銅電解廠智能化應用現狀與探索

高文娟　張劍　Risa Mar S. Cataluna

〔摘 要〕分析了傳統銅電解廠生產中存在的主要問題，介紹了國內銅電解智能化技術的發展現狀。分析認為，目前國內銅電解智能化技術在紅外光譜短路識別系統、三維視覺檢測系統、陰陽極板智能轉運及倉儲和數字化點檢與設備在線智能診斷等方面已經進行了探索和應用，在此基礎上，對銅電解廠未來的生產系統和管理系統智能化發展進行了探索與展望。

〔關鍵詞〕智能工廠；銅冶煉；紅外光譜識別；三維視覺檢測；智能轉運；數字化點檢；設備在線智能診斷；數字化輔助決策

中圖分類號：TF08? 文獻標志碼：A文章編號：1004-4345（2023）05-003１-04

Current Situation and Exploration of Intelligent Application in Copper Electrolysis Plants

GAO Wenjuan， ZHANG Jian， Risa Mar S. Catalu？觡a

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi? 330038， China）

Abstract? Analyzing the main problems in the production of traditional copper electrolysis plants， and introducing the current development status of intelligent copper electrolysis technology in China. Analysis suggests that intelligent technologies for copper electrolysis in China have been explored and applied in areas such as infrared spectrum short circuit recognition systems， three-dimensional visual detection systems， intelligent transportation and storage of cathode and anode plates， digital spot checks， and online intelligent diagnosis of equipment. Based on this， the future development of intelligent production and management systems for copper electrolysis plants is explored and prospected.

Keywords? intelligent factory; copper smelting; infrared spectral recognition; 3D visual inspection; Intelligent transportation; Digital inspection; online intelligent diagnosis of equipment; digitally assisted decision-making

為推動我國企業加速實現轉型升級，2015年5月，國務院正式印發《中國制造 2025》，提出以促進制造業創新發展為主題，以提質增效為中心，以加快新一代信息技術與制造業深度融合為主線，推進智能制造發展，滿足經濟社會發展和國防建設對重大技術裝備的需求，強化工業基礎能力，提高綜合集成水平，促進產業轉型升級，實現我國制造業由大變強的歷史跨越。在此政策倡導下，國內各行業生產制造企業都在進行“智能工廠”的升級改造和布局。智能工廠能有效地降低企業成本，實現減員增效，減少環境污染，使資源得到有效利用[1-5]。

銅冶煉行業作為傳統重工業的重要組成部分，其產能逐年上升，面對著資源消耗大、生產成本高、招工難、盈利能力受限等問題。同時，隨著環保要求的日益嚴格，風險管理壓力的日益增大，銅冶煉行業亟需結構調整、轉型升級。在此背景下，銅冶煉智能工廠的建設需要采用新型的生產制造模式，改進傳統生產工藝，提高資源利用率，實現安全、清潔生產。本文擬結合銅電解廠生產中存在的主要問題，分析智能化建設對銅電解廠的影響，并對銅電解廠可進一步實施的智能化建設內容進行探討。

1? ?銅電解企業生產面臨的主要問題

銅冶煉企業經常會遇到原料質量不穩定，生產過程波動大、需要反復調整、反應中物質和能量轉換不充分等困境。原料質量不穩定，主要是由于原料多源、成分多變、難冶資源多；生產過程波動大、不穩定，會導致產品質量難以控制；反應中物質和能量轉換不充分，會導致高排放；生產過程反復調整，會導致高能耗。

基于此，技術人員對現在主流銅冶煉生產企業的生產過程進行了研究。研究發現，目前電解車間人工參與的工序依舊很多。例如，對電極短路故障進行排查，對陰極銅質量的檢測，陰極板、陽極板的轉運等都依賴人工操作；企業的生產、維修管理等也多為線下人工或單機管理模式。例如：

1） 電極短路的故障檢測。電流效率和電銅的品級率是考核電解生產效率和能力的重要指標。在電解過程中，經常會發生電極短路的故障現象，影響電解銅的產量、質量并造成電能的損耗。因此，及時檢測出電解槽短路極板并精確定位，一直以來是電解生產管理的難點問題。目前，國內大多數企業仍在使用人工巡檢的方式對電極短路故障進行排查，即在陰極導電棒上灑水觀察蒸發情況，紅外測溫槍測量電極溫度數據，用托表測量電極磁場大小等[６]。此類方法實施較為便捷，但依靠人工手動在電解槽槽面巡回檢測，工人勞動強度極大，很難獲得良好的檢測效果，且無法有效保障短路故障的及時排除，同時非常容易出現漏檢和錯檢現象。因此，銅冶煉企業亟需一種在線高精度檢測及定位系統替代人工巡檢。

2） 陰極銅質量檢測依靠人工。一直以來各大電解廠均采用人工檢測陰極銅質量的方式，在銅板流轉過程中通過目視以及攝像頭實時視頻的方式對陰極銅表面情況進行觀察。此種方式費時費力，漏檢率高，嚴重影響生產與檢測效率[3]。因此，利用機器視覺設備進行自動檢測很有必要。

3） 陰極板、陽極板轉運效率低。大多電解廠陰極板、陽極板轉運靠人工叉車和平板車配合作業，存在效率低、能耗高、車輛尾氣污染環境等問題，也存在道路運輸安全隱患。因此，利用智能控制系統在陰極板、陽極板轉運環節實現無人作業能極大地提高效率、降低能耗、減少安全隱患。

4） 點檢。生產型企業傳統的設備管理模式通常以設備管理信息化系統為抓手，根據點檢標準自動排點檢計劃，手工錄入點檢實績。這種模式已經跟不上時代的步伐，很難使管理人員實時地掌握設備投入運行之后的狀態變化，從而難以及時避免由設備缺陷、隱患、劣化造成的故障停機、停產，甚至重大事故的發生。

2? ?銅電解廠智能優化技術的研發

基于上述問題，中國瑞林工程技術股份有限公司（以下簡稱“中國瑞林”）為了優化生產流程、提高生產效率，對冶煉工廠的智能化、清潔化升級改造進行了諸多嘗試，目前已研發出來并已投入生產，產生了良好應用效果的有紅外光譜短路識別系統、三維視覺檢測系統、陰陽極板智能轉運及倉儲、數字化點檢與設備在線智能診斷系統等。

2.1? 紅外光譜短路識別系統

如前所述，電解過程中經常會發生電極短路故障，人工巡檢存在勞動強度大、檢測效率低、處理不及時等一系列問題。中國瑞林采用電解槽故障電極高精度檢測及定位系統，在紅外熱成像技術的基礎上，結合機器視覺算法及光機電控制技術開發了電極故障高精度檢測及定位系統。該系統能自動掃描監測各電解槽中極板溫度，準確識別并定位出短路極板位置與編號，生成相關報表，進而指導人員處理。

該系統前端監測探頭固定安裝在電解車間頂部鋼梁上，探頭高精度光電轉臺搭載有高分辨率的“雙光譜”相機，可對電解槽極板進行在線24 h不間斷巡航掃描，并將獲取的各電解槽極板溫度和圖像信息通過光纖網絡傳輸至后端工作站分析處理，實現對電解槽短路極板的準確識別和定位，系統可輸出短路極板位置與編號，生成相關報表，指導人員處理。

系統對電解槽面形成“雙光譜”監控，可實時掌握電解車間生產狀況，檢出并定位短路極板的位置。此系統已在國內幾座大型銅電解廠投入使用，效果良好。目前，此技術已被整體輸送至國外銅電解廠且取得了良好效果。紅外在線系統監控示意見圖1。

2.2? 三維視覺檢測系統

三維視覺檢測系統是結合三維點云檢測算法、深度學習、自動化控制、3D視覺相機等綜合而成的應用系統，運用機器視覺設備代替人眼完成檢測、測量和判斷，具有非接觸、可重復、高精度、連續性、高效率等優點。該系統可以檢測出4 mm及以上粒子，并可有效檢測出大面積相連的粒子。該檢測系統不僅可以節省大量人工成本，還可以大大提高銅板缺陷檢測效率，降低缺陷漏檢與誤檢率。同時，借助該系統檢測及計算得到的數據，可對陰極銅進行質量分級，為企業產品提供便利。該三維視覺檢測系統已在貴溪冶煉廠電解車間投運，效果良好。三維視覺檢測系統檢測效果示意見圖2。

2.3? 陰陽極板智能轉運及倉儲

針對極板轉運問題，中國瑞林設計了一套智能轉運及倉儲系統，包括陽極板自動下線、搬運及存儲，自動搬運至電解車間陽極整形機組，陰極銅的自動下線、不合格品的分離、合格品自動在線稱重捆包、在線噴碼、自動入庫、存儲及自動發貨等功能。極板轉運設備通常會采用RGV或AGV，而倉儲可采用穿梭車搬運的立體庫房。該系統的出現真正實現了工段少人化，甚至無人化作業。

該系統于2019年首次在貴溪冶煉廠投入運行，系統采用的RGV運載能力為2.5 t/臺，運行速度最高可達120 m/min，與之匹配的提升機運行速度可達20 m/min。系統采用的單臺堆垛機能力高達40 垛/h，運行速度可達120 m/min。系統采用的AGV運載能力為2.5 t/臺，空載速度達60 m/min，滿載速度達45 m/min。該系統的穩定運行成功解決了該廠電解系統一直以來存在的大量極板運轉問題，有效減少了車間勞動定員，降低了生產成本，獲得了良好的經濟效益。貴冶二系統AGV轉運陰陽極板現場見圖3。

2.4? 數字化點檢與設備在線智能診斷

隨著設備管理數字化、信息化和智能化發展，數字化點檢與設備在線智能診斷手段的出現把維修模式從計劃維修、事后維修向預知性維修、狀態維修轉變，讓設備高效、安全運行，并可進一步降低設備維修成本。

目前，利用數字化、信息化技術，一些先進的銅電解廠已能夠實施的數字化點檢功能要有：1）儀器功能，主要包括點檢項顯示、區域顯示、周期篩選、路線顯示、點檢查詢、數值預測等；2）點檢，主要包括用戶管理，路線、區域、設備、點檢項目管理，設備運行、停機、維修管理，振動、溫度、手抄、觀察量、照片等類型信息的采集、上傳，點檢周期管理，點檢工時統計，點檢結果追憶，報警提示與二次重測等；3）臨時測振，包括提供臨時測振功能，數據可離線保存；4）臨時測溫，包括提供臨時測溫功能，數據可離線保存；5）統計，點檢項目已檢、漏檢、報警統計；6）工具，包括帶密碼管理的針對區域進行 RFID 卡綁定管理，提供待機設置，提供常見物質的發射率；7）通信管理，支持網絡切換、支持斷點續傳。

在此基礎上，中國瑞林對工廠核心設備運行狀態實時數據進行采集、監測、分析、處理，又構建了故障診斷專家系統，其具體功能包括但不限于數據采集、狀態監測、狀態報警、設備健康綜合評價、圖譜分析及全矢普技術、故障專家診斷、趨勢預測、異常數據追溯、報警信息推送等。

1）數據采集。利用已有或新增振動、溫度、相位、轉速等傳感器，獲取振動、溫度、轉速等信息，采集的數據必須同時傳送給工廠實時數據庫，支持Modbus TCP/IP通信協議。

2）狀態監測。實時監測能夠在設備圖形的對應位置顯示各測點標識及系統采集的轉速、振動、溫度、電流等運行狀態的相關數據，并提供多種形式的展現。對工廠實時數據庫中采集的設備相關數據，如設備啟停信息、壓力信息、流量信息等根據實際業務需求，結合系統監測功能及設備評價模型，進行監測與評價分析。

3）狀態報警。建立科學的監測報警體系，對采集的設備狀態關鍵參數進行綜合評判，建立多參數報警機制。可多種形式觸發報警，嚴密監控，無漏網。報警值的設定需要遵循相應國家標準或行業標準。報警信息可及時推送給設備管理系統。

4）設備健康綜合評價。根據設備狀態監測系統采集的參數，通過多方融合，建立客觀、科學、符合工廠實際的設備健康評價模型。該模型按照一定權重進行評分，權重系數可靈活配置。通過該模型可精確判斷機組整體的運行狀態情況（良好、可用、需維修、停機檢修），并根據定制周期自動出具綜合評價報告。評價報告可推送給設備管理系統。

5）圖譜分析及全矢譜技術。系統具備相關圖譜分析功能，對設備故障準確判斷，圖譜分析必須包括常規分析方法及功能，如棒圖、趨勢圖、軸心軌跡圖、時間波形、頻譜、啟停機圖譜、滾動軸承齒輪箱診斷圖譜等。

6）故障專家診斷。系統提供設備故障知識庫，減少設備故障的漏判、誤判情況，結合設備狀態數據對設備故障進行智能診斷，得出明確的診斷結論，并給出相應的維修和維護建議。系統可全面、可靠地診斷設備常見的轉子（轉子平衡、彎曲）、軸承磨損、齒輪斷齒、裂紋等常見的機械故障，并以圖形化展示。設備故障知識庫要求具備以下功能：（1）建立故障現象真偽判別數學模型，以及其他相關的數學模型特征數據庫。（2）設備故障知識庫具備自動檢測完整性、一致性的特點，具有良好的開放性和擴展性，可通過知識確認流程對知識庫不斷充實完善；能夠動態根據自動診斷信息和用戶驗證信息實時調整知識庫結構。（3）可將源于生產的運行經驗進行分類建模，存入知識庫中，方便對運行知識的查詢和修改。

7）趨勢預測。通過監測設備運行的歷史數據，利用相關模型，預測受控設備未來一段時間的運行狀況。若有劣化傾向，系統能夠及時預警，自動將預警信息推送給設備管理系統。

8）異常數據追溯。當設備出現報警時，系統自動保存報警前后一段時間的數據，以便更好地分析報警原因。

9）報警信息推送。系統可以根據角色動態配置報警信息，當設備狀態達到相應的報警閥值時，能夠自動將報警信息推送給設備管理系統。

10）設備狀態統計。設備狀態統計功能負責提供可供定制的監控設備狀態統計報表，包括但不限于設備狀態報表（正常、報警、危險）、綜合評價報表、專家診斷報表等。

3? ?未來探索方向展望

3.1? 生產系統

除了以上描述的工序之外，電解車間人工大幅參與的工序依然存在不少。不同溶液成分的檢測、陰極板成分檢測、藥劑添加等目前仍大都完全由人工操作。因此對于溶液或陰極銅產品成分實現在線檢測、藥劑自動控制添加、專用吊車無人化操作是下一步有待解決的問題。另外，對于自有鐵路運輸系統的電解廠，如何實現同時既滿足汽車自動裝車，又滿足火車車廂自動裝車也是值得探索的方向。

3.2? 管理系統

當生產系統達到一定的智能化程度時，就為智能化管理奠定了基礎。三維數字化輔助決策平臺會成為未來智能電解廠智能化管理建設的重要方向之一。通過搭建可視性高且能實時動態反映車間運行狀態和生產情況的三維數字電解車間輔助決策平臺，有助于生產管理者實時地掌握車間運行情況，及時調整生產計劃，合理分配制造資源，實現資源的高效利用。

設計思路為：將設備的實際屬性與對應的三維模型進行掛接，實現設備屬性的三維查詢管理；通過將電解車間的傳感器數據實時接入三維數字工廠軟件平臺，實現對設備設施實時數據的查看顯示；與此同時，整合管理運營數據，實現三維數字電解車間輔助決策平臺開發。

該平臺的技術特點是，綜合利用三維建模、虛擬現實、地理信息系統等技術手段，將真實的電解車間三維場景客觀、準確、完整地記錄下來，并以可交互、可管理的方式進行展現，從而為優化監控、設備、人員管理等工作提供更為有力的數據支撐和重要的輔助工具。該平臺還能往更深層次擴展工廠運維、展示應用，為工廠的生產管理、調度管理、運檢管理、防災減災與應急指揮等專業應用提供基礎服務支撐，擴展服務范圍，提升服務質量。

理想的電解廠三維數字輔助決策平臺具備以下功能：1）基于三維場景實景視點操作、指定路線瀏覽、設備檢索和空間測量等功能；2）采用真實3D還原生產車間，能夠真實模擬生產過程；在三維傳感器模型上進行實時數據展示；3）在三維工廠場景中通過點擊各種對象查詢設備信息；4）能夠快速定位到發生報警的設備；5）實時采集設備運行狀態，在三維場景中三維模型狀態實時同真實設備運動一致；6）模擬巡檢員按照固定的路線在三維場景中進行巡檢；7）集成現場已安裝的攝像頭，快速定位攝像頭空間位置，點擊調取實時監控視頻；基于虛擬現實技術進行車間瀏覽。

4? ?結語

綜上所述，紅外光譜短路識別系統、三維視覺檢測系統、陰陽極板智能轉運及倉儲和數字化點檢與設備在線智能診斷作為智能化銅電解廠的首批落地方案，如期實現了減少勞動定員、降低勞動強度、提升生產效率的目標，為銅電解行業智能化建設奠定了初步基礎。

智能化將成為依靠地區資源優勢的企業未來發展的重點方向之一。一方面，通過智能建設和改造，用設備的自動化、集成化、智能化替代人工操作，可實現節能減排，提高資源利用效率和優質產品率；另一方面，通過實現無人化作業執行、在線檢測、高性能閉環控制，可提高控制精度，提升產線質量水平。通過實時的數據采集、全程協同的智能排產、質量全流程的智能管控、關鍵設備狀態可視化及預測維修、能源環境精準管控、物流協同優化，可實現工廠管控集中化和扁平化；通過數據集成和共享，生產、物流、設備、能源等資源形成自主綜合、聯動平衡和優化調度，從而真正實現協同高效柔性制造，滿足企業提高產品質量、降低能耗與成本的需求。

參考文獻

[1] 黃培，孫亞婷.智能工廠的發展現狀與成功之道[J]. 國內外機電一體化技術，2017（6）：28-30.

[2] 熊曉洋.大型流程型企業智能工廠建設探索[J].當代石油石，2016，24（7）：9-12.

[3] 饒有發.銅冶煉極板智能化轉運及質檢系統構建方案淺談[J]. 銅業工程，2019（1）：37-41.

[4] 劉海泉.銅冶煉智能工廠應用系統建設方案與思路[J]. 銅業工程，2018（6）：65-69.

[5] 汪飛虎.貴冶智能工廠建設實踐[J]. 銅業工程，2019（1）：1-4.

收稿日期：2023-01-18

作者簡介：高文娟（1986—），女，高級工程師，主要從事有色金屬冶金設計與研究工作。