铝电解换极作业智能控制系统

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2024-03-12 17:26:55

权利要求书： 1.一种铝电解换极作业智能控制系统，其特征在于，包括依次信号连接的应用层、中间层和执行层，应用层用于接收用户输入的控制参数并下传给中间层，中间层将从应用层接收到的控制参数下发至执行层及将执行层采集的数据上传至应用层，中间层为通信调度系统，中间层通过应用层和执行层的信息交互生成换极作业流程最优策略，执行层根据中间层下发的最优策略控制换极作业；

执行层包括相互信号连接的机组模块和视觉测量模块，视觉测量模块用于对需更换阳极进行扫描拍照并将扫描结果反馈给机组模块，机组模块根据视觉测量模块的扫描反馈结果对大车小车位置、起升高度及回转角度进行调整，完成换极操作。

2.根据权利要求1所述的铝电解换极作业智能控制系统，其特征在于，应用层具有客户端和APP端两种端口输入输出模式。

3.根据权利要求1或2所述的铝电解换极作业智能控制系统，其特征在于，应用层采用springboot框架的四层架构，包含web层、service层、Dao层和数据存储层，数据存储层使用MySql数据库。

4.根据权利要求3所述的铝电解换极作业智能控制系统，其特征在于，应用层包括信号连接的展示模块和传输终端模块，展示模块包括首页展示模块和大数据展示模块，首页展示模块用于展示当前工作流程，大数据展示模块用于实时获取天车点位指标信息、确定天车状态、监控大小车起升位置信息及当前流程变化；传输终端模块用于存储和交互作业流程数据。

5.根据权利要求4所述的铝电解换极作业智能控制系统，其特征在于，首页展示模块根据操作人员输入的指令将指定坐标点位信息进行存储，更新采集传输终端模块存储的指定坐标数据，以控制和监控换极作业流程。

6.根据权利要求4所述的铝电解换极作业智能控制系统，其特征在于，大数据展示模块根据当前天车运动轨迹和天车当前情况点位值，形成3D动画效果。

7.根据权利要求6所述的铝电解换极作业智能控制系统，其特征在于，大数据展示模块还可通过采集天车指标数据进行整体存储，通过大数据分析，实现智能控制系统的运维管理。

8.根据权利要求4所述的铝电解换极作业智能控制系统，其特征在于，应用层还包括业务监控模块，业务监控模块包括摄像头并通过摄像头对天车运行的流程业务进行安全监控。

9.根据权利要求8所述的铝电解换极作业智能控制系统，其特征在于，应用层还包括安全管理模块，业务监控模块通过以太网把摄像头采集的视频信号发送至智能控制系统的中控室，在中控室进行视频展示，业务监控模块和安全管理模块信号连接。

10.根据权利要求1所述的铝电解换极作业智能控制系统，其特征在于，视觉测量模块包括视觉扫描设备，视觉扫描设备用于确定阳极导杆卡孔的实际位置和偏移角度。

说明书：铝电解换极作业智能控制系统技术领域[0001] 本发明属于铝电解技术领域，具体地，涉及一种铝电解换极作业智能控制系统。背景技术[0002] 传统铝电解行业存在以下问题：1、电解铝车间工作环境恶劣，存在多种职业病隐患；2、作业复杂、劳动强度大、存在安全事故隐患；3.自动化程度低，以人工操作和机械辅助

结合的作业模式，人工经验依赖度高，操作存在随意性等，造成产品质量不可控、生产成本

高、资源消耗大等不良后果；4.信息化程度低，电解铝生产过程中的换极槽号极号数据、测

高对换极产生影响的质量评定、出铝量等重要生产数据的记录靠人工记录或不记录。

[0003] 公告号为CN106811772B的专利公开一种铝电解槽自动换极系统及其换极方法，但其主要从结构硬件设置上来实现换极，在机械工程全面信息化的今天，如何采用大数据对

铝电解换极流程实现全面控制，以进一步解放人力、提升电解效率成为了亟待解决的问题。

发明内容[0004] 本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种全面自动化、信息化、高效率的铝电解换极作业智能控制系统。

[0005] 本发明的目的通过以下技术方案实现：[0006] 一种铝电解换极作业智能控制系统，包括依次信号连接的应用层、中间层和执行层，应用层用于接收用户输入的控制参数并下传给中间层，中间层将从应用层接收到的控

制参数下发至执行层及将执行层采集的数据上传至应用层，中间层为通信调度系统，中间

层通过应用层和执行层的信息交互生成换极作业流程最优策略，执行层根据中间层下发的

最优策略控制换极作业；

[0007] 执行层包括相互信号连接的机组模块和视觉测量模块，视觉测量模块用于对需更换阳极进行扫描拍照并将扫描结果反馈给机组模块，机组模块根据视觉测量模块的扫描反

馈结果对大车小车位置、起升高度及回转角度进行调整，完成换极操作。

[0008] 进一步地，应用层具有客户端和APP端两种端口输入输出模式。[0009] 进一步地，应用层采用springboot框架的四层架构，包含web层、service层、Dao层和数据存储层，数据存储层使用MySql数据库。

[0010] 更进一步地，应用层包括信号连接的展示模块和传输终端模块，展示模块包括首页展示模块和大数据展示模块，首页展示模块用于展示当前工作流程，大数据展示模块用

于实时获取天车点位指标信息、确定天车状态、监控大小车起升位置信息及当前流程变化；

传输终端模块用于存储和交互作业流程数据。

[0011] 再进一步地，首页展示模块根据操作人员输入的指令将指定坐标点位信息进行存储，更新采集传输终端模块存储的指定坐标数据，以控制和监控换极作业流程。

[0012] 再进一步地，大数据展示模块根据当前天车运动轨迹和天车当前情况点位值，形成3D动画效果。

[0013] 还进一步地，大数据展示模块还可通过采集天车指标数据进行整体存储，通过大数据分析，实现智能控制系统的运维管理。

[0014] 更进一步地，应用层还包括业务监控模块，业务监控模块包括摄像头并通过摄像头对天车运行的流程业务进行安全监控。

[0015] 再进一步地，应用层还包括安全管理模块，业务监控模块通过以太网把摄像头采集的视频信号发送至智能控制系统的中控室，在中控室进行视频展示，业务监控模块和安

全管理模块信号连接。

[0016] 进一步地，视觉测量模块包括视觉扫描设备，视觉扫描设备用于确定阳极导杆卡孔的实际位置和偏移角度。

[0017] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：[0018] 本申请通过应用层、中间层和执行层相互之间的信息交互，快速确定换极目标，结合生产库区实际情况生成最优换极策略，自动完成换极作业。换极全过程中只需人工输入

参数或监控等，操作简单，换极作业效率高，减轻了人工劳动强度，提高了生产作业的安全

性，降低了企业生产成本，且换极过程控制精准。

附图说明[0019] 图1为实施例1所述铝电解换极作业智能控制系统的软件结构图；[0020] 图2为实施例1所述铝电解换极作业智能控制系统的硬件布局示意图。具体实施方式[0021] 下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实

施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员

来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

[0022] 实施例1[0023] 一种铝电解换极作业智能控制系统，包括依次信号连接的应用层、中间层和执行层，如图1所示，应用层用于接收用户输入的控制参数并下传给中间层，应用层具体采用

springboot框架的四层架构，包含表示层(web层)、业务逻辑层(service层)、数据访问层

(Dao层)和数据存储层，数据存储层使用MySql数据库，web层负责前端展示和用户请求的处

理，service层实现核心业务逻辑和事务控制，Dao层重点负责数据库访问，完成持久化功

能，数据存储层主要服务资源和数据的存储；中间层主要用于应用层和执行层之间的通信，

将从应用层接收到的控制参数下发至执行层及将执行层采集的数据上传至应用层，中间层

具体为通信调度系统，通过TCP、HTTP、OPC建立通信，通过应用层和执行层的数据信息交互

生成换极作业流程最优策略，执行层则根据中间层下发的最优策略控制换极作业。

[0024] 执行层包括相互信号连接的机组模块和视觉测量模块，视觉测量模块用于对需更换阳极进行扫描拍照并将扫描结果反馈给机组模块，为机组模块完成换极作业工序时提供

准确的位置信息。视觉测量模块包括视觉扫描设备，视觉扫描设备主要扫描确定阳极导杆

卡孔的实际位置和偏移角度，机组模块根据视觉测量模块的扫描反馈结果对大车小车位

置、起升高度及回转角度进行调整，完成换极操作。

[0025] 为便于工作人员即时对智能控制系统进行操控和监控，应用层具有客户端和APP端两种端口输入输出模式，客户端适用于PC计算机和PAD平板电脑，APP端适用于智能手机。

[0026] 应用层包括信号连接的展示模块和传输终端模块，展示模块包括首页展示模块和大数据展示模块，首页展示模块用于展示当前工作流程，操作者可以实现对当前流程的管

理控制，操作人员输入指令，将指定坐标点位信息进行存储，更新采集传输终端模块存储的

指定坐标数据，以控制和监控换极作业流程。大数据展示模块用于实时获取天车点位指标

信息、确定天车状态、监控大小车起升位置信息及当前流程变化，具体地，还可根据当前天

车运动轨迹和天车当前情况点位值，形成3D动画效果；传输终端模块用于存储和交互作业

流程数据，传输终端模块分为两部分：一是与控制系统相关的数据采用OPC?DA通讯协议，通

过OPC服务器，如：KEPSERER，与机组模块PLC建立通讯，实时与PLC进行通讯，交互作业流程

相关的数据，在局域网内对作业流程进行控制和监控；二是与设备、流程状态相关数据通过

边缘设备，如物联网关，预先配置物联网关，将PLC上需采集的数据物理地址配置到物联网

关内，物联网关在经由4G网络，采用MQTT协议将数据送至远端云服务器，可以远程监控作业

现场的运行情况，3D动画展示所需的数据来源于此。

[0027] 大数据展示模块还可通过采集天车指标数据进行整体存储，通过大数据分析，对设备出现的一些常见问题进行整理，在大数据分析下实现对设备(即天车)预测性维护功

能，为故障设备提供相应的智能解决方案，实现智能控制系统的运维管理，极大地降低成

本，提高效率。

[0028] 应用层还包括业务监控模块和安全管理模块，业务监控模块包括摄像头并通过摄像头对天车运行的流程业务如换极的整体过程进行安全监控，保证设备在安全的前提下高

效地执行流程任务，业务监控模块则通过以太网把摄像头采集的视频信号发送至智能控制

系统的中控室，在中控室进行视频展示，业务监控模块和安全管理模块信号连接，安全管理

模块包括摄像头和/或激光扫描传感器等，这些摄像头或激光扫描传感器主要用于工作区

域的状态检测，设备工作状态的监测，工作区域是否有无关人员的误闯入等等，结合业务监

控模块的数据，如果发生违反安全规范的场景、操作或设备工作故障，安全管理模块会及时

记录相应日志，并根据安全级别发出安全告警或紧急急停。

[0029] 中间层在生成换极作业流程最优策略后下发至执行层，机组模块在收到该策略后，在保证安全的前提下执行策略，具体换极策略为：通信调度系统根据先进先出原则确定

换极目标(先进先出以实际工作时长为标准)，确定坐标点发给中间层，中间层收到目标点

以后，结合实际库区情况(规避路径矩阵中的障碍物)，对大小车、起升机构作出动作策略，

如执行大小车、起升联动操作或是串行操作。当设备达到指定位置以后，启动视觉扫描设

备，对所要更换的阳极进行扫描拍照，确定要更换的阳极导杆卡孔的实际位置以及偏移角

度，根据视觉扫描反馈结果对大小车位置，起升高度以及回转机构角度进行微调整，确保阳

极夹具能准确夹住阳极导杆的卡孔。

[0030] 图2示出了智能控制系统的硬件布局示意，图中工控机和服务器为应用层，交换机为中间层，视觉测量模块、铝电解多功能机组(PLC)为执行层，交换机通过无线通信实现作

业区和办公区的信息交互。

[0031] 机组模块需要进行的换极作业工序主要包括：大车行走、小车行走、工具回转、打壳、扭拔残极、测高、放残极、捞渣、卸渣、抓新极、装新极。下面对本申请智能控制系统对一

次换极作业全流程的控制过程说明如下：

[0032] 开始换极→明确天车工作模式→明确并执行大车位置→明确并执行小车位置→明确并执行回转工具位置→单点打壳结束倾斜油缸收回→明确并执行回转工具位置→油

缸下降→视觉下降→大小车、工具回转到位→视觉上升→打壳倾斜油缸伸出→打壳倾斜油

缸溢出阀压力判断到位→单点打壳执行→工具收回→明确并执行工具位置→夹具油缸快

下降→视觉下降→大小车、工具回转到位→视觉收回→夹具打开、油缸慢下降→夹具闭合、

夹具油缸微小上升→拧头油缸下降→扭转执行x秒→拧头油缸收回→自动提升→大车移动

→小车移至出铝端→残极测高→大小车、工具回转到位→夹具油缸下降→夹具打开→夹具

升降油缸，收回夹具关闭→回转工具位置→油缸下降预设高度→抓斗打开→油缸下降→水

平抓取→油缸上升预设位置→油缸上升→大车移动→小车移至出铝端→大小车回转调整

(移至渣箱)→抓斗收回、关闭→回转工具位置→夹具油缸快下降→视觉下降→视觉回收→

夹具打开→油缸慢下降→夹具闭合→油缸上升→新阳极测高→大、小车、工具回转到位→

夹具油缸下降预设高度→视觉部件下降预设高度→安装路径→自动挂机→夹具油缸下降

(h1)→拧头油缸分段下降(h2)→扭矩执行→拧头油缸收回→夹具打开→夹具升降油缸收

回、夹具关闭→料嘴回转→大小车移动到位→料嘴下降预设位置→下料阀开启x秒→料嘴

提升?换极完成。本段中“扭转执行x秒”“夹具油缸下降(h1)”“拧头油缸分段下降(h2)”中的

“x”“h1”“h2”均是代指某个数值，不构成本申请控制系统的结构关系。

[0033] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还

可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在

本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要

求的保护范围之内。