韩圆勋，钱晓耀

（中国计量学院质量与安全工程学院，杭州 310018）

0 引言

电阻炉事故是铝压铸行业发生频率最高的事故之一，这种事故主要发生在焙烧结束和生产启动过程中，或生产一段时间及槽龄超过1000天的坩埚，就易发生泄漏。泄漏处主要发生在坩埚侧部和钢棒口，如果重视不够和疏于管理、或处理不及时，则会由于铝液熔化槽壳外漏时，冲断阴极母线造成系列停产等重大事故。

现有的电阻炉中缺少直接对熔铝进行泄露检测的装置，即使有检测报警装置，也只是间接进行检测，不能第一时间检测到熔铝泄露。另外，由于铝液坩埚升温速度慢，达到熔铝要求温度不易，须24小时不停歇工作，即需要防断电检测。随着移动通讯技术的不断发展，GSM无线移动通信网络技术越来越成熟，应用领域越来越广。近年来也应用在安全防护、监控中，可监控夜间无人值守的工作设备，一旦有故障可通过手机第一时间通知相关人员，以减少事故蔓延和损失。

1 系统设计

系统设计由主控模块、安全监控模块、报警模块、存储模块、显示模块、按键模块和GSM通讯模块等多模块组成。主控模块分别控制安全监控模块、报警模块、存储模块、显示模块、按键模块和GSM通讯模块完成各自相关地操作、实现各自的功能得到预期的效果。

图1 系统总体设计图

安全监控模块包括铝液泄露检测模块和总电源断电检测模块，铝液泄露检测模块是用来检测熔铝坩埚是否发生铝液泄漏，总电源断电检测模块是用来判断熔铝坩埚的主电源是否断电而设计的检测模块，这两个检测模块在系统设计中有着重要的地位，是确保熔铝坩埚安全生产的关键。主控模块接受铝液泄露检测模块和总电源断电检测模块的24小时不间断的实时检测信号，当主控模块接收到熔铝坩埚发生铝液泄露信号或控制它的总电源断电信号时，主控模块会及时控制报警模块和GSM通讯模块发出报警操作，即通过GSM通讯模块向指定移动终端发出报警信息及控制报警灯及时发生现场声光报警；同时利用存储模块将历史报警时间存储到TF卡存储器中。

此外，显示模块是用于显示热电偶测量的温度值和时间，按键模块具有切换数码管显示内容、模拟报警操作、查看历史报警时间记录等功能。系统总体设计图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 主控模块

本系统主控模块采用的芯片是STC15F2K60S2单片机，它是增强型8051内核的单片机，速度比传统8051内核单片机快8-12倍；内部存储也有极大地提高，具有60KB的Flash程序存储器、1KB的数据存储器，对系统程序的编写提供了一个良好的环境；器件具有42个双向I/O口，可以连接更多的外设和传感器使系统功能更多样化和完善，为用户提供更好地体验效果。总体上STC15F2K60S2单片机具有接口简单、方便使用、功能强大等优点，并且成本低，所以能为本系统提供高灵活、超高效的解决方案。

2.2 安全监控模块

安全监控模块是本系统设计的重中之重，它要24小时不停歇的对熔铝坩埚是否发生铝液泄露和控制坩埚的主电源是否断电进行检测，以达到熔铝坩埚正常运行和安全生产的目的。

2.2.1 铝液泄露检测模块

在生产现场，电阻炉高温、密封，探测铝液泄漏成为检测的关键，就目前的电阻炉而言，炉内腔与坩埚之间的夹层内都设计了一个贮液仓，这有利于检测手段的实施。

铝液泄漏作为监控及报警系统的输入条件，判断是否达到报警点，其主要工作原理：在坩埚的侧壁和底壁的连接处的下方设计一个圆形凹槽，圆形凹槽包括中心实体区域和围绕中心实体区域的周向设置的铝液承接区域，铝液承接区域上还设置了一个出口可以引出到电阻炉外部。检测模块的传感器是由四个（根据实际需要可以相应地增加数量）设置于铝液承接区域内同心且互相绝缘的导电抗高温氧化金属圆环（如镍铬合金）组成[3]，其中靠近圆形凹槽中心实体区域的第一、三根金属圆环由导线A连接通过铝液承接区域的出口电连接到单片机的引脚P3.4，第二、四根金属圆环由导线B连接通过铝液承接区域的出口电连接到单片机的引脚地上，一旦少量铝液泄露将其中两环短路，能立即引发单片机引脚电平变化，单片机上电初始化时引脚电平为高电位，当铝液泄露导致两导线短路会立即将单片机引脚电平拉为低电平，当单片机检测到特定引脚（用于检测铝液泄露的引脚）的电平为低电平时会立即控制声光报警灯进行现场声光报警且通过GSM通讯模块向指定移动终端（管理人员的手机）发出报警信息促使工作者及时处理，防止危险进一步扩大。

另外，检测模块还包括安置在铝液承接区域出口的热电偶传感器，热电偶传感器由热电偶和MAX6675芯片组合而成，能够实现自动冷端补偿，测出的温度值更精确，当铝液泄露后会导致圆形凹槽出口处的温度升高，若超过预先设定温度限值如150℃将及时发生报警操作，热电偶传感器是为了进一步确定铝液泄露事件是否发生。此模块设计示意图（电阻炉的正剖面图）如图2所示。

由于坩埚的侧壁容易开裂，铝液多从坩埚的侧壁和底壁的连接处向下泄露，所以将圆形凹槽的铝液承接区域相应地设置在坩埚的侧壁和底壁的连接处的下方，泄露检测装置的四个金属圆环设置在圆形凹槽朝向坩埚的表面上，保证泄露的铝液直接流入圆形凹槽的铝液承接区域，使其中两圆环短路发生报警做出相关操作。

2.2.2 总电源断电检测模块

总电源断电检测模块的工作原理是将电阻炉总电源与380V交流接触器的380V线圈电压的连接处相连接，然后将交流接触器的常闭触点的一端与单片机的引脚P2.4相连接，另一端与单片机的引脚地相连接，上电后单片机时刻监测引脚P2.4电平是否发生变化（是否由高电平变到低电平）。当电阻炉正常工作主电源未断电时，交流接触器的常闭触点为断开状态，此时引脚P2.4电平为高电平；当坩埚总电源断电时，交流接触器的常闭触点由正常断开状态变为闭合状态，触发单片机引脚P2.4电平变为低电平进而引发报警，进行现场声光报警和通过GSM通讯模块向管理人员发出报警信息提示总电源处于断电状态。电气连接示意图如图3所示。

图2 模块设计示意图

图3 电气连接示意图

2.3 GSM通讯模块

GSM通讯模块采用的是SIM900A模块芯片，SIM900A模块可以实现的主要功能有：语音通话、短信收发、GPRS网络数据收发、彩信收发。本系统中我们主要利用SIM900A实现短信发送功能，当单片机检测到铝液泄露或者电阻炉主电源断电信号时会及时发短信给管理人员，两个报警信号所发送的短信内容不同以便于提示工作人员具体处理相关危险。

GSM模块主要由嵌入式微处理器(CPU)、存储器、音频编解码器(声码器)、射频收发单元、电源管理、SIM卡控制器、通用外部接口(串口、I/O口、音频接口)等部分组成。GSM模块框图如图3所示。

2.4 按键模块

图4 GSM模块框图结构

此模块是为了实现系统可操作性，使用户体验更好一些，它包含了三个按键和一个钥匙开关。三个按键的功能分别是：1）调用和查看发生报警后存储到TF存储卡内的实时报警时间，显示在数码管上，便于管理人员查看历史报警时间；2）复位按键，当报警后按下复位按键可关掉报警灯，使整个系统回到初始位置；3）切换按键，用来切换数码管实时显示的内容（热电偶的实时温度或者是当前时间）。钥匙开关视为自检开关，正常运行时打开开关会发生报警操作，即声光报警和短信提醒，目的是为检查电路是否有故障。

3 系统软件设计

本系统的软件设计部分包括系统初始化、铝液泄露检测、主电源断电检测、报警操作等几部分。主控模块控制铝液泄露检测模块和主电源断电检测模块24小时不停歇对铝液泄露信号和断电信号进行检测，并判断信号是否达到报警条件，若达到条件，则判定电阻炉发生铝液泄露或主电源断电，具体为何原因发生报警则可以通过短信内容得知。如果有报警信号则启动报警灯进行现场声光报警、通过GSM通讯模块向管理人员发送短信提醒同时将当前报警时间存储到TF存储卡以便于工作人员查询历史报警记录，系统程序流程图如图5所示。

图5 系统程序流程图

4 实验验证

按照上文中所述的铝液泄露检测模块的具体检测硬件设计一样，在圆形凹槽的铝液承接区域上设置四个同心且互相绝缘的导电抗高温氧化金属圆环（镍铬合金）[3]，将靠近圆形凹槽中心实体区域的第一、三根金属圆环用导线连接到单片机的引脚P3.4上，第二、四根金属圆环用另一根导线连接到单片机的引脚地上，启动装置，待装置正常工作后开始试验，将少量铝液倒入圆形凹槽中，其中两环短路，与此同时报警灯发生声光报警、间隔3秒左右管理人员接到报警短信。据工厂生产部门的工程师所述，在实际情况中坩埚发生泄漏不是爆发式泄漏而是循序渐进地渗出铝滴，铝滴由小变大流入圆形凹槽中，进一步地讲坩埚在发生泄露的最初阶段及时发现可避免事故的发生。由于炉内温度较高铝滴一直为液态在圆形凹槽中流动定会接触到金属圆环触发报警。同理，断电检测模块试验也已完成，能够达到预期目标。

5 结束语

本系统铝液泄露检测装置的圆形凹槽设置在坩埚的下方，当发生泄漏时，铝液流到圆形凹槽的铝液承接区域，将其中两金属圆环短路，导致主控模块的引脚P3.7电平发生变化触发报警操作，或安置在所述铝液承接区域出口的热电偶传感器检测的温度值超过预先设定温度限值，触发报警操作。另外，当坩埚总电源断电时，与总电源相连接的380V交流接触器的常闭触点由正常断开状态变为闭合状态，引起主控模块的引脚P2.4电平变化触发报警。与现有技术相比，该系统操作起来简单，可扩展性强，安装检测模块便利，不需要对铝液坩埚进行大规模改造，节省资源和资金。

此外，本系统综合运用了GSM网络和安全监控检测技术，实现对铝液坩埚进行实时监控并在异常情况下进行报警，从而保证了坩埚不正常工作时及时发现并立即处理防止情况进一步恶化。最后提醒一点，在实际正常生产过程中，安全监控检测报警装置一旦报警，就表示铝液坩埚漏炉事故已经发生了，此时所谓的报警仅仅起到提醒管理人员避免事故扩大的作用。

[1] 马宝山,汪海峰,李宝全.中频感应电炉漏炉报警方式的探讨[J].现代铸铁,2013,33(2):46-52.

[2] 谭浩强.C程序设计[M].清华大学出版社,2005.

[3] 杨龙.熔铝铸铁坩埚漏液报警器[J].特种铸造及有色合金,1991, (04).

[4] 张贵明.GSM/SMS实现远程控制与报警的研究与设计[J].四川师范大学学报(自然科学版),2004,27(1):102-106.