1. 引言
在铝电解生产过程中，广播系统一般用于自动广播通知电解工人及时处理铝电解过程出现的生产工艺参数异常及控制系统故障(如效应、槽压偏高、机器故障)、人工广播干预生产操作、播报通知等。目前国内铝电解生产企业广播系统通常采用单一模拟功放广播的模式，即每一台上位机将预先人工录入的故障信息或人工播报信息通过音频输入至一台定压模拟功放降噪、信号放大后，输出到电解现场无源音柱进行广播报警，这种方式不但布线复杂，而且不能实现分区及远程广播。
随着计算机网络的广泛使用和网络技术的不断发展，电解槽控制系统的结构正朝着网络化方向发展。目前，几乎所有铝电解厂不管从计算站到生产车间，而是各部门之间都有以太网连接，因此为了适应铝厂网络化模式，相应地传统的广播模式也将向网络控制方式进行转换。
2. 网路语音自动分区广播系统组成
网络语音自动分区广播系统是以现有成熟的工业以太网技术为基础，利用现代化计算机技术、微处理技术、语音编解码技术及数字功放技术集合而成的新型语音广播系统。此广播系统由一台计算机(监控机，安装网络语音自动分区广播软件)、交换机、光纤收发器、若干个语音播报器(包括语音解码器及定压功放两个部分)组成，利用现有的硬件设施，实现广播信号远程分区传输，无需布线，结构简单，维护方便。
(1)计算机语音播报上位机软件。计算机语音播报上位机软件由自动语音分区播报、语音文件播报、人工语音播报及状态显示四部分组成，语音播报软件界面如图1所示。
自动语音分区播报是计算机软件自动读取数据库中实时电解槽故障代码，将所对应的故障语音文件通过以太网传输到相应工区耳房中的网络语音播报器进行解码并放大，实现故障信息的远程自动分区广播;
语音文件播报是人工选择已经下载或录制好的.WAV格式的歌曲及语音文件，在特定的时候点击开始播报按钮，将选择好的语音文件通过以太网向特定工区播报相关信息;
人工语音播报需要计算机操作人员通过语音软件设置界面选择人工广播功能及所需要广播的工区，点击开始语音播报，语音播报软件自动将输入计算机音频信号进行编码录制成.WAV格式的文件，并将录制好的语音文件通过以太网实时传输到相应工区的语音报警器进行解码播报，实现与人工喊话同步播报，以达到远程人工分区广播功能。
状态显示包括故障信息提示及工区通讯显示，故障信息提示自动语音播报正在播报的电解槽故障代码;工区通讯显示语音播报软件与每个工区语音报警器之间的网络连接情况。
图1 语音播报上位机软件界面
(2)语音编解码器。语音编解码器以32位ARM9微处理STM32F407作为中央控制单元，包括语音编解码电路、语音自动合成电路、以太网通信电路、小功率音频放大电路、存储电路、按键及显示电路六部分组成，原理图2所示。语音编码器主要负责接收上位来的数字音频信号及握手协议，并将数字音频信号解码成相应的模拟音频信号输出，送入定压功放进行放大。
语音编码电路用于将音频输入及麦克风输入信号进行编码成数字语音格式，通过以太网发送到用户终端，同时可以将接收到的以太网数字语音文件解码成模拟语音文件格式输出。在本文中设计两路输出，一路直接输出，用耳机可以收听到播报的声音，令一路与小功率音频放大电路相连，对解码电路输出模拟小信号进行适当放大，再送入定压功放进一步放大，以驱动音柱工作。
语音自动合成电路由专门的语音合成芯片及相关的外围电路组成，通过DBK编码方式将数字信号直接合成语音文件输出，与解码电路输出一并输出到小功率音频放大电路进行放大，用于系统运行状态自动告警，如以太网连接失败、语音播报故障等自动告警。
小功率放大电路用于对模拟音频输入及合成语音信号进行适当放大，以达到定压功放输入级对输入信号要求，并驱动一个8欧姆1W小喇叭。
存储电路用于存储语音合成信号的音量大小、语速快慢，以太网设置的相关参数(如IP、网关)以及需要播报的语音信息等。
按键及显示电路用于以太网IP、网关设置，音量大小、语音快慢调节及语音播报器的状态显示。
图2 语音编解码器原理
(3)定压功放。将语音解码器生成的模拟小信号进行放大，产生一个电压为100V、500W的音频信号输出信号，驱动车间里的音柱发出声音。
3. 网路语音自动分区广播系统在铝电解车间的实际应用
网路语音自动分区广播系统在铝电解厂网络拓扑结构如图3所示，光纤需要从计算机机房铺设到车间的每一个耳房，每个耳房里面有一台接口机及一台语音报警器，负责一个工区的语音广播及电解槽参数监控，每台语音报警器可以驱动本区的若干个播报音柱。由于大部分厂家需要将电解槽工艺参数及操作信息传输独立一根光纤传输，因此到耳房的光纤线为8芯光纤，其中4芯光纤用于接口机与数据库数据通信，以便生产人员查看槽控机相关参数;另外4芯光纤用于传输数
字音频信号，播报耳房所对应工区的语音信息。
图3 网路语音自动分区广播系统在铝电解厂网络拓扑结构
按照图3布局搭建硬件平台，设置好每个耳房中网络语音播报器的IP地址及网关，使其与监控机在同一个网段内，且IP地址各不相同，运行语音播报上位机软件程序，配置好上位机相应的IP、网关、每个工区电解槽号及语音播报信号优先级等，系统就会自动正常运行。当监控机接收到某个区电解槽有异常情况，上位机软件立即将相应告警信息数字语音文件通过以太网发送到相应区进行广播，实现语音自动分区广播。当遇到特殊情况需要人工喊话时，操作员只要通过语音播报上位机软件界面选择相应的工区及人工广播开始，上位机软件将喊话内容编码成数字语音文件实时传输到相应工区进行广播，实现人工分区广播。另外本系统可以实现人工分区播报下载或录制的语音文件及歌曲。
4. 结论
网路语音自动分区广播系统充分利用了电解铝厂现有互联网硬件设备，无需另外布线，就可以实现告警信号自动分区广播、人工分区广播及语音文件广播等功能。与传统单一模拟功放广播模式相比，布线简单，传输距离远以及多区同时广播且互不干扰等特点。
声明：
“网路语音自动分区广播系统在铝电解车间中的应用” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：中国铝业兰州分公司电解二厂电算站
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2024年11月16日 ~ 18日 
