基于三维扫描的铝电解大型密封式储料仓物位精准检测系统设计

马得胜

（黄河鑫业有限公司，青海 西宁 810600）

1 概述

1.1 背景

随着铝电解行业自动化水平和节能降耗意识的不断提高，对各种物料消耗、库存盘存精准性要求越来越高。铝电解各种物料仓作为生产工艺过程的重要组成部分，连续监控料仓料位的要求变得越来越迫切。但是，如何准确可靠地测量料位是一个长期存在的问题，主要原因是各类物料仓在下料时会产生大量的粉尘、料面高低起伏现状不规则。目前行业内普遍使用的料仓料位测量仪器包括单点雷达物位计、超声波料位计、投入式重锤料位计、电容料位计等种类，但是由于生产环境比较复杂恶劣、探测介质易受到强磁场干扰，造成常规仪表测量误差大，加之单点料位计显示数据单一，只能大概反映出密封储罐内料位高度，不能准确反映出料仓储料量。

同时电解铝行业生产过程又是一种高粉尘、高磁场、易磨损环境。迫切需要一种新的、可靠的、准确性高的料仓料位检测技术和装置来解决上述问题，达到准确测量和实时监控料仓料位，为生产提供精确的过程数据。因测量技术的限制，对密封式储罐料位盘存一直困扰着企业，对储罐料仓料位的精确测量对电解槽的管理与生产、经营决策具有非常重要意义。本文对在电解铝行业中使用三维扫描仪测量技术方案进行探讨分析。

1.2 物料测量技术发展现状

电解铝行业生产过程又是一种高粉尘、高磁场、易磨损环境，目前行业内普遍使用的料仓料位测量仪器包括单点雷达物位计、超声波料位计、投入式重锤料位计、电容料位计等种类，但是由于生产环境比较复杂恶劣、探测介质易受到强磁场干扰，造成常规仪表测量误差大，加之单点料位计显示数据单一，只能大概反映出密封储罐内料位高度，不能准确反映出料仓储料量。三维扫描技术是一项测绘技术新突破。它是利用激光测距或雷达波对物位进行

全截面扫描的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破，其具有快速性，不接触性，实时、动态、主动性、高密度、高精度、数字化、自动化等特点。三维扫描技术与单点雷达技术或单点测量技术对比，可以实现仓内物料雷达阵列扫描，全息成像，可以实现体积、重量、库存计量、料位自动连锁控制等功能。三维雷达物位扫描仪是实时的监控仪表，通过配套软件随时能够显示料仓料位，体积，质量等信息。基于对市场了接及调研，市场上可以用于3维扫描的设备非常多，但基本上应用于影视制作、三维图形制作等一些环境较好场所，国产设备中几乎无法在高磁场、高粉尘、易磨损环境中使用。因此优选进口工业高频三维雷达技术，可以克服高磁场、高粉尘、易磨损技术难题，以便满足鑫业公司本次改造需求。

2 铝电解大型密封储仓三维检测技术设计

2.1 成像原理

利用三维扫描技术，多个信号传送器发射低频脉冲,并接收来自筒仓、开放仓或其它料仓内物料表面反射的脉冲回波,不仅能够监测到每个回波的时间/距离，还能监测到回波的方向。设备的数字信号处理器对接收的信号进行取样和分析,非常准确的监测出物料的物位、体积和质量,并生成料仓内物料的实际分布状况和三维立体图像，在远程电脑上显示出来。同步监测储存在各种料仓的各种固体散状物料,料仓内的物料物位，并绘制出物料随时间变化而随机形成的不规则表面状态，计算出物料的实际体积，使物位监测水平达到了新的高度，解决已有测量手段无法解决的问题。将储存在筒仓或开放仓内的物料体积、物位和质量监测合为一体并以三维图像显示出来的全新理念。

图1 扫描成像原理图

图2 扫描效果展示图

2.2 扫描仪配置数量计算

我公司共有新鲜氧化铝储仓6个，载氟氧化铝储仓6个，氧化铝缓冲仓6个，氧化铝散装料仓2个，石油焦料仓2个，煅后焦料仓2个，残极仓2个。本次设计范围为电解区域2#净化1个新鲜氧化铝储仓和1个载氟氧化铝储仓。参数如下：

单台扫描仪检测面积计算公式如下：

单台扫描面积=安装高度差×tan20°×2

单台扫描面积=（33-15）×tan20°×2=18×0.36397×2=13（米）

根据计算，对新鲜氧化铝仓和载氟氧化铝仓安装三维扫描仪数量配置如下，见表1：

表1 三维扫描仪安装地点及数量

2.3 测量介质

（1）被测介质：氧化铝；

（2）输送方法：斗提输送；

（3）环境温度，常压；

（4）现场粉尘较大；

（5）现场有磁场干扰；

（6）介质有一定粘附性。

2.4 三维雷达物位扫描仪技术参数选型

（1）功能简述：非接触是测量/调频（FMCW技术）/多点位同步扫描技术/测量物位、体积和质量；

（2）工作频率：高频电磁波，优选140GHz以上；

（3）每个通道测量精度：±3mm；

（4）体积测量精度：根据测量对象参数不同，不超过总体积的5%；

（5）环境温度：-50--+70℃

（6）工作电压：24VDC；

（7）料位信号输出：4--20mA；

（8）数字信号输出：RS-485 Modbus RTU HART；

（9）存储设置：内置实时时钟芯片，通过非易失性存储器保存调试记录，

校准数据存储和重新计算平均数值存储汇总，实现智能化料位控制输出信号。

2.5 三维雷达布置安装示意图

安装示意图见图3所示。

图3 三维雷达安装示意图

2.6 扫描仪配置

扫描仪具体配置见表2。

表2 扫描仪配置

2.7 3维雷达物位测量系统配置方案

新鲜氧化铝仓和载氟氧化铝仓料位检测信号送至2#净化集中控制室，整套3维雷达料位检测系统，从现场雷达检测，信号变送传输，到控制室的集中显示终端构成一套完成的独立系统。并预留一个4～20mA信号送至净化控制系统，用于实现生产过程控制的保护连锁。

2.8 3维雷达设备安装

根据新鲜氧化铝贮仓、载氟氧化铝仓的尺寸，经计算建议在氧化铝贮仓安装2台3维雷达物位扫描仪，载氟氧化铝贮仓安装1台。仪表安装在仓体顶部靠近中心位置。安装位置需开一个φ315的安装孔配套DN300的法兰，安装位置见图4。

图4 安装位置图

2.9 安装要求

（1）3维雷达扫描仪开孔尺寸为φ315mm安装位置下方需避开障碍物；如选定的安装位置下方或边上有横梁，我司可采取仪表下沉式安装，满足现场测量需求。

（2）扫描仪供电电压为24VDC，现场如不能够提供24VDC电源，可提供220VAC电源,将220VAC电压转换为24VDC电压。

（3）扫描仪4～20mA模拟量信号输出，可用于客户接入PLC/DCS系统，4～20mA无源信号。

（4）扫描仪RS485数字信号输出，需要在中控室集中控制器与仪表之间铺设一根2芯双绞屏蔽线，且距离不能超过800m（也可以铺设一条光纤）。然后通过RS485转换模块与3维集中控制器连接，配合3维雷达物位扫描仪专用软件完成显示3维成像或体积、质量等信息。

3 试验情况

通过数据采集后，可看出采集的数据和对比数据非常吻合，误差较小,能够适应高磁场、高粉尘环境，采集实验数据如下：

表3 采集的数据和对比数据对比表（单位：mm）

4 结束语

目前国内外在密封储罐料仓的盘存上都没有很好办法，只是使用单点料位计确定物位大体高度，预防出现安全问题。近年来3维扫描技术在医学、影视制作等领域应用目前比较广泛，工业应用方面在煤炭行业应用发展比较多，目前通过市场收集信息，电解铝领域只有1家进行试用，正在试运行阶段。该项测量技术的突破，对储罐料仓料位的精确测量对电解槽的管理与生产、经营决策具有非常重要意义。