蔡 兵，徐 躍，羅永春

(1.云南錫業(yè)股份有限公司銅業(yè)分公司，云南個舊 661000；2.一日智能技術(shù)（南京）有限公司，江蘇 南京 650500)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術(shù)與制造業(yè)深度融合的產(chǎn)物，通過構(gòu)建連接機器、物料、人、信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了工業(yè)數(shù)據(jù)的全面感知、動態(tài)傳輸、實時分析[1]，形成了科學(xué)決策與智能控制，提高了制造資源配置效率。

5G作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要支撐載體，將“打通”各生產(chǎn)要素，配合智能化技術(shù)[2]，實現(xiàn)不同生產(chǎn)要素間的高效協(xié)同，從而提高生產(chǎn)效率，使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能感知、泛在連接、實時分析、精準(zhǔn)控制等需求得到滿足[3]，實現(xiàn)制造環(huán)節(jié)中的操作空間集中化、操作崗位機器化、運維輔助遠程化、服務(wù)環(huán)節(jié)線上化，把員工從現(xiàn)場解放出來，實現(xiàn)少人、無人作業(yè)，徹底解決工業(yè)制造領(lǐng)域的現(xiàn)階段痛點。

目前，國內(nèi)銅冶煉行業(yè)對電解槽生產(chǎn)通電極板的短路或斷路故障，均通過人工手持高斯儀表進行監(jiān)測判斷，該方法人工勞動強度較大，存在人工監(jiān)測的不可控或不可靠性，人工手持高斯儀表在電解槽面上走動掃描，還存在踩踏極板后導(dǎo)致極板上陽極泥脫落，同時會對電解液造成擾動，而帶來陽極泥懸浮，不沉降或沉降效果差，導(dǎo)致陰極銅表面生長顆粒的現(xiàn)象，直接影響最終銅產(chǎn)量和質(zhì)量，進一步加重電解極板故障的出現(xiàn)，不利于電解銅的高效生產(chǎn)及銅產(chǎn)品質(zhì)量和指標(biāo)的提高[4]。

近年來，國內(nèi)濕法冶煉精煉行業(yè)極少數(shù)企業(yè)開發(fā)了利用紅外成像儀對電解槽極板進行掃描成像測溫技術(shù)[5]，但只能實現(xiàn)對某一槽內(nèi)是否存在故障極板進行監(jiān)測判斷，無法實現(xiàn)對故障極板坐標(biāo)信息的精準(zhǔn)分析判斷，仍需輔助人工掃描檢查確認(rèn)，找出故障極板，難以對故障極板信息進行準(zhǔn)確判斷。因此，銅冶煉精煉行業(yè)急需能精準(zhǔn)分析判斷電解極板故障信息的裝置。

為優(yōu)化工藝條件，利用信息化技術(shù)、智能芯片技術(shù)、5G通信技術(shù)等，實時監(jiān)控電解槽的出口溶液溫度和槽面極板、導(dǎo)電銅條發(fā)熱狀況，能及時調(diào)整工藝技術(shù)條件和處理異常情況，提高銅電解生產(chǎn)效率、A級銅產(chǎn)品質(zhì)量，減少勞動定員，節(jié)省能耗[6]。

1 極板智能檢測技術(shù)

極板智能檢測技術(shù)主要是通過紅外熱成像方法實現(xiàn)。紅外熱成像是運用光電技術(shù)檢測物體熱輻射波長0.75μm到1000μm的特定電磁波信號，將該信號計算并顯示物體的表面溫度分布，轉(zhuǎn)換成可供人類視覺分辨的圖像和圖形。紅外熱成像技術(shù)使人類超越了視覺障礙，由此人們可以“看到”物體表面的溫度分布狀況。

1.1 熱成像的主要裝置

熱成像系統(tǒng)包括銅電解槽、紅外熱成像儀、數(shù)據(jù)中心處理器、器數(shù)顯示器、報警裝置、5G網(wǎng)絡(luò)。將紅外熱成像儀（1）安裝于電解槽（12）上方，熱成像儀數(shù)據(jù)連接中心處理器（9），處理后的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)顯示器（10）顯示，根據(jù)生產(chǎn)設(shè)定，對異常極板由報警器（11）警示；紅外熱成像儀頂部開有散熱用冷空氣進氣孔、側(cè)面開設(shè)有熱空氣排氣孔（6）的抗磁干擾隔離罩（3），隔離罩內(nèi)安裝有風(fēng)扇（4）和測溫器（7）；并且進、排氣孔上設(shè)有纖維膜（5），紅外熱成像儀的鏡頭朝下伸出抗磁干擾隔離罩。紅外熱成像儀與中心處理器、數(shù)據(jù)顯示器通過5G網(wǎng)絡(luò)（8）進行數(shù)據(jù)連接。

圖1 熱成像裝置連接示意圖

1.2 熱成像的應(yīng)用方法

將紅外熱成像儀安裝于電解槽槽面上方，紅外熱成像儀對電解槽槽面及其銅電解極板拍照成像，將紅外熱成像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，紅外熱成像儀安裝位置為高于電解槽水平槽面高度12m處，對垂直中心面積為15＊14米范圍內(nèi)的電解槽槽面及其銅電解極板可進行高清紅外掃描成像、識別。紅外熱成像儀每0.5～10ms（可調(diào)節(jié)掃描速度）對掃描范圍內(nèi)電解槽槽面銅電解極板巡檢掃描成像一次，通過頻繁掃描對槽面銅電解極板的紅外溫度數(shù)據(jù)進行采集和識別，將紅外熱成像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過5G網(wǎng)傳輸至中心處理器進行數(shù)據(jù)處理，進行故障極板信息判斷，最終由數(shù)據(jù)顯示器顯示故障極板位號、溫度。通過5G網(wǎng)絡(luò)實時傳輸給相關(guān)人員。

2 5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

當(dāng)銅電解極板出現(xiàn)短路或斷路故障時，極板表面將出現(xiàn)熱場變化，其熱場（或熱輻射強度）與非故障極板熱場存在明顯差異，銅電解槽槽面溫升態(tài)勢智能監(jiān)控系統(tǒng)通過紅外熱成像的光強度的高靈敏度探測掃描系統(tǒng)，可以把這一熱場直觀的反映出來。根據(jù)熱像圖，很容易找出熱場中的最高溫度點或最低溫度點，這個最高溫度點和最低溫度點就是熱故障點，也就是電解槽中出現(xiàn)短路或斷路故障的極板。電解槽槽面溫升態(tài)勢智能監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)上述原理將電解槽中銅電解極板進行精確測溫，并將溫度異常的銅電解極板的準(zhǔn)確定位信息予以上報。

陰極板智能檢測技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，擁有以下優(yōu)點：

和當(dāng)前的人工巡視檢測溫度的方式比較，銅電解槽槽面溫升態(tài)勢智能監(jiān)控系統(tǒng)能自動檢測區(qū)域溫度。和當(dāng)前人工每隔一段時間進行溫度一次檢測，陰極板智能檢測技術(shù)能24小時不間斷的每秒幾十次密集采集實時溫度。

能實時進行數(shù)據(jù)采集，并將結(jié)果反饋在主機上。解決了人工檢測可靠度低、準(zhǔn)確性差等問題，降低了工人勞動強度，還有效避免了人工手持高斯儀表掃描電解槽時對電解液的擾動和對陽極泥沉降效果的影響。

系統(tǒng)帶溫度自動修正功能，確保監(jiān)控顯示溫度與實際溫度差在2℃以內(nèi)，實現(xiàn)銅電解極板溫度監(jiān)測精度達±2℃，對故障極板表面溫度變化的高靈敏度信息收集，實現(xiàn)精準(zhǔn)判斷出故障極板坐標(biāo)位置等信息，不需要人工二次掃描查找故障極板，此外，還可輔助故障在線聯(lián)網(wǎng)報送，可實現(xiàn)管理者或操作人員遠程深度掌握實時生產(chǎn)狀況，便于操作人員精準(zhǔn)處理故障極板，有效控制無效電耗，實現(xiàn)電解銅生產(chǎn)提質(zhì)增效的目的。

能定點監(jiān)控電解槽出口溶液的溫度，并在線實時顯示溫度值。能對電解槽內(nèi)所有極板及導(dǎo)電銅條的溫升情況進行區(qū)域監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常（溫度大于60℃）能及時報警，并能準(zhǔn)確定位極板位置，推送提示信息。

陰極板智能檢測技術(shù)通過自動采集區(qū)域溫度，自動處理溫度報警，自動存儲溫度數(shù)據(jù)等等功能，能降低人員的工作強度，提升現(xiàn)場工作人員的工作效率，減少事故的發(fā)生；

特別適用于銅電解過程的工藝狀況的連續(xù)、實時監(jiān)測，便于及時發(fā)現(xiàn)銅電解故障極板情況，從而提供精準(zhǔn)故障極板信息給現(xiàn)場操作人員，及時處理，確保生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定和銅產(chǎn)量的提高。

通過銅電解槽槽面溫升態(tài)勢智能監(jiān)控系統(tǒng)的使用運行，能做到24小時不間斷的溫度監(jiān)測和報警處理，能通過多種方式比如聲光報警，LED屏信息顯示，移動APP終端應(yīng)用，與MES系統(tǒng)完成通訊對接等等，來達到實時送達報警數(shù)據(jù)，及時提醒工作人員處理溫度報警事件，減少或避免事故的發(fā)生，來實現(xiàn)人員效益的提升。

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

在電解車間電解槽正上方安裝前端溫度采集系統(tǒng)，實時監(jiān)控槽面溫度，所采集數(shù)據(jù)上傳到主控室后端服務(wù)器平臺，通過后端智能管理分析平臺和應(yīng)用展示報警平臺實現(xiàn)智能分析和控制。對槽面溫度的測量時間和周期可根據(jù)生產(chǎn)情況由用戶自行設(shè)定，設(shè)置溫度報警值，溫度超過報警值時報警并顯示報警點信息（數(shù)據(jù)、區(qū)域、現(xiàn)場圖、成像圖等），通過對數(shù)據(jù)的智能分析實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境、流程、能耗、人員調(diào)配等優(yōu)化。

2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

信號探測采用高精度紅外熱成像測溫模塊、分布式光纖感溫探測模塊、無源指標(biāo)探測采集模塊。

數(shù)據(jù)采集分析管理服務(wù)器和應(yīng)用展示報警服務(wù)器、主控工作站，對銅電解車間電解槽實現(xiàn)多點立體追蹤、定點監(jiān)控，系統(tǒng)整體采用國際最先進的數(shù)字化解調(diào)技術(shù)。

在核心技術(shù)上，采用物聯(lián)網(wǎng)和機器視覺分析等多項智能技術(shù)。

在系統(tǒng)核心算法上，采用自主知識產(chǎn)權(quán)海量工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境位置數(shù)據(jù)迭代自學(xué)習(xí)自適應(yīng)算法，實現(xiàn)了系統(tǒng)全程非人工干預(yù)的高精度自運行模式。

在施工工藝上，現(xiàn)場設(shè)備均采用鎧裝護套屏蔽線纜和航空接插件連接安裝；采用國際標(biāo)準(zhǔn)恒流穩(wěn)壓電源集中統(tǒng)一供電；采用工業(yè)級現(xiàn)場設(shè)備，結(jié)合IP68輕型防爆防腐纖維護罩等新技術(shù)產(chǎn)品的綜合防護；保障前端采集設(shè)備穩(wěn)定運行和信息數(shù)據(jù)的持續(xù)傳輸。

2.5 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

采用成熟的軟硬件深度融合架構(gòu)，集成多個高性能物理運算模塊，提供性能卓越的數(shù)據(jù)處理和圖形分析性能，具備多種可擴展接口。服務(wù)器主機專為復(fù)雜多變、要求多樣的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測環(huán)境設(shè)計，采用目前業(yè)內(nèi)較新的數(shù)據(jù)引擎和技術(shù)，具備專業(yè)化、人性化、自動化的軟件功能。服務(wù)器主機集成了指標(biāo)監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、智能分析、加密存儲、管理服務(wù)等多樣的功能模塊。

后端服務(wù)器平臺系統(tǒng)實現(xiàn)將數(shù)據(jù)采集、指標(biāo)參數(shù)、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)解碼、系統(tǒng)控制和報警管理等多體系技術(shù)完整整合。作為一臺集數(shù)據(jù)采集編解碼服務(wù)器、管理中心服務(wù)器、加密存儲服務(wù)器、處理器控制處理和管理服務(wù)器的綜合體，每個功能既能獨立使用，也能按需組合使用。服務(wù)器功能豐富且高度集成，不僅能同時滿足現(xiàn)場監(jiān)測的不同需求，還能大大減少硬件設(shè)備成本，在輕量化，低成本的前提下，性能也遙遙領(lǐng)先同類產(chǎn)品。

后端服務(wù)器平臺系統(tǒng)框圖如圖2所示，可根據(jù)實際的需求進行不同的配置，包括控制計算機、網(wǎng)絡(luò)交換機、控制設(shè)備（光轉(zhuǎn)發(fā)器、矩陣控制器等）?，F(xiàn)場采集數(shù)據(jù)通過傳輸網(wǎng)絡(luò)傳至監(jiān)控中心，溫度數(shù)據(jù)通過服務(wù)器處理后，在電視墻和顯示器上實時展現(xiàn)，滿足對現(xiàn)場畫面和溫度實時監(jiān)控的需求。

圖2 5G陰極板短路智能檢測技術(shù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖

3 結(jié)論

陰極板短路智能檢測技術(shù)實現(xiàn)對電解槽內(nèi)所有陰極板及導(dǎo)電銅條的溫升情況進行區(qū)域監(jiān)測，對出現(xiàn)異常的點進行準(zhǔn)確定位，并把發(fā)熱點位置及溫升情況做出顯示和預(yù)警，并能提供報警和歷史數(shù)據(jù)查詢及輸出功能。能實時進行數(shù)據(jù)采集，并將結(jié)果反饋在工作站和移動端用戶界面上，監(jiān)控電解槽極板電極聯(lián)接處溫度，在出現(xiàn)異常高溫時能報警并輸出目標(biāo)位置，能設(shè)定報警上限值，當(dāng)溫度達到上限能做出報警并能準(zhǔn)確定位異常點具體位置，定位誤差在2×2cm以內(nèi)。該技術(shù)帶溫度自動修正功能，確保監(jiān)控顯示溫度與實際溫度差在2℃以內(nèi)，能實時顯示監(jiān)控范圍內(nèi)的溫度，自動生成數(shù)據(jù)庫和統(tǒng)計報表，能與現(xiàn)有生產(chǎn)及監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接，輔助車間實現(xiàn)自動化無人生產(chǎn)。