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

(萬寶礦產有限公司，北京 100053)

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

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，采用紅外感知技術監(jiān)測電解槽溫度變化可以反映電路相關指標，但這主要應用在電解工藝溫度和電流關聯(lián)關系擬合方面[4]。在電解銅或電解鋁生產電路故障診斷方面，有人提出將紅外采集設備與滑動軌道相結合，收集溫度并判斷電路故障[5-6]，但此系統(tǒng)結構復雜，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)測的相關研究尚未見有報道。

試驗提出借助熱成像技術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)總體設計

1.1 基本原理

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

設正常生產時極板溫度最高為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 組成結構

通過溫度采集層、數據傳輸層和分析處理層，形成圖1所示系統(tǒng)邏輯結構，實現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備。

圖1 系統(tǒng)邏輯結構示意

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

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

2 數據分析處理模塊

數據分析處理是構建銅電積車間電路故障智能監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵，是軟件應用系統(tǒng)的核心，主要通過溫度采集層和分析處理層實現對數據的分析處理。

圖2數據分析處理邏輯中，熱成像攝像機為溫度采集層主要設備，通過設定監(jiān)控區(qū)域、巡航路徑、溫度閥值等參數，可以尋找并上報當前監(jiān)控區(qū)域內的溫度異常點位。同時，分析處理層通過軟件模塊，解析溫度異常點位對應位置，判斷溫度異常點位是否出現短路或斷路故障，給出可供讀取的文字預警信息和實時監(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 數據分析處理邏輯

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)控服務器；結構化溫度采集和監(jiān)測預警信息在服務器和磁盤陣列中存儲，可進行有效數據備份；視頻信息存儲在數字視頻監(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據采集的影響。

蒙育瓦銅礦設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 參數計算

設置球型攝像機預置位和巡航路徑，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，計算垂直監(jiān)測距離、水平覆蓋范圍、單次監(jiān)測覆蓋范圍和預置位設置等工程參數，保證溫度采集數據準確有效。

1)基本參數

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。綜合考慮蒙育瓦銅礦的自然環(huán)境、電積工藝條件及現有熱成像攝像機發(fā)展水平，確定熱成像球型攝像機基本參數，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)測預警的最小范圍。

表1 熱成像球型攝像機基本參數

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

當球型攝像機轉動時，鏡頭切線與電積槽邊緣為非平行關系。如圖5所示，將球型攝像機轉動時的有效視距內可以覆蓋的最大監(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

設球型攝像機單側水平覆蓋范圍為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。設球型攝像機單次監(jiān)測單側覆蓋范圍為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)預置位設置

設置預置位，引導球型攝像機自動巡航，可以擴大溫度采集和監(jiān)測范圍，降低建設成本；同時，也可保證溫度采集和監(jiān)測的及時性。預置位越多，所需球型攝像機數量越少，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，合理設置預置位是實現系統(tǒng)功能的重要影響因素之一。

設球型攝像機預置位設置數量為y，則

(4)

4 應用案例

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備；計算所得b約為11 m；以單個球型攝像機為中心，雙側覆蓋范圍約為22 m。單次監(jiān)測中：v=ds時，攝像機單側覆蓋距離2.7 m，雙側共覆蓋5.4 m；v=dl時，攝像機單側覆蓋距離4.1 m，雙側共覆蓋8.2 m；v=r時，攝像機單側覆蓋距離4.8 m，雙側共覆蓋9.6 m。

表2 雙光譜熱成像球型攝像機參數

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，每臺攝像機設置約4個預置位；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，每臺攝像機設置約3個預置位。

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、每臺攝像機設置3個預置位方案。其中，每個預置位溫度采集時間為1 min。

同時，蒙育瓦銅礦在原有數字視頻監(jiān)控系統(tǒng)[9]基礎上集成開發(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)測和預警的自動化程度，降低了極板電路故障發(fā)現難度。

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，數據實現了分析、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)結構，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組織、提升槽面管理水平具有普遍適用性。