杜素忠，梁新星，周飛舟，賀小齊，侯建碩，李新宇

(萬(wàn)寶礦產(chǎn)有限公司，北京 100053)

銅電積過(guò)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(huì)引起極板間發(fā)生短路或斷路現(xiàn)象[1]，進(jìn)而導(dǎo)致“燒板”[2]、銅板厚薄不均、電效降低等問(wèn)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(cè)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(lái)，有研究者提出，采用紅外感知技術(shù)監(jiān)測(cè)電解槽溫度變化可以反映電路相關(guān)指標(biāo)，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(dòng)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(duì)大型銅電積車間槽面電路故障監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究尚未見(jiàn)有報(bào)道。

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

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 基本原理

銅電積過(guò)程中，電流效應(yīng)導(dǎo)致極板產(chǎn)生一定溫度。當(dāng)極板發(fā)生短路或斷路故障時(shí)，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(cè)指標(biāo)之一[7]。

設(shè)正常生產(chǎn)時(shí)極板溫度最高為th，最低為tl，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度為tt，則：極板斷路時(shí)，ttth。其中，th和tl是相對(duì)的，并非固定不變。設(shè)置時(shí)要綜合考慮銅電積工藝和自然環(huán)境等影響因素并及時(shí)修正，也可通過(guò)背景溫度對(duì)比獲得。

1.2 組成結(jié)構(gòu)

通過(guò)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(shí)現(xiàn)電積車間極板短路或斷路故障實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、傳輸、分析、利用和共享目標(biāo)。

溫度采集層：通過(guò)若干固定安裝在電積槽面上方的熱成像攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)極板溫度變化的不間斷收集和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。對(duì)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(jī)采集信息；對(duì)于采集范圍小、安裝條件較好情況，可選擇筒型機(jī)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(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)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?jǐn)?shù)據(jù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)和利用。

數(shù)據(jù)傳輸層：負(fù)責(zé)將溫度采集信息上報(bào)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(diǎn)，實(shí)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(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，是軟件應(yīng)用系統(tǒng)的核心，主要通過(guò)溫度采集層和分析處理層實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)為溫度采集層主要設(shè)備，通過(guò)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(bào)當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的溫度異常點(diǎn)位。同時(shí)，分析處理層通過(guò)軟件模塊，解析溫度異常點(diǎn)位對(duì)應(yīng)位置，判斷溫度異常點(diǎn)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(shí)時(shí)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(zhǎng)期存儲(chǔ)、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(cè)預(yù)警信息在服務(wù)器和磁盤陣列中存儲(chǔ)，可進(jìn)行有效數(shù)據(jù)備份；視頻信息存儲(chǔ)在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻中心存儲(chǔ)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(dòng)、車間規(guī)模等均影響溫度采集效果。合理布置球型攝像機(jī)安裝位置，可避免這些因素對(duì)溫度數(shù)據(jù)采集的影響。

蒙育瓦銅礦設(shè)置有多個(gè)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(gè)單元，每單元超過(guò)30個(gè)電積槽，每槽極板數(shù)量在120個(gè)以上；車間行車按照不同批次橫向1/2自動(dòng)帶電出銅，對(duì)正上方形成阻擋，正上方直接進(jìn)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(jī)、對(duì)端監(jiān)測(cè)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(zhǔn)確性，降低投資成本。

圖3 對(duì)端溫度采集安裝示意

3.2 參數(shù)計(jì)算

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

選擇熱成像球型攝像機(jī)時(shí)，需要考慮攝像機(jī)性能參數(shù)，計(jì)算垂直監(jiān)測(cè)距離、水平覆蓋范圍、單次監(jiān)測(cè)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(zhǔn)確有效。

1)基本參數(shù)

工作溫度、存儲(chǔ)溫度、測(cè)量精度和目標(biāo)對(duì)象尺寸是選擇球型攝像機(jī)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(jī)發(fā)展水平，確定熱成像球型攝像機(jī)基本參數(shù)，見(jiàn)表1。其中，目標(biāo)對(duì)象最小尺寸決定了極板發(fā)生短路或斷路時(shí)可監(jiān)測(cè)預(yù)警的最小范圍。

表1 熱成像球型攝像機(jī)基本參數(shù)

2)垂直監(jiān)測(cè)距離

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

設(shè)球型攝像機(jī)垂直監(jiān)測(cè)距離為d，則

(1)

式中：h—攝像機(jī)垂直安裝高度，m；l—攝像機(jī)和被監(jiān)測(cè)對(duì)象的水平距離，m。

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

圖4 垂直監(jiān)測(cè)距離示意

設(shè)球型攝像機(jī)有效最短監(jiān)測(cè)距離為rs，則要求rs

3)水平覆蓋范圍

當(dāng)球型攝像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的有效視距內(nèi)可以覆蓋的最大監(jiān)測(cè)范圍定義為水平覆蓋范圍，則該參數(shù)限制了球型攝像機(jī)監(jiān)測(cè)電積槽面電路故障時(shí)水平方向可達(dá)到的最遠(yuǎn)位置。

圖5 水平覆蓋范圍示意

設(shè)球型攝像機(jī)單側(cè)水平覆蓋范圍為b，則

(2)

式中，r—攝像機(jī)有效最遠(yuǎn)視距，m。

4)單次監(jiān)測(cè)覆蓋范圍

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

(3)

式中：v—攝像機(jī)鏡頭平面和監(jiān)測(cè)目標(biāo)的直線距離，m；γ—攝像機(jī)水平視場(chǎng)角，(°)。因電解槽為水平布置，所以，可不考慮攝像機(jī)垂直視場(chǎng)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(jī)自動(dòng)巡航，可以擴(kuò)大溫度采集和監(jiān)測(cè)范圍，降低建設(shè)成本；同時(shí)，也可保證溫度采集和監(jiān)測(cè)的及時(shí)性。預(yù)置位越多，所需球型攝像機(jī)數(shù)量越少，電積槽面溫度采集和監(jiān)測(cè)難度越高，及時(shí)性越差，對(duì)熱成像球型攝像機(jī)計(jì)算能力要求也越高，所以，合理設(shè)置預(yù)置位是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要影響因素之一。

設(shè)球型攝像機(jī)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(jì)算所得ds=12.5 m，dl=19 m，因此，確定球型攝像機(jī)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(jī)為溫度采集設(shè)備；計(jì)算所得b約為11 m；以單個(gè)球型攝像機(jī)為中心，雙側(cè)覆蓋范圍約為22 m。單次監(jiān)測(cè)中：v=ds時(shí)，攝像機(jī)單側(cè)覆蓋距離2.7 m，雙側(cè)共覆蓋5.4 m；v=dl時(shí)，攝像機(jī)單側(cè)覆蓋距離4.1 m，雙側(cè)共覆蓋8.2 m；v=r時(shí)，攝像機(jī)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(jī)參數(shù)

因此，如果以水平覆蓋范圍和單次監(jiān)測(cè)覆蓋范圍最大值計(jì)算，每單元約需2臺(tái)攝像機(jī)，每臺(tái)攝像機(jī)設(shè)置約4個(gè)預(yù)置位；如果以水平覆蓋范圍和單次監(jiān)測(cè)覆蓋范圍最小值計(jì)算，則每單元約需3臺(tái)攝像機(jī)，每臺(tái)攝像機(jī)設(shè)置約3個(gè)預(yù)置位。

綜合考慮成本及監(jiān)測(cè)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，采用每單元安裝3臺(tái)攝像機(jī)、每臺(tái)攝像機(jī)設(shè)置3個(gè)預(yù)置位方案。其中，每個(gè)預(yù)置位溫度采集時(shí)間為1 min。

同時(shí)，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(kāi)發(fā)了銅電積車間槽面電路故障智能監(jiān)測(cè)分析功能，解決了熱成像攝像機(jī)操作和顯示的友好性問(wèn)題，提高了監(jiān)測(cè)和預(yù)警的自動(dòng)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(lái)，車間極板短路和斷路故障檢測(cè)頻率由原來(lái)的平均每4 h一次人工檢查縮短至每3 min一次自動(dòng)檢查，故障檢測(cè)準(zhǔn)確率大大提高，漏檢率接近于零，數(shù)據(jù)實(shí)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(dòng)影響較小。

5 結(jié)論

在銅電積車間，對(duì)槽面電路采用故障智能監(jiān)測(cè)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(yáng)極板短路或斷路故障監(jiān)測(cè)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，減少誤判、漏檢等問(wèn)題。該系統(tǒng)對(duì)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。