1. 引言
在鋁電解生產過程中，廣播系統一般用于自動廣播通知電解工人及時處理鋁電解過程出現的生產工藝參數異常及控制系統故障(如效應、槽壓偏高、機器故障)、人工廣播干預生產操作、播報通知等。目前國內鋁電解生產企業廣播系統通常采用單一模擬功放廣播的模式，即每一臺上位機將預先人工錄入的故障信息或人工播報信息通過音頻輸入至一臺定壓模擬功放降噪、信號放大后，輸出到電解現場無源音柱進行廣播報警，這種方式不但布線復雜，而且不能實現分區及遠程廣播。
隨著計算機網絡的廣泛使用和網絡技術的不斷發展，電解槽控制系統的結構正朝著網絡化方向發展。目前，幾乎所有鋁電解廠不管從計算站到生產車間，而是各部門之間都有以太網連接，因此為了適應鋁廠網絡化模式，相應地傳統的廣播模式也將向網絡控制方式進行轉換。
2. 網路語音自動分區廣播系統組成
網絡語音自動分區廣播系統是以現有成熟的工業以太網技術為基礎，利用現代化計算機技術、微處理技術、語音編解碼技術及數字功放技術集合而成的新型語音廣播系統。此廣播系統由一臺計算機(監控機，安裝網絡語音自動分區廣播軟件)、交換機、光纖收發器、若干個語音播報器(包括語音解碼器及定壓功放兩個部分)組成，利用現有的硬件設施，實現廣播信號遠程分區傳輸，無需布線，結構簡單，維護方便。
(1)計算機語音播報上位機軟件。計算機語音播報上位機軟件由自動語音分區播報、語音文件播報、人工語音播報及狀態顯示四部分組成，語音播報軟件界面如圖1所示。
自動語音分區播報是計算機軟件自動讀取數據庫中實時電解槽故障代碼，將所對應的故障語音文件通過以太網傳輸到相應工區耳房中的網絡語音播報器進行解碼并放大，實現故障信息的遠程自動分區廣播;
語音文件播報是人工選擇已經下載或錄制好的.WAV格式的歌曲及語音文件，在特定的時候點擊開始播報按鈕，將選擇好的語音文件通過以太網向特定工區播報相關信息;
人工語音播報需要計算機操作人員通過語音軟件設置界面選擇人工廣播功能及所需要廣播的工區，點擊開始語音播報，語音播報軟件自動將輸入計算機音頻信號進行編碼錄制成.WAV格式的文件，并將錄制好的語音文件通過以太網實時傳輸到相應工區的語音報警器進行解碼播報，實現與人工喊話同步播報，以達到遠程人工分區廣播功能。
狀態顯示包括故障信息提示及工區通訊顯示，故障信息提示自動語音播報正在播報的電解槽故障代碼;工區通訊顯示語音播報軟件與每個工區語音報警器之間的網絡連接情況。
圖1 語音播報上位機軟件界面
(2)語音編解碼器。語音編解碼器以32位ARM9微處理STM32F407作為中央控制單元，包括語音編解碼電路、語音自動合成電路、以太網通信電路、小功率音頻放大電路、存儲電路、按鍵及顯示電路六部分組成，原理圖2所示。語音編碼器主要負責接收上位來的數字音頻信號及握手協議，并將數字音頻信號解碼成相應的模擬音頻信號輸出，送入定壓功放進行放大。
語音編碼電路用于將音頻輸入及麥克風輸入信號進行編碼成數字語音格式，通過以太網發送到用戶終端，同時可以將接收到的以太網數字語音文件解碼成模擬語音文件格式輸出。在本文中設計兩路輸出，一路直接輸出，用耳機可以收聽到播報的聲音，令一路與小功率音頻放大電路相連，對解碼電路輸出模擬小信號進行適當放大，再送入定壓功放進一步放大，以驅動音柱工作。
語音自動合成電路由專門的語音合成芯片及相關的外圍電路組成，通過DBK編碼方式將數字信號直接合成語音文件輸出，與解碼電路輸出一并輸出到小功率音頻放大電路進行放大，用于系統運行狀態自動告警，如以太網連接失敗、語音播報故障等自動告警。
小功率放大電路用于對模擬音頻輸入及合成語音信號進行適當放大，以達到定壓功放輸入級對輸入信號要求，并驅動一個8歐姆1W小喇叭。
存儲電路用于存儲語音合成信號的音量大小、語速快慢，以太網設置的相關參數(如IP、網關)以及需要播報的語音信息等。
按鍵及顯示電路用于以太網IP、網關設置，音量大小、語音快慢調節及語音播報器的狀態顯示。
圖2 語音編解碼器原理
(3)定壓功放。將語音解碼器生成的模擬小信號進行放大，產生一個電壓為100V、500W的音頻信號輸出信號，驅動車間里的音柱發出聲音。
3. 網路語音自動分區廣播系統在鋁電解車間的實際應用
網路語音自動分區廣播系統在鋁電解廠網絡拓撲結構如圖3所示，光纖需要從計算機機房鋪設到車間的每一個耳房，每個耳房里面有一臺接口機及一臺語音報警器，負責一個工區的語音廣播及電解槽參數監控，每臺語音報警器可以驅動本區的若干個播報音柱。由于大部分廠家需要將電解槽工藝參數及操作信息傳輸獨立一根光纖傳輸，因此到耳房的光纖線為8芯光纖，其中4芯光纖用于接口機與數據庫數據通信，以便生產人員查看槽控機相關參數;另外4芯光纖用于傳輸數
字音頻信號，播報耳房所對應工區的語音信息。
圖3 網路語音自動分區廣播系統在鋁電解廠網絡拓撲結構
按照圖3布局搭建硬件平臺，設置好每個耳房中網絡語音播報器的IP地址及網關，使其與監控機在同一個網段內，且IP地址各不相同，運行語音播報上位機軟件程序，配置好上位機相應的IP、網關、每個工區電解槽號及語音播報信號優先級等，系統就會自動正常運行。當監控機接收到某個區電解槽有異常情況，上位機軟件立即將相應告警信息數字語音文件通過以太網發送到相應區進行廣播，實現語音自動分區廣播。當遇到特殊情況需要人工喊話時，操作員只要通過語音播報上位機軟件界面選擇相應的工區及人工廣播開始，上位機軟件將喊話內容編碼成數字語音文件實時傳輸到相應工區進行廣播，實現人工分區廣播。另外本系統可以實現人工分區播報下載或錄制的語音文件及歌曲。
4. 結論
網路語音自動分區廣播系統充分利用了電解鋁廠現有互聯網硬件設備，無需另外布線，就可以實現告警信號自動分區廣播、人工分區廣播及語音文件廣播等功能。與傳統單一模擬功放廣播模式相比，布線簡單，傳輸距離遠以及多區同時廣播且互不干擾等特點。
聲明：
“網路語音自動分區廣播系統在鋁電解車間中的應用” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業用途，請聯系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發明人(作者)
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編輯：中冶有色技術網
來源：中國鋁業蘭州分公司電解二廠電算站
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2024年09月20日 ~ 22日 
