銅電積槽面電路故障智能監(jiān)測系統(tǒng)的研究

杜素忠，梁新星，周飛舟，賀小齊，侯建碩，李新宇

(萬寶礦產(chǎn)有限公司，北京 100053)

銅電積過程中，極板導(dǎo)電梁接觸不良、吊裝搭接、溶液雜質(zhì)等可能會引起極板間發(fā)生短路或斷路現(xiàn)象[1]，進而導(dǎo)致“燒板”[2]、銅板厚薄不均、電效降低等問題，影響陰極銅產(chǎn)品外觀質(zhì)量[3]，增加生產(chǎn)成本。

傳統(tǒng)手持式槽面檢測儀主要依靠人工在槽面逐板檢查，不僅效率低，而且容易誤檢、漏檢；熱電偶、電感等接觸式感應(yīng)裝置安裝困難，穩(wěn)定性不高。近年來，有研究者提出，采用紅外感知技術(shù)監(jiān)測電解槽溫度變化可以反映電路相關(guān)指標，但這主要應(yīng)用在電解工藝溫度和電流關(guān)聯(lián)關(guān)系擬合方面[4]。在電解銅或電解鋁生產(chǎn)電路故障診斷方面，有人提出將紅外采集設(shè)備與滑動軌道相結(jié)合，收集溫度并判斷電路故障[5-6]，但此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝困難，穩(wěn)定性不高。目前，對大型銅電積車間槽面電路故障監(jiān)測的相關(guān)研究尚未見有報道。

試驗提出借助熱成像技術(shù)對銅電積槽面溫度進行實時、非接觸式、連續(xù)性監(jiān)測，建立極板短路或斷路故障的智能監(jiān)測系統(tǒng)。并通過在緬甸蒙育瓦銅礦的應(yīng)用，驗證該系統(tǒng)對大型銅電積車間的適用性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 基本原理

銅電積過程中，電流效應(yīng)導(dǎo)致極板產(chǎn)生一定溫度。當極板發(fā)生短路或斷路故障時，溫度發(fā)生相應(yīng)變化。因此，溫度可以作為極板故障監(jiān)測指標之一[7]。

設(shè)正常生產(chǎn)時極板溫度最高為th，最低為tl，實時監(jiān)測溫度為tt，則：極板斷路時，ttth。其中，th和tl是相對的，并非固定不變。設(shè)置時要綜合考慮銅電積工藝和自然環(huán)境等影響因素并及時修正，也可通過背景溫度對比獲得。

1.2 組成結(jié)構(gòu)

通過溫度采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和分析處理層，形成圖1所示系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電積車間極板短路或斷路故障實時在線監(jiān)測、傳輸、分析、利用和共享目標。

溫度采集層：通過若干固定安裝在電積槽面上方的熱成像攝像機實現(xiàn)極板溫度變化的不間斷收集和實時監(jiān)測。對于電積車間跨度大、安裝條件復(fù)雜的情況，選擇球型攝像機采集信息；對于采集范圍小、安裝條件較好情況，可選擇筒型機作為采集設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)示意

分析處理層：在對溫度數(shù)據(jù)進行收集、存儲和分析基礎(chǔ)上，判斷極板是否發(fā)生短路或斷路故障，記錄故障處理情況，支持數(shù)據(jù)長期存儲和利用。

數(shù)據(jù)傳輸層：負責將溫度采集信息上報至分析處理層，并將分析、處理結(jié)果反饋至相應(yīng)系統(tǒng)和用戶終端。數(shù)據(jù)傳輸層是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[8]組成節(jié)點，實現(xiàn)信息在不同用戶、設(shè)備和系統(tǒng)間協(xié)同共享。

2 數(shù)據(jù)分析處理模塊

數(shù)據(jù)分析處理是構(gòu)建銅電積車間電路故障智能監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵，是軟件應(yīng)用系統(tǒng)的核心，主要通過溫度采集層和分析處理層實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理。

圖2數(shù)據(jù)分析處理邏輯中，熱成像攝像機為溫度采集層主要設(shè)備，通過設(shè)定監(jiān)控區(qū)域、巡航路徑、溫度閥值等參數(shù)，可以尋找并上報當前監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的溫度異常點位。同時，分析處理層通過軟件模塊，解析溫度異常點位對應(yīng)位置，判斷溫度異常點位是否出現(xiàn)短路或斷路故障，給出可供讀取的文字預(yù)警信息和實時監(jiān)控錄像，接收并記錄故障處理情況，并形成歷史記錄，支持信息長期存儲、分析、共享和利用。

圖2 數(shù)據(jù)分析處理邏輯

上述邏輯處理中，溫度采集后的分析和處理主要依靠視頻監(jiān)控服務(wù)器；結(jié)構(gòu)化溫度采集和監(jiān)測預(yù)警信息在服務(wù)器和磁盤陣列中存儲，可進行有效數(shù)據(jù)備份；視頻信息存儲在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻中心存儲器上。

3 溫度采集模塊

3.1 安裝方式

銅電積車間工藝布置、出銅方式、行車移動、車間規(guī)模等均影響溫度采集效果。合理布置球型攝像機安裝位置，可避免這些因素對溫度數(shù)據(jù)采集的影響。

蒙育瓦銅礦設(shè)置有多個大型銅電積車間，車間連續(xù)、規(guī)模龐大。以1#電積車間為例：縱向跨度接近100 m；車間分為2組，每組2個單元，每單元超過30個電積槽，每槽極板數(shù)量在120個以上；車間行車按照不同批次橫向1/2自動帶電出銅，對正上方形成阻擋，正上方直接進行溫度采集受阻。

采用圖3所示側(cè)上方安裝熱成像球型攝像機、對端監(jiān)測采集電積槽極板溫度變化的方式，可以保證溫度采集信息準確性，降低投資成本。

圖3 對端溫度采集安裝示意

3.2 參數(shù)計算

設(shè)置球型攝像機預(yù)置位和巡航路徑，可在保證監(jiān)測覆蓋范圍、溫度采集及時性和準確性同時，減少攝像機數(shù)量和降低安裝難度。另外，不同球型攝像機監(jiān)測能力不同，監(jiān)測距離和范圍不合理有可能使溫度采集失敗或不準確。

選擇熱成像球型攝像機時，需要考慮攝像機性能參數(shù)，計算垂直監(jiān)測距離、水平覆蓋范圍、單次監(jiān)測覆蓋范圍和預(yù)置位設(shè)置等工程參數(shù)，保證溫度采集數(shù)據(jù)準確有效。

1)基本參數(shù)

工作溫度、存儲溫度、測量精度和目標對象尺寸是選擇球型攝像機的基本參數(shù)。綜合考慮蒙育瓦銅礦的自然環(huán)境、電積工藝條件及現(xiàn)有熱成像攝像機發(fā)展水平，確定熱成像球型攝像機基本參數(shù)，見表1。其中，目標對象最小尺寸決定了極板發(fā)生短路或斷路時可監(jiān)測預(yù)警的最小范圍。

表1 熱成像球型攝像機基本參數(shù)

2)垂直監(jiān)測距離

當球型攝像機鏡頭正視電積槽面時，鏡頭切線與槽面邊緣平行，視為垂直監(jiān)測。垂直監(jiān)測距離限定了球型攝像機最短監(jiān)測距離。

設(shè)球型攝像機垂直監(jiān)測距離為d，則

(1)

式中：h—攝像機垂直安裝高度，m；l—攝像機和被監(jiān)測對象的水平距離，m。

如圖4所示：ds表示垂直監(jiān)測最短距離，m；dl表示垂直監(jiān)測最遠距離，m。

圖4 垂直監(jiān)測距離示意

設(shè)球型攝像機有效最短監(jiān)測距離為rs，則要求rs

3)水平覆蓋范圍

當球型攝像機轉(zhuǎn)動時，鏡頭切線與電積槽邊緣為非平行關(guān)系。如圖5所示，將球型攝像機轉(zhuǎn)動時的有效視距內(nèi)可以覆蓋的最大監(jiān)測范圍定義為水平覆蓋范圍，則該參數(shù)限制了球型攝像機監(jiān)測電積槽面電路故障時水平方向可達到的最遠位置。

圖5 水平覆蓋范圍示意

設(shè)球型攝像機單側(cè)水平覆蓋范圍為b，則

(2)

式中，r—攝像機有效最遠視距，m。

4)單次監(jiān)測覆蓋范圍

單次監(jiān)測覆蓋范圍是指在球型攝像機一次監(jiān)測可以覆蓋的電積槽面范圍。設(shè)球型攝像機單次監(jiān)測單側(cè)覆蓋范圍為c，則

(3)

式中：v—攝像機鏡頭平面和監(jiān)測目標的直線距離，m；γ—攝像機水平視場角，(°)。因電解槽為水平布置，所以，可不考慮攝像機垂直視場角影響。

5)預(yù)置位設(shè)置

設(shè)置預(yù)置位，引導(dǎo)球型攝像機自動巡航，可以擴大溫度采集和監(jiān)測范圍，降低建設(shè)成本；同時，也可保證溫度采集和監(jiān)測的及時性。預(yù)置位越多，所需球型攝像機數(shù)量越少，電積槽面溫度采集和監(jiān)測難度越高，及時性越差，對熱成像球型攝像機計算能力要求也越高，所以，合理設(shè)置預(yù)置位是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要影響因素之一。

設(shè)球型攝像機預(yù)置位設(shè)置數(shù)量為y，則

(4)

4 應(yīng)用案例

以蒙育瓦銅礦1#電積車間為例，計算所得ds=12.5 m，dl=19 m，因此，確定球型攝像機最佳距離rs應(yīng)小于12.5 m。選擇表2中雙光譜熱成像球型攝像機為溫度采集設(shè)備；計算所得b約為11 m；以單個球型攝像機為中心，雙側(cè)覆蓋范圍約為22 m。單次監(jiān)測中：v=ds時，攝像機單側(cè)覆蓋距離2.7 m，雙側(cè)共覆蓋5.4 m；v=dl時，攝像機單側(cè)覆蓋距離4.1 m，雙側(cè)共覆蓋8.2 m；v=r時，攝像機單側(cè)覆蓋距離4.8 m，雙側(cè)共覆蓋9.6 m。

表2 雙光譜熱成像球型攝像機參數(shù)

因此，如果以水平覆蓋范圍和單次監(jiān)測覆蓋范圍最大值計算，每單元約需2臺攝像機，每臺攝像機設(shè)置約4個預(yù)置位；如果以水平覆蓋范圍和單次監(jiān)測覆蓋范圍最小值計算，則每單元約需3臺攝像機，每臺攝像機設(shè)置約3個預(yù)置位。

綜合考慮成本及監(jiān)測的及時性和準確性，采用每單元安裝3臺攝像機、每臺攝像機設(shè)置3個預(yù)置位方案。其中，每個預(yù)置位溫度采集時間為1 min。

同時，蒙育瓦銅礦在原有數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)[9]基礎(chǔ)上集成開發(fā)了銅電積車間槽面電路故障智能監(jiān)測分析功能，解決了熱成像攝像機操作和顯示的友好性問題，提高了監(jiān)測和預(yù)警的自動化程度，降低了極板電路故障發(fā)現(xiàn)難度。

該系統(tǒng)在蒙育瓦銅礦上線以來，車間極板短路和斷路故障檢測頻率由原來的平均每4 h一次人工檢查縮短至每3 min一次自動檢查，故障檢測準確率大大提高，漏檢率接近于零，數(shù)據(jù)實現(xiàn)了分析、共享和利用，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，受環(huán)境和行車移動影響較小。

5 結(jié)論

在銅電積車間，對槽面電路采用故障智能監(jiān)測分析系統(tǒng)并合理規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化溫度采集方法和軟件功能，可有效提高陰、陽極板短路或斷路故障監(jiān)測的及時性和準確性，減少誤判、漏檢等問題。該系統(tǒng)對改善濕法冶金銅電積工藝生產(chǎn)組織、提升槽面管理水平具有普遍適用性。