警器；

步骤4：所述工区级语音报警器驱动扬声器播报接收到的报警信息。

本发明提供的语音预警方法中一个电解槽匹配一个电解槽控制器，且同一工区内的电所有解槽控制器均与所述同一工区内的工区级交换机连接，使其识别到电解槽故障后，可以精确定位到故障电解槽所在工区，进而实现精确预警，且并不影响到其余任何工区，不会造成故障报警的遗漏；同时，每个电解槽控制器监测一个电解槽，使得电解槽控制器可以更加及时地采集到电解槽的状态信息，以便更加及时地进行故障识别以及语音预警。将本发明所述方法应用在铝电解工厂中时，可以有效地解决铝电解工厂预警效率低、混乱的问题，同时本发明利用工区级语音报警器以及扬声器进行播报，可以减少工区内的音频线以及广播线等，提高工区内的安全等级。

进一步优选，步骤2中按照预设多频率尺度规则对所述电解槽电压或阳极电流进行多频率尺度分析的过程如下：

首先，获取所述电解槽电压或阳极电流的时域信号f(t)，并利用傅里叶变换将所述时域信号f(t)转换为频域信号f(ω)；

然后，计算频域信号f(ω)的谱密度；

其中，按照如下公式计算频域信号f(ω)的谱密度：

式中，φ(ω)表示率信号fω)的谱密度，f^*(ω)为频域信号f(ω)的共轭函数，ω为角频率；

最后，再依据预设分段频率尺度对频域信号f(ω)的谱密度进行分段故障识别；

其中，预设分段频率尺度包括三段频率尺度，所述三段频率尺度的取值范围分别为：(0,0.0015]、(0.0015,0.0060]、(0.006,0.1]；

当频域信号f(ω)中的角频率ω位于(0,0.0015]范围时，若频域信号f(ω)的谱密度大于第一阈值ycon，则频域信号f(ω)对应的电解槽为故障电解槽，生成电解槽氧化铝浓度低的故障内容；否则，频域信号f(ω)对应的电解槽不是故障电解槽；

当频域信号f(ω)中的角频率ω位于(0.0015,0.0060]范围时，若频域信号f(ω)的谱密度大于第二阈值yacd，则频域信号f(ω)对应的电解槽为故障电解槽，生成电解槽极距低的故障内容；否则，频域信号f(ω)对应的电解槽不是故障电解槽；

当频域信号f(ω)中的角频率ω位于(0.006,0.1]范围时，若频域信号f(ω)的谱密度大于第三阈值yal，则频域信号f(ω)对应的电解槽为故障电解槽，生成电解槽铝液波动异常的故障内容；否则，频域信号f(ω)对应的电解槽不是故障电解槽；

其中，第一阈值ycon，第二阈值yacd以及第三阈值yal的取值范围分别为[1*10⁵，2.5*10⁵]、[2.5*10⁵，3.0*10⁵]、[4*10⁵，9.0*10⁵]。

通过对电解槽的电压、阳极电流的分析得出电解槽的具体故障内容，实现精确确认故障内容。其中，上述角频率对应的单位为rad/s。

进一步优选，步骤2中按照预设解析规则对所述电解槽电压进行常规解析的过程如下：

判断电解槽电压是否大于8v，若是，所述电解槽为故障电解槽，生成电解槽电压高的故障内容；否则，所述电解槽不是故障电解槽。

进一步优选，所述实时状态数据还包括电压针振幅度以及电压摆动幅度，步骤2中对所述实时状态数据进行常规解析还包括按照预算解析规则对电压针振幅度以及电压摆动幅度进行常规解析；

其中，对所述电压针振幅度以及电压摆动幅度进行常规解析的过程如下：

判断电解槽的电压针振幅度是否超过100mv，若是，所述电解槽为故障电解槽，生成电解槽电压针振幅度高的故障内容；

以及判断电解槽的电压摆动幅度是否超过50mv，若是，所述电解槽为故障电解槽，生成电解槽电压摆动幅度高的故障内容。

进一步优选，步骤2中所述中央语音报警决策单元生成的报警信息为文本信息，步骤4的执行过程如下：

所述工区级语音报警器解析所述报警信息并将所述报警信息转换为音频信号，再驱动扬声器播报报警信息。

文本信息数据量远小于音频信号，首先生成的报警信息为文本信息可以达到较快速将故障信息投送，提高预警效率。

另一方面，本发明还提供采用上述方法的系统，包括电解槽控制器、工区级交换机、厂级交换机、数据中心处理单元、中央语音报警决策单元、工区级语音报警器以及扬声器；

其中，每个工区内设有两个以上电解槽控制器、一个工区级交换机、工区级语音报警器以及扬声器，每个电解槽控制器监测一个电解槽；

一个工区内的所有电解槽控制器均与同一工区内的工区级交换机连接，一个工区内的工区级交换机以及工区级语音报警器相互连接，所有的工区级交换机均与所述厂级交换机连接，所述厂级交换机、数据中心处理单元以及所述中央语音报警决策单元依次连接，所述中央语音报警决策单元与所述厂级交换机连接；

每个电解槽控制器以及每个工区级语音报警器设有唯一ip地址；

所述电解槽控制器用于获取电解槽的实时状态数据；

所述工区级交换机以及所述厂级交换机用于将采集的实时状态数据发送给数据中心处理单元；

所述数据中心处理单元用于存储所述实时状态数据，并将所述实时状态数据发送给中央语音报警决策单元；

所述中央语音报警决策单元用于对所述实时状态数据进行常规解析和多频率尺度分析识别是否存在故障，若存在故障则生成报警信息；

所述厂级交换机和所述工区级交换机用于将故障电解槽的报警信息发送给故障电解槽所在工区的工区级语音报警器；

所述工区级语音报警器用于驱动扬声器播报接收到的报警信息。

进一步优选，所述厂级交换机与工区级交换机之间采用光纤连接，并采用工业以太网协议通信。

进一步优选，所述工区级交换机与所述工区级语音报警器之间采用屏蔽双绞线连接，并采用工业以太网协议通信。

有益效果

与现有技术相比，本发明的优点有：

1、本发明提供的一种铝电解槽的全分布式语音预警方法及其系统中一个电解槽匹配一个电解槽控制器，且同一工区内的所有电解槽控制器均与所述同一工区内的工区级交换机连接，且每个电解槽控制器以及每个工区级语音报警器设有唯一ip地址，因此，中央语音报警决策单元对电解槽的实时状态数据分析出电解槽故障时，可以依据电解槽控制器的ip地址将故障信息发送至故障电解槽所在工区内的工区级交换机以及工区级语音报警器，实现在故障电解槽所在工区播报报警信息，即实现了铝电解异常信息的精准定位传递与报警，使得该工区内的操作人员可以快速的对电解槽进行处理，将损失降低至最小，消灭生产过程中的安全隐患，且并不影响到其余任何工区，不会造成故障报警的遗漏。

2、本发明中中央语音报警决策单元生成的报警信息为文本信息，其中，文本信息数据量远小于音频信号，可以达到快速将故障信息投送，提高预警效率。

3、本发明中对电解槽的实时状态数据进行常规解析以及多频率尺度分析，可以精确地确定电解槽故障内容，进而便于操作人员及时获取到故障原因进行修理。

综上所述，本发明提供的语音报警方法高效、系统简洁、造价低廉，易于工业化应用，实现了铝电解异常信息的精准定位传递与报警。

附图说明

图1是本发明一种全分布式精准铝电解语音报警方法的框图。

图2是本发明一种全分布式精准铝电解语音报警系统的结构示意图。

图3是本发明中央报警处理单元的界面示意图。

其中，对附图标记进一步说明如下：

1-数据中心处理单元，2-中央语音报警决策单元，3-厂级交换机，4-工区级交换机，5-工区级语音报警器，6-扬声器，7-电解槽控制器。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明提供的一种铝电解槽的全分布式语音预警系统包括电解槽控制器7、工区级交换机4、厂级交换机3、数据中心处理单元1、中央语音报警决策单元2、工区级语音报警器5以及扬声器6。其中，每个车间设有一个以上工区，每个工区内设有两个以上电解槽控制器7、一个工区级交换机4、工区级语音报警器5以及扬声器6。一个工区内的所有电解槽控制器7均与同一工区内的工区级交换机4连接，一个工区内的工区级交换机4以及工区级语音报警器5相互连接，所有的工区级交换机4均与所述厂级交换机3连接，所述厂级交换机3、数据中心处理单元1以及所述中央语音报警决策单元2依次连接，所述中央语音报警决策单元2与所述厂级交换机3连接。

本实施例中，厂级交换机3与工区级交换机4通过长距离光纤连接并采用工业以太网协议通信，工区级交换器与其在同一工区的工区级语音报警器5通过屏蔽双绞线连接并采用工业以太网协议通信，工区级语音报警器5和扬声器6通过音频线连接。其中，每个电解槽控制器7以及每个工区级语音报警器5的ip地址是唯一的，即语音报警器具有与现场控制单元类似的属性和子网内唯一的网络地址。因此，根据电解槽控制器7的ip地址可以定位电解槽控制器7所在工区内的工区级语音报警器5的ip地址，进而实现将电解槽控制器7匹配的电解槽的故障信息发送给同一工区内的工区级语音报警器5。

基于上述语音预警系统，本发明还提供一种铝电解槽的全分布式语音预警方法，包括如下步骤：

步骤1：电解槽控制器7获取电解槽的实时状态数据，并将所述实时状态数据通过工区级交换机4以及厂级交换机3发送给中央语音报警决策单元2；

其中，所述实时状态数据至少包括电解槽电压、阳极电流。本实施例中还包括其他系列电流、电压针振幅度以及电压摆动幅度，其中，其他系列电流为铝电解槽中非阳极电流的其他电流数据。本实施例中，电解槽控制器7获取的实时状态数据先通过工区级交换机4以及厂级交换机3发送给数据中心处理单元1，数据中心处理单元1再将实时状态数据进行存储以及转发，即将其转发给中央语音报警决策单元2。其他可行的实施例中，可以将实时状态数据通过工区级交换机4以及厂级交换机3直接发送给中央语音报警决策单元2。

实时状态数据电解槽控制器7向数据中心1发送所有的实时电解槽状态数据；

步骤2：所述中央语音报警决策单元2对所述实时状态数据进行常规解析和多频率尺度分析识别是否存在故障，若存在故障则生成报警信息，否则，重复步骤1；

其中，按照预设解析规则对所述电解槽电压进行常规解析；按照预设多频率尺度规则对所述电解槽电压或阳极电流进行多频率尺度分析，所述报警信息包括故障内容、故障电解槽对应的电解槽控制器7的ip地址，本实施例中，报警信息为文本信息。

按照预设多频率尺度规则对所述电解槽电压或阳极电流进行多频率尺度分析的过程如下：

首先，获取所述电解槽电压或阳极电流的时域信号f(t)，并利用傅里叶变换将所述时域信号f(t)转换为频域信号f(ω)；

然后，计算频域信号f(ω)的谱密度；

其中，按照如下公式计算频域信号f(ω)的谱密度：

式中，φ(ω)表示率信号f(ω)的谱密度，f^*(ω)为频域信号f(ω)的共轭函数，ω为角频率；

最后，再依据预设分段频率尺度对频域信号f(ω)的谱密度进行分段故障识别；

其中，预设分段频率尺度包括三段频率尺度，所述三段频率尺度的取值范围分别为：(0,0.0015]、(0.0015,0.0060]、(0.006,0.1]；

当频域信号f(ω)中的角频率ω位于(0,0.0015]范围时，若频域信号f(ω)的谱密度大于第一阈值ycon，则频域信号f(ω)对应的电解槽为故障电解槽，生成电解槽氧化铝浓度低的故障内容；否则，频域信号f(ω)对应的电解槽不是故障电解槽；

当频域信号f(ω)中的角频率ω位于(0.0015,0.0060]范围时，若频域信号f(ω)的谱密度大于第二阈值yacd，则频域信号f(ω)对应的电解槽为故障电解槽，生成电解槽极距低的故障内容；否则，频域信号f(ω)对应的电解槽不是故障电解槽；

当频域信号f(ω)中的角频率ω位于(0.006,0.1]范围时，若频域信号f(ω)的谱密度大于第三阈值yal，则频域信号f(ω)对应的电解槽为故障电解槽，生成电解槽铝液波动异常的故障内容；否则，频域信号f(ω)对应的电解槽不是故障电解槽；

其中，第一阈值ycon，第二阈值yacd以及第三阈值yal的取值范围分别为[1*10⁵，2.5*10⁵]、[2.5*10⁵，3.0*10⁵]、[4*10⁵，9.0*10⁵]。

按照预设解析规则对所述电解槽电压进行常规解析的过程如下：

判断电解槽电压是否大于8v，若是，所述电解槽为故障电解槽，生成电解槽电压高的故障内容；否则，所述电解槽不是故障电解槽。

对所述电压针振幅度以及电压摆动幅度进行常规解析的过程如下：

判断电解槽的电压针振幅度是否超过100mv，若是，所述电解槽为故障电解槽，生成电解槽电压针振幅度高的故障内容；

以及判断电解槽的电压摆动幅度是否超过50mv，若是，所述电解槽为故障电解槽，生成电解槽电压摆动幅度高的故障内容。

需要说明的是，上述条件为并列条件，任意一个电解槽满足上述故障条件，则该电解槽为故障电解槽。

步骤3：依据电解槽控制器7的ip地址以及工区级语音报警器5的ip地址，所述中央语音报警决策单元2将故障电解槽的报警信息通过厂级交换机3发送给故障电解槽所在工区的工区级交换机4以及工区级语音报警器5。

由于电解槽控制器7的ip地址以及工区级语音报警器5的ip地址是唯一的，因此根据电解槽控制器7的ip地址可以定位到该电解槽控制器7所在工区内的工区级语音报警器5的ip地址。

步骤4：所述工区级语音报警器5解析所述报警信息并将所述报警信息转换为音频信号，再驱动扬声器6播报报警信息。

本实施例中，播报内容包括报警信息中的报警内容以及故障电解槽的编号。其中，故障电解槽的编号可以是通过故障电解槽的ip地址进行确认。

其他可行的实施例中，报警信息还可以是来自电解槽控制器7发出的异常信息，即电解槽控制器7的异常信息发送给中央语音报警决策单元2，中央语音报警决策单元2则相应地生成报警信息。其中，异常信息包括但不限于下料异常、阳极脱落和通讯中断。

下述将以一个具体实例对本发明进行说明：

处于1工区的1104号槽发生效应时槽电压超过8v，1104号槽的电解槽控制器7把实时采样的槽电压发送到对应的数据中心处理单元1中；数据中心处理单元1把实时状态数据发送到中央语音报警决策单元2；中央语音报警决策单元2收到1104槽的实时状态数据后与预设的8v效应电压进行比对，发现1104槽的电压超过8v，判断1104槽发生效应；按照判断结果，中央语音报警决策单元2生成一条“请注意：1104号槽效应”或者“请注意：1104号槽电压高”等类似的文本信息，经由厂级交换机3、工区级交换机4，向1工区的工区级语音报警器5的ip地址投送该语音播报的文本信息；1工区的工区级语音报警器5收到该条文本信息后，对其进行解析并生成对应的音频信号通过功放驱动扬声器6进行播报，完成铝电解槽阳极效应的报警过程。

本发明的语音报警可快速、稳定、精确地将位置定位至具体的工区中，并不影响到其余任何工区，不会造成故障报警的遗漏。此外，由于本发明中的故障信息、提醒和通知全部采用文本文字内容进行完整准确表述，由厂级交换机3经过工业以太网协议传输至工区级交换机4，再在传输至工区级语音报警器5，从而实现故障与报警信息的高效精准全分布式传播，而由于文本文件数据量远小于音频文件，可以达到较快速的故障信息投送。所以采用此报警系统的铝电解系列，可更加高效、精准的实现铝电解异常信息的精准定位与报警，从而将报警信息及时传达，避免生产过程的安全事故的发生。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。