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WO 2007/101928 PCT/FR2007/000348
MODULE DE SERVICE PILOTABLE A DISTANCE DESTINE AUX USINES DE
PRODUCTION D'ALUMINIUM
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le
procédé de Hall-Héroult. Elle concerne plus particuiièrement le pilotage à
distance des "machines de service électrolyse" (MSE) utilisées dans les usines
de
production d'aluminium.
ETAT DE LA TECHNIQUE
L'aluminium est produit industriellement par électrolyse ignée, c'est-à-dire
par
électrolyse de l'alumine en solution dans un bain de cryolithe fondue, appelé
bain d'électrolyte, selon le procédé Hall-Hérouit. Le bain d'électrolyte est
contenu dans des cuves d'électrolyse qui comprennent un caisson en acier
revêtu intérieurement de matériaux réfractaires et/ou isolants et un ensemble
cathodique situé au fond de la cuve. Des anodes, typiquement en matériau
2o carboné, sont fixées à une superstructure pourvue de moyens qui permettent
de les déplacer verticalement, lesdites anodes étant consommées
progressivement au cours du processus d'électrolyse. L'ensemble formé par
une cuve d'électrolyse, ses anodes et le bain d'électrolyte est appelé cellule
d'électrolyse.
Les usines contiennent un grand nombre de cellules d'électrolyse disposées en
ligne, dans des bâtiments appelés halls ou salles d'électrolyse, et raccordées
électriquement en série à l'aide de conducteurs de liaison, de façon à
optimiser l'occupation au sol des usines. Les cellules sont généralement
3o disposées en ligne de sorte que des véhicules peuvent se déplacer sur une
allée de circulation le long de la salle d'électrolyse. Elles comprennent une
série
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d'anodes munies d'une tige métallique destinée à la fixation et au
raccordement électrique des anodes à un cadre anodique métallique
solidaire de la superstructure.
En fonctionnement, une usine d'électrolyse nécessite des interventions sur les
cellules d'électrolyse parmi lesquelles figurent, notamment, le remplacement
des anodes usées par des anodes neuves, le prélèvement de métal liquide des
cellules et les prélèvements ou ajouts d'électrolyte. Afin d'effectuer ces
interventions, les usines les plus modernes sont équipées d'une ou plusieurs
io unités de service comprenant un pont mobile qui peut être translaté au-
dessus
des cellules d'électrolyse, et un chariot qui se déplace le long du pont et
sur
lequel est fixé un module de service comprenant des organes de manutention
et d'intervention (également appelés outils ), tels que des pelles et des
palans. Le module de service est placé au-dessus de la zone de la cellule sur
laquelle l'intervention doit être effectuée et les outils sont amenés,
typiquement
à l'aide de bras télescopiques, sur la zone de travail proprement dite en
suivant
une trajectoire qui comprend une composante substantiellement verticale vers
le bas. Par la suite, nous noterons par X la direction du grand côté d'une
cellule,
Y la direction du petit côté de la cellule et Z la direction verticale.
Lesdites
2o unités de service sont souvent appelées "machines de service électrolyse"
ou
"M.S,E" ("PTA" ou "Pot Tending Assembly" ou "PTM" ou "Pot Tending Machine" en
langue anglaise).
Les opérations de changement d'anode requièrent à l'heure actuelle la
présence de deux opérateurs:
- un opérateur qui pilote le pont mobile et les outils de la MSE à partir
d'une cabine embarquée; ladite cabine embarquée est en général
solidaire de la MSE: elle se déplace avec la MSE et peut être mise en
place de sorte qu'elle se trouve en face et en surplomb de l'anode à
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remplacer, l'opérateur se trouvant alors en accès visuel direct de la zone
de travail;
- et un opérateur au sol qui effectue toutes les tâches délicates ou
impossibles à réaliser depuis la cabine, en raison par exemple d'une
visibilité insuffisante ou de difficultés techniques empêchant de
commander à distance un outil particulier pour une opération
spécifique donnée, Cet opérateur est exposé à des risques multiples liés
à la proximité de la cellule d'électrolyse et à la présence d'outils de
manutention, notamment les outils de la MSE qui sont situés au voisinage
io de la zone de travail.
Typiquement, au cours du changement des anodes, l'opérateur en cabine
embarquée utilise:
a) un piqueur attaché à la MSE, qui sert à briser la croûte d'alumine et de
bain
1s solidifié qui couvre généralement les anodes de la cellule,
b) une pelle à godets attachée à la MSE, qui sert à dégager l'emplacement de
l'anode, après le retrait de l'anode usée, par enlèvement des matières solides
(telles que des morceaux de croûte et de carbone et de l'alumine) qui s'y
trouvent;
2o c) une ou des pinces à anodes attachée(s) à la MSE, qui ser(ven)t à saisir
et à
manipuler les anodes par leur tige, notamment pour l'enlèvement des anodes
usées et la mise en place d'anodes neuves dans la cellule d'électrolyse;
En général, l'opérateur au sol, qui voit la zone de travail sous un autre
angle,
aide l'opérateur à effectuer ces manipulations. De plus, l'opérateur au sol
saisit
25 un conduit escamotable, également attaché à la MSE et qui sert à introduire
de l'alumine et/ou du bain broyé dans la cellule d'électrolyse, de manière à
reformer une couche de revêtement, après la mise en place d'une anode
neuve.
3o Dans un objectif de réduction des coûts d'exploitation et d'amélioration de
la
sécurité, des recherches ont été entreprises pour faire réaliser ces
opérations
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par un seul opérateur pouvant agir en toute sécurité à une distance suffisante
de la zone de travail,
Dans la demande européenne EP 0 618 313 (TECHMO), il est proposé un
ensemble modulaire permettant de remplacer automatiquement des anodes.
Ce dernier comprend un pont mobile, deux modules sur chariots qui se
déplacent le long du pont, chaque module étant spécialisé pour certaines
tâches, un véhicule de service et un véhicule de transport circulant chacun
io dans une voie placée de part et d'autre d'une rangée de cellules. Dans cet
équipement modulaire, le véhicule de service comprend une cabine de
contrôle d'où l'on peut piloter les opérations de manutention et
d'intervention. II
est mentionné, sans plus de précision, que cette cabine de contrôle peut être
équipée d'un système de télécommande et d'un système de visualisation par
caméra.
Les premiers essais tentés par la demanderesse ont montré que le pilotage à
distance d'opérations telles que le changement d'anode ne pouvait pas être
assuré avec des moyens quelconques de visualisation de la zone de travail et
2o de transmission des ordres aux outils, car lesdits moyens doivent
obligatoirement permettre à l'opérateur d'agir avec la réactivité nécessaire.
Par exemple, les moyens classiquement utilisés dans d'autres domaines
techniques, tels que la télémanipulation de charges radioactives, répondent à
des contraintes différentes qui ne correspondent aux besoins particuliers
relatifs
aux opérations intervenant au cours du changement des anodes, en particulier
en raison de la nécessité d'intervenir très rapidement au cours desdites
opérations.
De plus, l'ensemble modulaire décrit dans EP 0 618 313 implique une
3o configuration trop spécifique de la salle d'électrolyse, avec par exemple
deux
voies de circulation de part et d'autre de la rangée de cellules
d'électrolyse.
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Dans la demande US2004/211663 (ALCOA), l'objectif visé est différent: il
s'agit,
des mesurer les hauteurs des anodes. Pour cela, il est suggéré, dans une
modalité particulière, de mesurer des distances verticales à l'aide de trois
caméras numériques montées sur un bras rigide mobile,
Dans le cadre de la présente invention, il ne s'agit pas de mesurer des
distances verticales précises mais de concevoir un dispositif qui permet de
remplacer à distance les anodes, qui soit facilement adaptable à la majorité
io des ateliers d'électrolyse existants et qui puisse fonctionner de façon
fiable,
avec des temps de réponse courts, dans le contexte industriel spécifique d'une
usine de fabrication d'aluminium par électrolyse ignée.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
Un premier objet selon l'invention est un module de service d'une série de
cellules d'électrolyse destinée à la production d'aluminium par électrolyse
Ignée comprenant un châssis apte à être fixé sur un ensemble mobile,
typiquement un chariot se déplaçant le long d'un pont mobile, et équipé d'un
2o ensemble d'outils incluant notamment au moins un organe de manutention des
anodes, caractérisé en ce qu'il est également équipé d'au moins deux moyens
de visualisation aptes à prendre des vues et à les transmettre sous forme de
signaux électromagnétiques, typiquement deux caméras vidéo, lesdits moyens
de visualisation étant placés sur ledit module de service de telle sorte
qu'ils
peuvent viser la zone de travail dudit ou desdits organes de manutention des
anodes sous deux directions D1 et D2 non parallèles, faisant entre elles un
angle typiquement supérieur à 45 , de préférence voisin de 90 , Plus
précisément, selon l'invention, un premier moyen de visualisation est placé de
telle sorte qu'il peut viser la zone de travail sous la direction (D1) d'une
droite
3o contenue dans un plan vertical (Vl ) et un deuxième moyen de visualisation
est
placé de telle sorte qu'il peut viser la zone de travail sous la direction
(D2) d'une
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droite contenue dans un plan vertical (V2), les plans (V1) et (V2) n'étant pas
parallèles, leur intersection étant une droite verticale traversant la zone de
travail, Les plans verticaux (Vl) et (V2) font entre eux un angle aussi grand
que
possible, typiquement supérieur à 45 , de préférence compris entre 600 et 90 .
Le module de service selon l'invention est muni de moyens de visualisation qui
permetfent de piloter à distance les outils dont il est muni, sans avoir
besoin
d'un opérateur placé à l'intérieur d'une cabine embarquée solidaire dudit
module de service. En effet, si l'opérateur reste dans ladite cabine embarquée
io du module de service, il ne peut matériellement pas effectuer les
opérations
urgentes qui doivent être effectuées par l'opérateur au sol. II faut donc,
comme dans EP 0 618 313, piloter les opérations à partir du sol, pour pouvoir
intervenir sur la cellule en cas de nécessité, sans pour autant être condamné
à
employer un véhicule au sol avec cabine de pilotage embarquée. Mais
75 l'opérateur au sol doit pouvoir avoir un accès visuel à la zone de travail
au
moins aussi bon que celui offert à l'opérateur qui se trouvait dans la cabine
embarquée sur la MSE.
Pour l'ensemble des opérations intervenant au cours du remplacement des
ao anodes et qui sont à l'heure actuelle pilotées de la cabine embarquée sur
la
MSE (cassage de la croûte d'alumine et de bain fondu autour de l'anode;
enlèvement, dans l'emplacement laissé par l'anode enlevée, des morceaux
solides pouvant contenir des débris de croûte, de carbone et de l'alumine;
saisie et manipulation des anodes par leur tige), il est important d'avoir une
25 bonne estimation des distances dans l'espace, c'est-à-dire autant des
distances horizontales que des distances verticales. Selon l'invention, on
utilise
au moins deux moyens de visualisation qui visualisent la zone de travail en la
visant à partir de deux endroits différents, chacun selon une direction
comprise
dans un plan vertical passant par la zone de travail. On permet ainsi à
30 l'opérateur d'apprécier les distances, d'éviter les collisions entre les
outils et
d'atteindre l'objectif avec une bonne précision.
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De toutes ces opérations, c'est assurément la saisie de la tige d'anode qui
s'avère être l'opération la plus délicate à réaliser et lesdits moyens de
visualisation sont déterminés selon l'invention en nombre, en positionnement
et
en direction de visée, en premier lieu pour faciliter cette opération.
L'organe de manutention qui est destiné à la manutention et au déplacement
des anodes est utilisé notamment pour l'enlèvement des anodes usées et la
io mise en place d'anodes neuves dans la cellule d'électrolyse. II comporte en
général une pince apte à saisir l'anode. Celle-ci est placée à proximité de
l'extrémité de la tige de l'anode destinée à être saisie, puis est fermée sur
ladite
extrémité, l'anode ainsi saisie pouvant être soulevée et transportée en dehors
de la cellule d'électrolyse, typiquement pour être acheminée vers l'atelier de
75 recyclage des anodes. La pince de manutention des anodes est typiquement
munie de deux organes de préhension qui pivotent autour d'un axe commun
ou autour d'axes sensiblement parallèles. La direction (P) de l'axe commun ou
des axes parallèles est sensiblement horizontale. Ces deux organes forment une
mâchoire qui présente une configuration ouverte, dans laquelle les extrémités
2o desdits organes délimitent une ouverture typiquement tournée vers le bas et
dans laquelle l'extrémité supérieure de la tige peut être insérée, et une
configuration fermée, dans laquelle les extrémités desdits organes viennent en
appui latéral sur la tige de sorte que ladite tige est piégée et retenue.
25 Les extrémités des organes de préhension de la mâchoire dessinent un
contour
qui suit globalement la forme de la section de l'extrémité de la tige d'anode.
Généralement, celle-ci est rectangulaire, l'un des côtés du rectangle
correspondant à la surface de contact de la tige d'anode sur le cadre
anodique. Lorsque la pince se referme sur l'extrémité de la tige, la direction
(P)
3o de l'axe de pivotement des éléments de préhension de la pince est, ou
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s'oriente, dans la direction de l'un (L) ou l'autre (I) des côtés de la
section
rectangulaire de la tige.
En général, la pince à anode est conçue avec un axe (P) fixe par rapport au
châssis, Dans ce cas, l'une des directions D1 ou D2 est de préférence
substantiellement parallèle audit axe, Mais si la pince à anode est conçue
pour
conserver une certaine liberté en rotation autour d'un axe vertical, l'axe (P)
n'est pas fixe par rapport au châssis et il est dans ces conditions préférable
de
définir les directions D1 et D2 non pas directement par rapport au châssis
mais
io par rapport à la cellule d'électrolyse, ce qui peut facilement se faire
puisque le
module de service doit se trouver dans une position précise qui est fixe par
rapport à l'ensemble mobile auquel il est rattaché (typiquement le chariot) et
qui est orientée de telle sorte que ledit module de service se trouve à
proximité
et en surplomb de l'anode à remplacer avant que les outils soient activés.
Ainsi,
75 les directions D1 et D2 peuvent par exemple correspondre substantiellement,
lorsque le module de service est mis en place pour travailler sur une anode
donnée, aux directions X et Y des grand et petit côtés de la cellule
d'électrolyse.
2o De préférence, les directions D1 et D2 de visée des deux moyens de
visualisation correspondent substantiellement, lorsque la MSE est mise en
place
pour travailler sur une anode donnée, aux directions (L) et (I) des côtés de
la
section rectangulaire de la tige d'anode.
25 Lorsque le module de service est muni d'un seul organe de préhension des
anodes, chacun des deux moyens de visualisation est de préférence placé
dans un plan vertical qui, lorsque la MSE est mise en place pour travailler
sur
une anode donnée, passe par une médiatrice de la section rectangulaire de
la tige d'anode. Lesdits moyens de visualisation, que nous appellerons par la
ao suite caméras, sont placés à une hauteur aussi basse que possible au-dessus
de
la cellule, de préférence sur ou légèrement au-dessus du niveau dit "niveau de
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sécurité", qui définit une altitude au-dessus de laquelle toute extrémité
inférieure d'outil doit se trouver lorsque la MSE doit se déplacer au-dessus
des
cellules d'électrolyse,
Lorsque le module de service est muni de plusieurs organes de préhension
d'anode, ceux-ci, lorsqu'ils sont mis en place pour travailler sur les anodes
à
remplacer, sont alignés suivant la direction d'alignement des tiges d'anode
qui
elle-même co'incide avec la direction du cadre anodique, c'est-à-dire la
direction X du grand côté de la cellule d'électrolyse, à laquelle est
io substantiellement parallèle l'un des côtés (L ou i) de la section
rectangulaire de
la tige d'anode, Dans ce cas, l'une des caméras est placée dans le plan
vertical qui contient la direction d'alignement des organes de préhension et
qui
coïncide, lorsque la MSE est mise en place pour travailler sur les anodes à
remplacer, avec le plan médiateur commun des tiges d'anode alignées, qui
7e est lui-même parallèle au cadre d'anode. L'autre caméra est placée dans un
plan vertical substantiellement perpendiculaire au précédent et passant par le
barycentre des organes de préhension. Les caméras sont placées à une
hauteur aussi basse que possible au-dessus de la cellule, de préférence sur ou
légèrement au-dessus, typiquement une centaine de millimètres, du niveau de
2o sécurité. Bien que situées à une hauteur basse, elle surplombent de
plusieurs
mètres la zone de travail, ce qui permet par exemple à la première caméra
(située dans le plan médiateur commun des tiges d'anode) de visualiser autant
la pince la plus proche que la ou les pinces à anode suivantes, Pour améliorer
la visibilité de la ou des pinces suivantes, deux possibilités s'offrent:
25 a) on décale très légèrement la première caméra par rapport au plan
d'alignement des pinces;
b) on effectue chaque accrochage ou décrochage d'anode par étapes
successives en commençant par l'anode la plus éloignée de la caméra et
en se rapprochant progressivement de la première caméra.
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Généralement, les organes de préhension sont mus verticalement soit par
gravité soit en utilisant des bras télescopiques verticaux. La première caméra
se
trouve alors dans l'alignement des axes verticaux sur lesquels sont actionnés
lesdits organes de préhension et la seconde caméra est placée
perpendiculairement à cette direction d'alignement, dans un plan vertical qui
passe typiquement au milieu desdits organes de préhension,
Les deux caméras, fixées au module de service mais situées en deux endroits
éloignés l'un de l'autre et de la zone de travail, doivent pouvoir viser, sous
deux
io directions de préférence sensiblement orthogonales, la zone de travail
c'est-à-
dire l'ensemble des points correspondants aux positions basses possibles dudit
ou desdits organes de préhension des anodes, La première caméra peut faire
une prise de vue fixe en site, en azimut et en zoom, définie une fois pour
toutes
en fonction de l'ensemble desdites positions basses possibles dudit ou desdits
organes de préhension des anodes. La deuxième caméra, située "en face" de
la ou des pinces à anodes, est de préférence motorisée en site (rotation
possible autour d'un axe horizontal), en azimut (rotation possible autour d'un
axe vertical), et en zoom de façon à ce que différentes conditions de prise de
vue puissent être définies en fonction de l'opération à réaliser, car le
module de
service est de préférence également muni d'autres outils et ladite deuxième
caméra doit pouvoir également visualiser leur zone de travail. De manière
générale, la première caméra comme la deuxième caméra doivent être
placées assez loin de la partie active des outils de façon à procurer une
grande visibilité dans le champ d'action des outils.
Le module de service peut être équipé d'autres outils, en particulier:
a) un piqueur, qui sert à briser la croûte d'alumine et de bain solidifié qui
couvre
généralement les anodes de la cellule ;
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b) une pelle à godets qui sert à dégager l'emplacement de l'anode, après le
retrait de l'anode usée, par enlèvement des matières solides (telles que des
morceaux de croûte et de carbone et de l'alumine) qui s'y trouvent ;
c) une trémie associée à un conduit escamotable qui sert à introduire de
l'alumine et/ou du bain broyé dans la cellule d'électrolyse, de manière à
reformer une couche de revêtement, après la mise en place d'une anode
neuve;
d) un outil de levage de lourdes charges tel qu'un palan.
io Au moins pour la seconde caméra, les conditions précises de prise de vue
(zone visée, échelle) peuvent être définies spécifiquement au cours de la
manipulation par l'opérateur ou, de préférence, être prédéfinies en fonction
de
l'outil choisi par l'opérateur,
Typiquement, de façon à ce que la seconde caméra puisse facilement
observer l'ensemble des outils du module de service, l'angle de débattement
en site est compris entre -60 et +60 par rapport au plan vertical passant
par
D2. De même, de façon à pouvoir suivre l'outil dans sa descente vers la zone
de travail ou au contraire le suivre au cours de sa remontée, en particulier
lorsque la pince munie de l'anode usée est relevée, l'angle de débattement en
site de la deuxième caméra est compris entre 00 et - 80 par rapport au plan
horizontal. Le facteur de grossissement en zoom de la deuxième caméra est
avantageusement compris entre 1 et 25.
De préférence, la première caméra est placée sur la MSE dans le plan vertical
P1 qui coïncide, lorsque la MSE est mise en place pour opérer sur une anode
donnée, avec le plan de symétrie de l'alignement des tiges d'anode, parallèle
au cadre d'anode. Elle est placée à une altitude sensiblement égale à celle du
3o niveau de sécurité, typiquement égale à 3 mètres, et située vers
l'extérieur du
plus périphérique des organes de préhension, typiquement à une distance
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horizontale de celui-ci_comprise entre 1 et 3 mètres, de préférence voisine de
1
mètre.
De préférence, la deuxième caméra est placée sur la MSE dans le plan vertical
P2 qui, lorsque la MSE est mise en place pour opérer sur une anode donnée, est
perpendiculaire au plan P1 et passe par le barycentre des organes de
préhension, à une altitude sensiblement égale à celle du niveau de sécurité,
typiquement égale à 3 mètres, et dans une position qui, par rapport au
barycentre desdits organes de préhensions, est opposée à la face de la ou des
1o pinces qui correspond, lorsque la MSE est mise en place pour travailler sur
la ou
les anodes données, à la face de la ou des tiges d'anode qui est destinée à
entrer en contact avec le cadre anodique, typiquement à une distance
horizontale dudit barycentre des organes de préhension çomprise entre 2 et 4
mètres, de préférence voisine de 3 mètres.
Dans des modalités préférées de l'invention, le module de service comporte un
châssis, typiquement une plate-forme, apte à être fixé à un ensemble mobile et
au moins une tourelle montée sur le châssis de manière à pouvoir pivoter en
utilisation autour d'un axe vertical A. Ladite tourelle est équipée d'un
ensemble
2o déterminé d'outils tels que ceux décrits plus haut. Elle peut être équipée
également des deux caméras qui se trouvent donc dans ce cas en position fixe
par rapport aux outils. Mais lesdites caméras peuvent également être placées
sur une deuxième tourelle indépendante de la première, coaxiale et extérieure
à celle-ci, c'est-à-dire entourant la première tourelle et susceptible de
tourner
autour du même axe vertical A.
Une tourelle unique permet d'avoir un module compact, dans lequel les outils
sont placés à proximité de l'axe de rotation de la tourelle, sans trop nuire à
la
visibilité. Elle permet en outre de rendre les opérations symétriques, de
sorte
3o qu'un tel module compact peut être utilisé indifféremment quelle que soit
la
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position des cellules par rapport aux côtés latéraux de la salle d'électrolyse
et
quelle que soit la position de l'anode à remplacer dans la cellule.
Un module à deux tourelles est plus difficile à concevoir, plus onéreux, moins
compact mais il permet d'avoir une meilleure visibilité et de déplacer au
moins
une caméra par rapport aux outils de façon à obtenir un angle de vue plus
favorable.
Optionnellement, le module de service selon l'invention comprend une
io troisième caméra, placée non loin de la deuxième caméra, destinée à
présenter une vue d'ensemble des outils du module et des zones de travail
relatives à chacun de ces outils.
Optionnellement, le module de service selon l'invention comprend une autre
caméra, placée à proximité de l'actionneur de l'un des organes de préhension
des anodes, typiquement fixée sur la base du bras télescopique qui actionne
ledit organe de préhension, et visant une zone qui comprend la position basse
du ou des organes de préhension,
Les images perçues par les caméras sont transmises sous forme de données
analogiques ou, de préférence, numériques vers un système ou un ensemble
de systèmes de traitement des signaux qui aboutit à la création d'images
affichées sur des écrans placés en dehors du module de service.
Avantageusement, le module de service est muni d'un dispositif central de
traitement d'images relié, typiquement par câbles blindés, aux caméras et qui
traite les images reçues de telle sorte qu'il peut les associer en les
regroupant
sous forme d'une image numérique unique ("mise en page"), qui est ensuite
avantageusement comprimée sous les formats standards de compression
d'image vidéo (MPEG, JPEG, ..,). Avantageusement, ledit dispositif central de
3o traitement d'images est associé à un émetteur qui transmet les fichiers
numériques associées aux images vidéo (avantageusement comprimées) sous
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forme d'ondes électromagnétiques, de préférence par voie aérienne, vers des
récepteurs situés en-dehors du module de service et équipés d'écrans.
Pour améliorer la sécurité du pilotage à distance du module de service, ledit
dispositif central de traitement des images perçues par les caméras traite le
signal de telle sorte qu'un numéro identifiant le module de service auquel il
est
associé s'incruste dans au moins une zone, de préférence périphérique, de
l'image transmise et/ou l'émetteur - qui transmet les fichiers numériques
associées aux images vidéo - émet dans une fréquence ou une pluralité de
io fréquences spécifique, représentative du module de service auquel
l'émetteur
est associé.
L'invention a également pour objet une machine de service comprenant un
élément mobile, typiquement un chariot, et un module de service tel que
décrit précédemment.
L'invention a encore pour objet une unité de service d'une usine de production
d'aluminium par électrolyse ignée qui comprend un pont mobile et au moins
une machine de service comprenant un chariot susceptible de se déplacer le
2o long dudit pont mobile et un module de service selon l'invention.
L'invention a encore pour objet l'utilisation d'une unité de service selon
l'invention pour les interventions sur des cellules d'électrolyse destinées à
la
production d'aluminium par électrolyse ignée, en particulier pour effectuer le
changement des anodes.
L'invention a également pour objet un système d'assistance au pilotage
d'opérations de manutention et d'intervention sur une cellule d'électrolyse,
typiquement destinées au remplacement des anodes, ledit système
comprenant;
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- une unité de service comprenant elle-même un module de service et se
déplaçant à l'aide d'actionneurs motorisés, ledit module de service
étant muni d'outils actionnés par des moteurs, ladite unité de service
étant munie de moyens de visualisation,
- un module de contrôle muni d'au moins un moniteur reproduisant
l'image de la zone de travail prise par au moins une caméra et
- un module de commande apte à transmettre des ordres aux
actionneurs de l'unité de service,
caractérisé en ce que:
70 a) ledit module de service est un module de service selon l'invention muni
d'un dispositif de traitement des images perçues par les caméras
associé à un émetteur émettant des signaux associés aux images
numériques sous forme d'ondes électromagnétiques de préférence
hertziennes;
b) ledit module de contrôle est muni d'un récepteur apte à recevoir
lesdites ondes électromagnétiques et d'au moins un moniteur qui
présente au moins l'image d'une des deux caméras avec une définition
minimale de 350 000 pixels, de préférence, en prenant le format
standard 2:3, avec une définition minimale de 768*512 pixels, de
préférence encore avec une définition minimale de 1024*768 pixels,
La taille de l'écran est essentiellement une affaire d'encombrement du module
de contrôle et de recul offert à l'opérateur. Typiquement, le moniteur est un
écran numérique de diamètre supérieur à 12" et de préférence au moins égal
à 14".
Optionnellement, ledit moniteur peut également présenter à tout moment, sur
demande, l'image de l'autre caméra avec une définition minimale identique,
De préférence encore, ledit moniteur possède une surface suffisante pour
3o présenter simultanément les deux images avec la même définition, l'ensemble
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accolé occupant typiquement une diagonale minimale de 17", de préférence
20".
Bien évidemment, ledit dispositif de traitement des images perçues par les
caméras peut être un dispositif central relié, typiquement par câbles blindés,
aux caméras et qui traite les images reçues de telle sorte qu'il peut les
associer
en les regroupant sous forme d'une image numérique unique ("mise en page"),
qui est ensuite avantageusement comprimée sous un format de compression
d'image vidéo (MPEG, JPEG, . .).
Avantageusement, le système de transmission entre le dispositif émetteur du
module de service qui émet les images vidéo et le dispositif récepteur associé
au(x) moniteur(s) du module de contrôle est un système de transmission
numérique à étalement de spectre, typiquement le système de modulation
1s numérique appelé COFDM (Coded Orthogonal Frequency Multiplex). On
décompose l'information sous forme numérique codée de façon à la répartir
sur plusieurs ondes porteuses orthogonales. On crée ainsi des sous-canaux très
étroits en fréquence et les signaux ainsi transmis, qui présentent une faible
probabilité d'être perturbés tous en même temps, sont, après réception,
2o retraités numériquement de façon à reconstruire l'information complète, Un
tel
système permet d'avoir des temps de réponse inférieurs à 200 ms, ce qui
permet à l'opérateur de réagir à temps en fonction de ce qu'il observe sur
l'écran.
25 En effet, pour que le pilotage à distance des outils intervenant au cours
du
changement des anodes puisse être effectué efficacement, il importe non
seulement que l'opérateur ait une vision parfaite de la zone de travail mais
également qu'il n'y ait pas de décalages temporels importants entre un
événement, l'image qui représente cet événement sur l'écran et le signal qui
3o entraîne un mouvement correcteur de l'actionneur de l'outil: il faut que
l'opérateur puisse voir tout incident, qu'il puisse disposer d'un temps
minimum
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pour réagir et que son ordre pour corriger la manipulation en cours soit
transmis
à temps à l'actionneur. Or la demanderesse a constaté qu'une transmission
purement numérique entraînait un temps de réponse de l'ordre de 500 ms,
voire supérieur, ce qui est insuffisant vis-à-vis des contraintes
opérationnelles
liées au remplacement des anodes. Une transmission purement analogique
permet par contre des temps de réponse nettement inférieurs mais la
demanderesse a constaté que, dans l'environnement particulier d'une cellule
d'électrolyse, elle est soumise à trop de perturbations importantes, ce qui ne
permet pas d'obtenir un système de pilotage à distance fiable. C'est pourquoi
io la demanderesse a développé la solution décrite plus haut qui combine la
rapidité d'une transmission analogique avec la fiabilité d'une transmission
numérique.
Dans une modalité de l'invention, le module de contrôle est également muni
d'un moniteur permettant la vision du champ filmé par la troisième caméra,
et/ou d'un moniteur permettant la vision du champ filmé par la quatrième
caméra, associée aux organes de préhension des anodes et fixée à proximité
de la base de l'actionneur de l'un des organe de préhension. De préférence,
l'image de cette troisième caméra et celle de la quatrième caméra sont
2o également transmises avec une définition suffisante, correspondant à un
minimum de 350 000 pixels. Dans une modalité préférée de l'invention, le
module de contrôle est muni d'un écran de dimension suffisante pour fournir
simultanément trois ou quatre images, les deux premières occupant chacune
une surface définie par une diagonale supérieure ou égale à 12".
Ledit module de commande se présente sous la forme d'un boîtier muni de
boutons, facilement transportable. Il permet de commander le mouvement du
pont mobile, du chariot, de la ou des tourelles du module de service, des
caméras ainsi que des outils, montés de préférence sur des bras télescopiques.
3o Il est équipé d'un dispositif émetteur transmettant les commandes aux
divers
actionneurs. Certaines commandes sont directement liées à une action
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particulière d'un outil, d'autres peuvent être induites par cette action, Par
exemple, si l'opérateur choisit une action particulière à effectuer par un
outil
donné, le système peut déclencher automatiquement une ou plusieurs
commandes liées à la mise en fonctionnement, avec un réglage prédéfini des
paramètres de visualisation, d'une caméra ou de plusieurs caméras,
Dans une modalité de l'invention, ledit module de contrôle et ledit module de
commande sont installés dans un véhicule qui se déplace dans l'allée de
circulation de la salle d'électrolyse.
Dans une autre modalité de l'invention, la salle d'électrolyse est équipée
d'une
pluralité de modules de contrôle situés dans des cabines fixes associées
chacune à un groupe de n cellules (n typiquement compris entre 2 et 10); le
module de commande est porté par l'opérateur qui se déplace jusqu'à la
15 cabine associée à la cellule concernée par le changement d'anode.
L'opérateur installe ledit module de commande dans ladite cabine en le
connectant de sorte que le système d'assistance au pilotage est rendu
complet dans ladite cabine et peut ainsi fonctionner.
20 Les dispositifs de télécommande du module de commande sont appairés
avec les machines: un canal et une adresse sont attribués à chaque couple
commande - actionneur. Le système de transmission des signaux entre les
caméras et les moniteurs du module de contrôle n'est pas forcément le même
que le système de transmission des commandes entre le module de
25 commande et les divers actionneurs du pont mobile, du chariot, de la ou des
tourelles, des caméras, des bras télescopiques et des outils. En effet, le
premier
système a à gérer la transmission d'un flux de données considérablement plus
grand que le second, même si les ordres de télécommandes nécessitent une
certaine sécurisation qui par exemple peut se traduire par une certaine
30 redondance des informations transmises. On peut donc faire appel pour la
transmission des télécommandes à un système "classique", de préférence
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numérique pour éviter les perturbations liées à l'environnement particulier de
l'électrolyse.
Cependant, dans le cas où un système de type COFDM serait employé pour la
transmission des images, il apparaît avantageux de l'utiliser également pour
transmettre les commandes aux différents actionneurs de l'unité de service
(pont mobile, chariot, module de servïce; tourelle, caméras, bras
télescopiques
et outils),
io L'invention a encore pour objet un procédé de changement d'anode d'une
cellule d'électrolyse destinée à la production d'aluminium par électrolyse
ignée, dans lequel on remplace au moins une anode déterminée par une
anode neuve en utilisant le système d'assistance au pilotage selon l'invention
tel que décrit précédemment.
L'invention est décrite en détail ci-après à l'aide des figures annexées.
FIGURES
La figure 1 illustre une salle d'électrolyse typique, vue en section, destinée
à la
production d'aluminium et comprenant une unité de service représentée de
manière schématique.
La figures 2 représente, de manière schématique, une disposition particulière
des outils de base et de trois caméras d'un module de service selon
l'invention,
en vue du dessous, .
La figures 3 représente, de manière schématique, le module de service de la
figure 2, en vue de côté.
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Exemple (Figures 1 à 3)
Les usines d'électrolyse destinées à la production d'aluminium comprennent
une zone de production d'aluminium liquide qui comprend une ou plusieurs
salles d'électrolyse (1). Telle qu'illustrée à la figure 1, la salle
d'électrolyse (1)
comporte des cellules d'électrolyse (2) et au moins une "unité de service" ou
"machine de service" (3). Les cellules d'électrolyse (2) sont normalement
disposées en rangées ou files, chaque rangée ou file comportant typiquement
io plus d'une centaine de cellules. Les cellules (2) sont disposées de manière
à
dégager une allée de circulation (31) sur le long de la salle d'électrolyse
(1). Les
cellules (2) comprennent une série d'anodes (21) munies d'une tige métallique
(22) destinée à la fixation et au raccordement électrique des anodes à un
cadre anodique métallique (non illustré).
L'unité de service (3) sert à effectuer des opérations sur les cellules (2)
telles que
les changements d'anode ou le remplissage des trémies d'alimentation en
bain broyé et en AIF3 des cellules d'électrolyse. Elle peut également servir à
manutentionner des charges diverses, telles que des éléments de cuve, des
2o poches de métal liquide ou des anodes. L'invention concerne tout
particulièrement les unités de service aptes à effectuer les changements
d'anode.
L'unité de service (3) comprend un pont mobile (4) qui peut être translaté au-
dessus des cellules d'électrolyse (2) et une machine de service (5) comprenant
un chariot mobile (6) apte à être déplacé sur le pont mobile (4) et un module
de service (7) équipé de plusieurs organes de manutention et d'intervention
(10), tels que des outils (pelles, organes de préhension des anodes, également
appelés pinces à anode, piqueurs,,.,). Le pont mobile (4) repose et circule
sur
3o des chemins de roulement (30, 30') disposés parallèlement l'un à l'autre et
à
l'axe principal du hall (et de la file de cellules). Dans la configuration
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géométrique de cet exemple, la direction de l'axe principal du hall coïncide
avec la direction (Y) du petit côté d'une cellule. Au cours du déplacement du
module de service au-dessus des cellules d'électrolyse, les outils sont
disposés
sur ledit module de service de telle sorte que leur extrémité basse soit
toujours
au-dessus d'une certaine hauteur, correspondant à un niveau de sécurité (S).
Le module de service (7) comporte un châssis (8) fixé sur un chariot (6) qui
se
déplace le long du pont mobile (4) (dans la direction X du grand côté de la
cellule d'électrolyse). Ce châssis est équipé d'un ensemble d'outils (10)
incluant
io deux organes de manutention des anodes (11 et 11') et de quatre caméras
(41, 42, 43 et 44) qui permettent de visualiser à distance les zones de
travail
desdits organes de manutention des anodes sous au moins deux directions (D1)
et (D2) sensiblement perpendiculaires entre elles,
75 La pince à anode (11) se présente sous la forme d'une mâchoire dont les
extrémités des éléments pivotants dessinent un contour qui suit globalement la
forme carrée de la section de l'extrémité de la tige d'anode. La direction
(D2)
est choisie de telle sorte qu'elle soit parallèle à la direction (P) de l'axe
de
pivotement des éléments de préhension de la pince. De la sorte, la deuxième
2o caméra (42) peut voir la pince sensiblement de face.
Le module de service est ici muni de deux pinces à anode (11 et 11') qui,
lorsqu'elles sont mises en place pour travailler sur les anodes à remplacer,
sont
alignées suivant la direction d'alignement des tiges d'anodes qui elle-même
25 coïncide avec la direction du cadre anodique, c'est-à-dire la direction X
du
grand côté de la cellule d'électrolyse, laquelle est substantiellement
parallèle
au côté L de la âection rectangulaire de la tige d'anode. Les directions (Dl)
et
(D2) de visée des deux caméras (41) et (42) coïncident, lorsque la MSE est
mise
en place pour travailler sur une anode donnée, aux directions (L) et (I) des
3o côtés de la section carrée de la tige d'anode.
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La première caméra (41) est placée dans le plan vertical qui contient la
direction d'alignement des pinces à anode, ou plutôt à proximité (typiquement
une centaine de millimètres) de ce plan pour faciliter la vision de la pince à
anodes la plus éloignée (11'). Ce plan, qui coïncide, lorsque la MSE est mise
en
place pour travailler sur les anodes à remplacer, avec le plan médiateur
commun des tiges d'anode, parallèle au cadre anodique (non représenté),
correspond substantiellement au plan (Vl ) qui comprend la première direction
de visée (D1). La deuxième caméra (42) est placée dans un plan vertical (P2)
perpendiculaire au précédent et passant au milieu (110) des pinces à anodes
(11) et (11'). La deuxième caméra (42) vise la zone de travail suivant une
direction (D2) comprise dans un plan vertical (V2) qui coïncide avec (P2) ou
fait un angle faible avec ce dernier (cas illustré en figure 2), Les caméras
(41),
(42) et (43) sont placées à une hauteur correspondant au niveau de sécurité
(S), typiquement à trois mètres au-dessus du sol.
1s
Les pinces à anode (11 et 11') sont mues verticalement par des bras
télescopiques verticaux (111). La première caméra (41) se trouve alors dans
l'alignement bras télescopiques verticaux et la seconde caméra (42) est
placée perpendiculairement à cette direction d'alignement, dans un plan
2o vertical qui passe typiquement au milieu (110) des pinces. Les deux caméras
sont réglées de façon à pouvoir viser au moins l'ensemble des points
correspondant aux positions basses possibles pinces à anodes.
La première caméra (41) réalise une prise de vue fixe en site, en azimut et en
25 zoom, définie une fois pour toutes. La deuxième caméra (42), située "en
face"
des pinces à anodes, est motorisée en azimut (rotation possible autour d'un
axe
vertical), en site (rotation possible autour d'un axe horizontal) et en zoom
de
façon à ce que différentes conditions de prise de vue puissent être définies
en
fonction de l'opération à réaliser,
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La première caméra (41) et la deuxième caméra (42) sont placées assez loin
de la partie active des outils de façon à procurer une grande visibilité dans
le
champ d'action des outils.
Le module de service est équipé d'outils autres que les pinces à anode:
a) un piqueur (13),
b) une pelle à godets (12) ;
c) une trémie (14) associée à un conduit escamotable (15)
io La seconde caméra (42) peut visualiser facilement l'ensemble des outils du
module de service. Pour cela, dans la configuration géométrique particulière
du module de service de cet exemple, l'angle de débattement en site de
ladite seconde caméra (42) est compris entre -60 et +300 (sens
trigonométrique) par rapport au plan vertical P2. De même, de façon à
pouvoir suivre l'outil dans sa descente vers la zone de travail ou au cours de
sa
remontée, l'angle de débattement en azimut de la deuxième caméra (42) est
compris entre 0 et - 80 par rapport au plan horizontal. Le facteur de
grossissement en zoom de la deuxième caméra (42) est compris entre 1 et 25.
2o La première caméra (41) est placée sur la MSE dans le plan vertical (P1) à
une
altitude sensiblement égale à celle du niveau de sécurité, typiquement égale
à 3 mètres, et située vers l'extérieur de la plus périphérique des pinces à
anode
(11), typiquement à une distance horizontale (dl ) de celui-ci voisine de 1
mètre.
La deuxième caméra (42) est placée sur la MSE dans le plan vertical (P2), à
une
altitude sensiblement égale à celle du niveau de sécurité, typiquement égale
à 3 mètres, et dans une position opposée à celle de la face (F) des pinces qui
correspond, lorsque la MSE est mise en place pour travailler sur deux anodes
so données, à la face des tiges d'anode qui est destinée à entrer en contact
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avec le cadre anodique, à une distance horizontale (d2) du barycentre (110)
des pinces voisine de 3 mètres,
Les images perçues par les caméras numériques (41) et (42) sont transmises à
un dispositif central de traitement des images relié par câbles blindés
auxdites
caméras et qui traite les images reçues de telle sorte qu'il peut les associer
en
les regroupant sous forme d'une image numérique unique. Un numéro
identifiant le module service auquel le dispositif central de traitement
d'images
est associé s'incruste dans au moins une zone périphérique de l'image ainsi
io composée. Cette image numérique est ensuite comprimée sous le format
JPEG2000. Le module est associé à un système de transmission de type COFDM.
Le module de service (7) comporte un châssis (8) et une tourelle (9) montée
sur
le châssis de manière à pouvoir pivoter en utilisation autour d'un axe
vertical
(A) et équipée des deux caméras (41) et (42), en position fixe par rapport aux
outils. Il comprend également une troisième caméra (43), placée non loin de la
deuxième caméra 42) et destinée à présenter continuellement une vue
d'ensemble des outils du module et de la zone de travail. Une quatrième
caméra (44) est placée à proximité de la base de l'actionneur (111) de l'une
2o des pinces à anode (11). Elle vise une zone (23) qui englobe les positions
basses
des pinces à anodes (11) et (11').
Le module de service (7) est associé à un système d'assistance au pilotage
d'opérations de manutention et d'intervention sur une cellule d'électrolyse,
destinées au remplacement des anodes, Ledit système comprend l'unité de
service décrite ci-dessus, un module de contrôle muni d'au moins un moniteur
reproduisant l'image de la zone de travail filmée par au moins une caméra et
un module de commande transmettant des ordres aux actionneurs de l'unité
de service.
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Le module de contrôle est muni d'un moniteur de 21" qui présente
simultanément les images des deux premières caméras (41 et 42) sur une
diagonale de 15". Chaque image est fournie sur un format de 1024*768 pixels.
Le module de contrôle est également muni d'un écran de 17" permettant la
vision continue simultanée des champs filmés par la troisième et la quatrième
caméras.
Le module de commande se présente sous la forme d'un boitier muni de
boutons, facilement transportable. Il permet de commander le mouvement du
pont mobile, du chariot, de la ou des tourelles du module de service, des
caméras ainsi que des outils, montés de préférence sur des bras télescopiques.
La transmission des commandes aux différents actionneurs des éléments de
l'unité de service est assurée par un système de radiocommandes appairées
conventionnel.
La salle d'électrolyse est équipée d'une pluralité de modules de contrôle
situés
dans des cabines fixes associées chacune à un groupe de 4 cellules. Le
module de commande est porté par l'opérateur qui se déplace jusqu'à la
cabine associée à la cellule concernée par le changement d'anode.
L'opérateur installe ledit module de commande dans la cabine en le
connectant de sorte que le système d'assistance au pilotage est rendu
complet dans ladite cabine et peut ainsi fonctionner.
