工业无线电磁环境白皮书——有色金属制造行业.pdf
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1、工业无线电磁环境白皮书工业无线电磁环境白皮书有色金属有色金属制造制造行业行业(2022023 3 年)年)工业互联网产业联盟(工业互联网产业联盟(AIIAII)2022023 3 年年 1212 月月前言前言我国有色金属冶炼和加工原料品质波动大,冶炼和加工工艺复杂,产品精度要求高,生产运行速度快和物流调度频繁,在企业已有自动化、信息化建设基础上,需要推进互联网、大数据、人工智能、5G、边缘计算、虚拟现实等前沿技术应用,实现设备、物料、能源等制造要素数字化汇聚,网络化共享和平台化协同,具备在工厂层面全要素数据可视化在线监控,实时自主联动平衡和优化的能力,建成全流程自动化产线,集产品质量全生命周期
2、管控,精细化能效管控,供应链协同优化运营于一体,促进企业转型升级,建成有色金属智能冶炼和加工工厂,提升企业综合竞争力和可持续发展能力。针对有色金属冶炼智能化需求,设备工作电磁环境又比较复杂,需要对有色金属行业工作场景做全面分析和研究,本白皮书重点介绍电解铝行业的电磁环境专项研究成果。编写组成员编写组成员(排名不分先后):倪冬兵、赵维铎、赵洪涛、辛毅、郭伟、刘嘉、仇亚男、陆志恩、李永彪、曹蓟光、管子健、黄颖、安岗、刘京领、万占永、王攀、李建、王省伟、黄琦、曾育新、陈震、赵亚辉、谭宏凯、颜非亚、杨涛、吴道林、张晔、王培牵头编写单位:中兴通讯股份有限公司参与编写单位:中国信息通信研究院中国联合网络通
3、信有限公司研究院云南神火铝业有限公司新疆神火煤电有限公司贵阳铝镁设计研究院有限公司目录一、有色金属智能制造背景及应用场景.1(一)有色金属智能制造发展与应用场景.1(二)有色金属智能制造优势和价值.2(三)有色金属智能制造电磁环境分析的必要性.3(四)金属铝智能制造电解分厂无线电磁环境关键应用场景.5二、金属铝智能制造电解分厂电磁环境分析.7(一)电解分厂电磁噪声特性分析.7(二)金属铝智能制造电解分厂信道特征分类分析.11三、工业无线通讯解决方案建议.19(一)金属铝智能制造电解槽车间无线解决方案建议.19(二)有色金属智能制造常见问题解决方案建议.20(三)小结.24四、缩略语.24五、参
4、考文献.251一、有色金属智能制造背景及应用场景(一)有色金属智能制造发展与应用场景近年来,全球制造业正走进数字化、智能化时代,而有色金属市场结构产能过剩、市场供求失衡等矛盾和问题亟需解决,新时代下,发展方式开始从规模速度型向质量效率型转变,结合中国制造 2025,发展智能制造,解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题,提高资源利用效率,劳动效率,实现资源优化、效益最大化生产方式,达到本质安全、环保达标、质量保证、效率提高、环境优良、能效领跑、劳动强度和成本降低的目标。有色金属智能制造是指以新一代信息技术为手段,信息应用为支撑,实现工厂基础设施优化、开发管理精细化、功能服务专业化和产
5、业发展智能化的综合发展。在有色金属行业中,由于有色金属种类繁多,工厂管理难度大,产业链分散,一直没有系统化的完整智能制造体系,对于智能化的有色金属行业互联网,智能制造系统应用场景分为以下三个部分。集中化监管集中化监管应用场景:应用场景:通过集中化监管,能够将不同种类或不同地区的有色金属工业集中分析处理,实现资源共享,这样不仅能够减轻逐个分析的负担,更能显著提高工作效率和工作质量,随着有色金属冶炼技术进一步提高,处理的数据必将大幅增加,相应的对集中监管系统的要求也随之增加。远程控制远程控制应用场景:应用场景:有色金属智能制造要实现自动化控制,关键步骤是实现远程控制,例如,通过 5G 摄像头+机器
6、视觉平台,对有色金属工厂实时状况进行图像传递,通过远程控制台对现场的设备进行操作控制,达到远程检查控制的效果,同时也能保证设备与机器的稳定运行和正常工作。2现现场监管场监管应用场景:应用场景:现场监管应用是确保有色金属智能制造系统能够正常运作,通常一个控制命令的完成,最终都以现场监管系统运转作为结束指令,利用集控边缘云技术+5G 云化 PLC 技术,可以将已有的现场 PLC 网关,进行现场监管,拉远控制,建立具有高精度、响应时间短、多方协同的现场监管模式。(二)有色金属智能制造优势和价值智能制造具有很长的产业链,上游通过智能设备实现工业大数据收集,再通过中游工业互联网平台进行数据处理,然后在下
7、游企业中进行应用,随着科技的发展,5G、边缘计算、大数据、工业人工智能和数字孪生等新一代 DICT 技术也逐渐成为有色金属智能制造的关键技术,其优势和价值体现在如下方面。网络全覆盖化网络全覆盖化:有色金属工厂信息基础设施建设主要沿着“宽带、融合、泛在、安全”的方向发展,不断夯实宽带网络建设,促进整个工厂有线网络、无线网络、物联网络、安防网络等各类网络全面融合。平台集约化平台集约化:数字平台是融合技术、聚合数据、赋能应用的机构数字服务中枢,以智能数字技术为部件、以数据为生产资源、以标准数字服务为产出物。通过集约型的数字平台,融合云计算、大数据、视频技术、物联网、人工智能等新兴技术,持续整合,将整
8、个有色工厂的技术能力封装在平台内,为有色工厂高质量持续健康发展和运营提供技术支撑,打破各厂之间的壁垒,方便信息交互,同时降低标准服务接入壁垒,促进线上线下聚集性及集约性,提升整体生产效率。3应用智能化应用智能化:利用信息技术,合理使用相关数据进行应用创新,构建“开放、共享、高效、智能”的平台,从被动响应到主动预防,进行实时业务创新,促进有色工厂智能化发展。环境生态化环境生态化:为顺应低碳环保、节能减排的潮流,有色金属行业智慧工厂建设将会更加注重高新技术、绿色节能、生态环保型产业的发展,有色金属行业智慧工厂融入低碳管理理念,将新技术、管理手段、管理平台与工厂的创新结合在一起。管理智慧化管理智慧化
9、:有色金属行业工厂利用生产设备网络化、生产数据可视化、生产文档无纸化、生产过程透明化、生产现场无人化等先进技术,打造优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产管理环境,从而建立基于工业大数据和“互联网”的智慧工厂,使工厂资产效率、生产质量得以提高,制造工艺持续改进,企业成本降低,生产过程更加安全,生产管理的可持续性保持良好态势。(三)有色金属智能制造电磁环境分析的必要性与商用和民用无线通信环境相比,工业无线通信电磁环境更加特殊和复杂,这对于无线通信的信号传播有很大影响。从信息论角度看,无线通信传输效率、质量及应用效果主要受两个因素制约,一是传输链路的信噪比,二是传输的信道特征,移动无线通信系统的传输速
10、率和传输质量最终都要受到无线信道和噪声制约,只有在充分研究所设计系统的信道和噪声特性后,才能采取与之相适应的各种物理层技术,如最佳的调制方式和编码交织方式、均衡器的设计,或者 MIMO、OFDM 系统中的天线配置选择和子载波分配等,从而充分挖掘该系统的容量,并进一步优化系统性能。无线信道模型是人们对无线传播环境及其传播特性的一个抽象描述,无线信道的传播特性是构建移动无线通信系统的基础部分,其在无线通信系统从设计评估到标准化以至到最终部署各个环节中,4都有重要的作用,当新的无线传输技术和理论被提出时,往往使用信息论工具进行推导验证,从而为新技术提供理论依据、性能极限。在无线传输技术研究、设计以及
11、标准化阶段,都需要对各种候选方案进行性能评估。评估阶段所使用信道模型的准确性与否直接决定了仿真结果的可靠性、准确性。因此,在移动通信技术的评估过程中,各个标准化组织非常重视评估信道模型标准化工作。在实际无线通信系统部署中,需要根据实地无线传播环境进行网络规划,容量优化,盲区覆盖等工作,准确的信道模型(特别是路径损耗和阴影衰落模型)可以使网络部署、规划的工作更加准确和有效,从而提升无线网络覆盖能力,从传输链路信噪比来看,在常规无线通信中信噪比的定量使用中,通常使用加性高斯白噪声,即噪声的功率谱是一个常数。有色金属冶炼工厂在设备工作时会辐射大量的电磁噪声,这时会出现突发的脉冲噪声,这些噪声可能在功
12、率谱形状、生命周期等方面和传统的加性高斯白噪声有着较大的不同,会导致正常的通信信号受到干扰,数据包无法按时准确传送到接收端。从信道特征来看,不同的有色工厂车间由于工艺和产品各不相同,车间内各类物理条件、设备等吸收和反射能力有很大差异,导致信道传播特征(包括路径损耗,多径分量等)均表现不同。工业环境中大型设备的密度、电力谐波、金属类器材与材料密度以及各种传播阻碍物的数目,对于无线通信信号的传输至关重要,轧机、机械臂等金属障碍物会对电波传输损耗造成影响,金属设备在电波传播中会形成较强的镜面反射和散射,从而产生更多强度较大的多径分量,工业自动化中的机械臂转动、机器人运输移动等运动因素会让无线信道同时
13、具有时变特性,这些特殊的信道特征都将对信号传输、网络性能产生影响。因此,需要对典型有色金属冶炼工厂场景的电磁环境进行分析研究,了解干扰源噪声特性,并根据实际生产环境、特点以及工业5性质来提取无线信道参数,从而进一步规划通信频段,指导建网,支撑无线技术的空口设计,性能评估和优化等,更好地保障有色金属智能制造工厂无线通信应用在智能制造领域的可靠性,推动行业高质量快速发展。(四)金属铝智能制造电解分厂无线电磁环境关键应用场景近年来,随着铝电解工艺技术的创新发展,我国铝电解企业的建设向规模化、容量大型化、髙效环保 节能方向发展。其目的是降低吨铝投资、提高劳动生产率、给铝厂带来最大的经济效益。目前国内投
14、产运行的最大容量的电解槽达到 620 kA,500 kA、400 kA和 300 kA 槽型是产能最多的三个槽型,目前我国在建或拟建项目中,约 95%以上的产能采用 500-600 kA 槽型,未来大容量、髙效节能槽型的产能占比将越来越大。随着电解槽容量的增大,系列电流强度不断增加,电流强度越高,铝电解槽内部及周围的静磁场就越大。由于生产的需求,铝电解槽内部的磁场得到精心的设计和严格的控制,但槽周围环境磁场一直未受到关注。电解铝厂是生产铝的主要场所,从当前的生产实践分析来看,电解铝生产现场环境具有特殊性,因为其生产环境是强电场和强磁场并存的,在这样的特殊环境下,为了实现电解铝厂无线通信网络的稳
15、定,必须要对电磁干扰问题做分析和解决。电解分厂的任务是生产出合格的铝液,采用的工艺主要是冰晶石-氧化铝熔盐电解法,该工艺是由美国的霍尔和法国的埃鲁 1886年分别申请的世界专利,主要经济指标包括:电流效率、氧化铝单耗、直流电单耗、可比交流电耗、阳极毛耗、氟化盐单耗。主6要设备包括:整流供电机组、电解槽、多功能机组等,电解分厂设备实景如图 1-1。图 1-1 电解分厂设备实景电解铝的工艺原理如下,氧化铝溶解在熔融冰晶石熔体中,形成具有良好导电性的均匀熔体,采用碳素材料做阴阳两极,当通入直流电后,即在两极上发生电化学反应。在阳极上产生阳极气体,阴极上析出液态铝,用真空抬包周期性从电解槽吸出,送铸造
16、分厂铸重熔用铝锭。电化学反应过程中,阳极不断消耗,阳极母线不断下降,要进行阳极更换和母线提升作业,另外通过计算机控制,利用超浓相输送向电解槽定时添加氧化铝、氟化铝,保证生产连续平稳运行,对应的工艺流程如图 1-2。图 1-2 工艺流程铝电解生产操作包括:阳极更换、出铝、熄灭阳极效应、抬母线、原铝/电解质水平测量等,阳极效应是电解过程中发生在阳极上的特殊现象,随着电解质中氧化铝含量降低,电解质对阳极碳块湿润能力下降,电解反应所产生的气体排不出来,聚集在阳极下方,7形成气膜,使槽电压急剧上升,俗称阳极效应。阳极效应虽然可以洁净槽底,规整炉膛,清理阳极底掌,校正 Al2O3浓度,清洁电解质,但弊端是
17、浪费大量电耗、人力、物力,严重时烘化炉帮,使系列最大负载值增加,主要操作如图 1-3。图 1-3 铝电解生产操作(换极-出铝-运铝)铝电解槽内和槽外存在着大量自由电流及铁磁材料,如上部钢结构、钢质槽壳、钢爪、钢结构厂房等,电磁干扰会对设备元件形成影响,进而导致设备故障,因此,需要对实际磁场环境进行测量、建模、仿真,从而更好地保障有色金属智能制造工厂无线通信应用在智能制造领域的可靠性。二、金属铝智能制造电解分厂电磁环境分析(一)电解分厂电磁噪声特性分析1电解分厂电磁噪声源铝电解分厂主要生产设备为电解槽,铝电解槽分为阴极结构、阳极结构、母线结构及电气绝缘四大部分,阴极结构中槽底由上至下是一层阴极炭
18、块组,三层耐火砖、一层氧化铝粉、两层保温砖、一层硅钙板及一层石棉板。阴极炭块组由阴极炭块同埋设在炭块内的钢质导电棒构成,炭块组采取错缝排列,长和短错开,以保证槽底坚固耐久,炭块组之间用细粉糊粘接;位于阴极上方的阳极炭块及附属部件均属阳极结构,阳极结构由阳极炭块组和阳极提升机组8成,阳极炭块组由阳极炭块、钢抓、铝导杆三部组成,阳极提升机构由螺旋起重机、减速机、传动机构和马达组成,起升降阳极作用;打壳下料装置由打壳和下料系统组成,打壳装置由打壳汽缸和打击头组成;下料系统由槽上料箱、下料器组成,图 2-1 为常用的预焙铝电解槽结构。图 2-1 铝电解槽结构由于电解槽工作过程中,需要的电解电流为直流
19、300-600KA,会在电解槽周边形成强大的磁场,主要的磁场干扰源在电解槽内部主要是阳极结构和阴极结构之间,在电解槽外部主要集中在直流母线、阳极母线和导杆以及阴极钢棒上,电解槽内部强磁场大部分通过电解槽屏蔽了,这里重点研究分析的是阳极母线和导杆以及阴极钢棒对电解槽外部空间形成的磁场干扰。2电解分厂电磁特性(1)电磁辐射源随着铝电解槽电流强度的不断增加,其电流产生的磁场也越来越大。对于电解槽内部磁场,可以通过改变阴极母线的配置以及某些补偿方法来将磁场调整到合理的数值,在电解槽的工艺设计中往往会忽略大电流所产生的磁场对车间周边环境的影响。而实际上常会遇到电解车间的某些设备如天车、计算机、通信设备等
20、电子设备工作异常的问题,比如天车出现启运行困难和朝导向轮一侧跑偏;手机出现死机、花屏、黑屏等问题。单纯从理论计算来考虑这些问9题,往往由于磁场环境的不确定因素而失去其准确性。铝电解槽磁场一般由三个部分组成:a)母线电流(交直流母线、阴极棒和阳极导杆)产生的磁场;b)极块、阳极块及熔体铝液中电流所产生的磁场;c)铁磁物质(包括槽壳、钢质上部结构等)对磁场的影响。一般情况下,靠近电解槽的阴极棒和阳极导杆的空间,由于磁感线最密集,因此场强最大,其次是电解槽内部,再其次是电解槽附近的铁磁特质,总之离电解槽越远,磁场强度越小,由于电解需要稳定的电场,因此通过电解槽两极形成的是恒定强磁场,磁场源头如图 2
21、-2。图 2-2 现场磁场源头本白皮书对大型预焙阳极电解铝业公司进行环境电磁场测试分析,电解铝厂车间内经常出现手机死机、花屏、黑屏等现象,通过对现场磁场强度测量,并以此开展更加严谨和科学的行业设计和设备选型工作。(2)现场监测方案该铝业公司的四个电解分厂设施分布、供电、分段、空间等基本一致:只需一个厂区进行测试;每个厂区均分为三段,各段也基本一致:选取一段进行测试;每个工段,根据电解槽位的分布特征,均匀取 6 个槽位进行测试;每个槽位按照距离分解为 4 个点进行测试,具体为点 1:电解槽中间;点 2:过道第一道黄线;点 3:过道第二道黄线;点 4:至过道第三道黄线;每个点测量三个高度测试:40
22、CM,80CM,120CM,磁场检测仪器型号:ETL-400;频率范围:1030Hz400KHz;电场检测仪器型号:NBM-550 和 EF 0391;频率范围:100 kHz to 3 GHz。车间电解槽布局图如 2-3 所示。图 2-3 车间电解槽布局图(3)现场测量数据根据现场测量得出通电臂为磁场源头;由于场波动、槽位叠加,在厂区有限空间内,距离差异对测试到的磁场强度影响不大,高度差异对测试到的磁场强度影响不大;磁场测试值变化范围大:从几uT 到几千 uT 持续波动;电场测试值在 0.41.5V/m;测试值变化暂时找不到规律性:包括周期、次序、线性、幅度,磁场测量数据如图 2-4 所示。
23、图 2-4 现场测量数据(4)结论经过铝业电解分厂的电磁环境测试发现,现场的磁场强度非常高,测量值最大为 8200uT(6508A/m),测量值最低也达到 3710uT(2944A/m),远远大于 GB/T 17626.8 定义最高磁场应力要求1130A/m,所以对带有磁感应及霍尔元器件产品在这个电磁环境下工作影响较大。现场的电场强度较小,测量值只有 0.41.5V/m,低于 GB/T17626.3 定义通信产品最低辐射抗扰度应力要求 3V/m。(二)金属铝智能制造电解分厂信道特征分类分析金属铝智能制造电解分厂设备众多,环境复杂,尤其是电解槽等重型设备、新一代智能装备、电解工艺的固有磁场,使得
24、金属铝智能制造电解分厂形成了特有的、复杂的、多变的电磁物理环境,也为通信信道建模带来了挑战。通过对电解分厂的实地分析测试,主要提取传播损耗、频选特性、时变特性、电磁干扰等四个方面的信道特征。传播损耗是电磁波在自由空间传播过程中产生的能量损耗,直接影响接收信号功率的大小,对通信系统的可靠性有着至关重要的作用。通常情况下,自由空间路径损耗的通用表达式如下。Loss1010loglogPdf其中,为常系数,与所处的物理环境相关,d为收发端之间的距离,f为电磁波的频率。容易发现,传播损耗除了与传输距离和信号频率相关外,与物理环境也直接相关,物理空间中的遮挡越多,环境越复杂,对应的系数也越大。金属铝智能
25、制造电解分厂中重型设备的遮挡、金属外壳的反射等复杂物理环境都使得信号在传播过程中的能量损失十分严重。频选特性是多径信道中电磁波通过直射、反射、折射等不同路径传播到接收机位置时,由于每条路径的传播距离不同,因此各条路径到达接收机时的时间、相位都不相同,同相叠加信号幅度增强,反向叠加信号幅度削弱。对于目前 5G 的多载波系统而言,不同频率的信号在经历相同的多径后,由于本身信号频率的不同,传播相同12距离下的相位的旋转程度也不相同,导致不同频率的信号有些正向叠加,有些反向相消,最终信号在不同频率上幅度呈现有选择的衰落,因此叫做频率选择性衰落。频选特性是最为典型的小尺度衰落之一,其本质上是由多径效应引
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