王一丁，賀文強(qiáng)，賈瑞明（北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京　100041）

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銅電解槽極板短路紅外檢測(cè)系統(tǒng)

王一丁，賀文強(qiáng)，賈瑞明
（北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100041）

摘要：

關(guān)鍵詞：

紅外檢測(cè)；極板短路；電解槽

0　引言

銅電解槽生產(chǎn)系統(tǒng)中，因陰極板的平整度較差、陰陽(yáng)極間距離不均勻而出現(xiàn)電流分布不均現(xiàn)象，繼而陰極板上產(chǎn)生結(jié)粒引發(fā)短路及極板溫度升高，這會(huì)造成電能消耗增大、銅產(chǎn)量急劇下降。國(guó)內(nèi)外極板短路檢測(cè)方法有：一是利用傳感器監(jiān)控電解槽的電壓，這種系統(tǒng)對(duì)于傳統(tǒng)工藝的電解槽檢測(cè)短路的效果差且成本昂貴[1］；二是用手托式查槽器排查因短路造成的高溫，該方法需要人力在槽面進(jìn)行檢測(cè)，耗時(shí)且容易出錯(cuò)[2］。

針對(duì)以上背景和已有方法的不足，設(shè)計(jì)了銅電解槽極板短路紅外檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠自主檢測(cè)短路極板并定位，能夠幫助工人及時(shí)處理短路極板故障。

1　方案設(shè)計(jì)

圖1給出了總體方案示意圖，按功能劃分，整個(gè)銅電解極板短路紅外檢測(cè)系統(tǒng)主要包括軌道子系統(tǒng)、巡檢小車(chē)子系統(tǒng)、信息通信子系統(tǒng)、信息處理與交互子系統(tǒng)。

系統(tǒng)的主要原理是首先在廠房梁架上鋪軌道，讓攜帶有相機(jī)、Wi-Fi等設(shè)備的自主充電式巡檢小車(chē)在軌道上方行駛并采集紅外圖像；接著通過(guò)信息處理子系統(tǒng)將圖像等信號(hào)傳輸?shù)叫畔⑻幚砼c交互子系統(tǒng)；然后信息處理與交互子系統(tǒng)通過(guò)紅外圖像短路極板的高溫信息定位出短路極板位置，最后并將短路故障信息顯示在交互設(shè)備上，用戶根據(jù)顯示器和手持掌聲電腦PDA上的任務(wù)清單及時(shí)處理短路極板故障。

圖1　總體方案示意圖

1.1軌道子系統(tǒng)

由于紅外相機(jī)比較昂貴，難以在每一個(gè)電解槽上方都安裝紅外相機(jī)，所以本系統(tǒng)采用攜帶有紅外相機(jī)的巡檢小車(chē)在軌道上行駛采集圖像，這也是采用軌道的原因。圖2是部分軌道示意圖，為了減少?gòu)S房吊車(chē)對(duì)巡檢小車(chē)的影響，用連接桿將軌道與廠房梁架連接。為了確保采集小車(chē)行駛安全，采用橫截面為工字形的軌道。實(shí)際中鋪設(shè)了四條各長(zhǎng)400米的直形軌道，軌道之間的間隔是10米，為了確保巡檢小車(chē)能在任一軌道行駛，用三個(gè)圓形軌道將四條直形軌道連接起來(lái)，軌道終端安裝充電塢供巡檢結(jié)束的小車(chē)充電。

圖2　軌道示意圖

1.2巡檢小車(chē)子系統(tǒng)

巡檢小車(chē)采用無(wú)線模式，即采用電池運(yùn)行和無(wú)線傳輸。上面攜帶有電池、充電陰陽(yáng)極、Wi-Fi、ZigBee、紅外相機(jī)、電路板等設(shè)備，材質(zhì)選擇具有抗酸性腐蝕的聚氯乙烯板和金屬鈦。巡檢小車(chē)可以執(zhí)行中控室軟件發(fā)出的控制指令，能夠被定時(shí)或手動(dòng)控制往復(fù)運(yùn)動(dòng)以便采集電解槽紅外圖像。通過(guò)Wi-Fi傳輸相機(jī)采集的圖像，為了防止圖像信息對(duì)小車(chē)控制指令的干擾，小車(chē)控制指令采用ZigBee專用通道進(jìn)行傳輸。在系統(tǒng)中采用2個(gè)巡檢小車(chē)分別在各自的兩條軌道上運(yùn)行，為了增加檢測(cè)效率，當(dāng)其中一個(gè)小車(chē)充電時(shí)，另外一個(gè)小車(chē)能在四條軌道上單獨(dú)運(yùn)行。

1.3信息通信子系統(tǒng)

圖3是信息通信子系統(tǒng)，圖中展示了通信設(shè)備和通信線路的位置分布和連結(jié)關(guān)系圖。在廠房中央安裝兩個(gè)通信盒，通信盒中具備有Wi-Fi和ZigBee等設(shè)備，信息處理軟件通過(guò)通信盒向小車(chē)發(fā)送控制指令以及接收采集的圖像。在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際路程選擇雙絞線和光纖。手持掌上電腦PDA通過(guò)廠房東區(qū)和西區(qū)的Wi-Fi與中控室通信，用戶可以借助PDA隨時(shí)查看電解槽極板短路信息，便于用戶及時(shí)處理電解槽短路極板。

圖4是信息處理與交互子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)在中控室，主要包括信息處理端、服務(wù)器、LED顯示端、電視顯示端等軟件，這是總系統(tǒng)的核心部分。采集到的電解槽紅外圖像由信息處理端軟件顯示并通過(guò)算法定位短路極板位置，信息處理端通過(guò)服務(wù)器將短路極板故障信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。顯示端電視機(jī)和LED屏的短路極板故障信息通過(guò)服務(wù)器隨時(shí)保持與數(shù)據(jù)庫(kù)信息一致，以便于現(xiàn)場(chǎng)用戶和中控室用戶觀察。

圖3　信息通信子系統(tǒng)

圖4　信息處理與交互子系統(tǒng)

1.4信息處理與交互子系統(tǒng)

圖5是信息處理軟件界面圖，該軟件主要功能是：通過(guò)ZigBee實(shí)時(shí)向巡檢小車(chē)發(fā)送控制指令以及監(jiān)控小車(chē)狀態(tài)；實(shí)時(shí)顯示巡檢小車(chē)傳回的圖像；可以設(shè)置自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)無(wú)需人工干預(yù)便可自動(dòng)控制巡檢小車(chē)定時(shí)工作和充電；將采集的圖像經(jīng)過(guò)算法處理定位出短路極板所在位置，并將該信息通過(guò)服務(wù)器上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)等。

2　電解槽圖像特征分析和分割

2.1圖像增強(qiáng)

紅外圖像普遍存在整體偏暗、對(duì)比度差等特點(diǎn)，為了能夠從圖像中正確的識(shí)別目標(biāo)，便后續(xù)工作的進(jìn)行，采用自適應(yīng)直方圖均衡算法CLAHE[3］對(duì)電解槽原圖進(jìn)行增強(qiáng)。圖6給出了電解槽原圖和自適應(yīng)直方圖均衡后的增強(qiáng)圖。

圖5　信息處理界面圖

圖6　電解槽原圖、增強(qiáng)圖

2.2電解槽分割

電解槽分割中的難點(diǎn)是邊緣檢測(cè)，表1給出了幾種邊緣檢測(cè)方法和槽體邊緣檢出率的關(guān)系。通過(guò)表1可以看出Canny[4］邊緣檢測(cè)算子在本系統(tǒng)中效果最好。

表1　檢測(cè)方法與邊緣檢出率

分割步驟如下：用Canny算子求出圖7（a）原圖的邊緣圖像得到圖7（b）；利用圖7（b）中箭頭5左方邊緣信息定位出槽體邊緣，將槽體邊緣的左方設(shè)置成感興趣區(qū)域，在感興趣區(qū)域?qū)ふ覉D7（a）箭頭1～4所指的注液槽，圖7（c）中箭頭6～9所指即是采用大津閾值二值化后[5］的注液槽；利用注液槽的大小和長(zhǎng)寬比篩出不符合干擾輪廓便可定位出注液槽；再利用注液槽與電解槽的固定位置關(guān)系以及電解槽的大小便可以分割出電解槽。圖7（d）是分割出電解槽圖，該電解槽對(duì)應(yīng)圖7 （a）箭頭3所指。

圖7　電解槽分割示意圖

2.3電解槽圖像特征分析

電解槽圖像中短路極板的溫度較高，表現(xiàn)在紅外圖像上便是短路極板處顯示亮色，圖8中箭頭1～4所指亮色區(qū)域代表的是短路極板。部分電解槽會(huì)因?qū)嶋H需求而在上方蓋上保溫布，圖8（a）和圖8（b）是兩個(gè)在相差很短時(shí)間間隔內(nèi)拍攝的蓋布電解槽圖像和未蓋布電解槽圖像。從兩幅圖中可以明顯看出短路極板位置與正常位置有著巨大差異，本系統(tǒng)利用這種差異特征定位出短路極板位置。

圖8　蓋布和未蓋布電解槽圖像

2.4短路極板提取

圖9給出了搜索方案，通過(guò)設(shè)置經(jīng)驗(yàn)閾值，并利用短路極板的高溫信息將電解槽圖像中短路極板定位出來(lái)。圖9中箭頭2～3所指便是短路極板。

圖9　短路極板搜索方案示意圖

3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與誤差分析

3.1溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和誤差分析

系統(tǒng)主要是通過(guò)測(cè)量圖像中的高溫來(lái)檢測(cè)短路極板，因此需要統(tǒng)計(jì)出紅外相機(jī)的溫度誤差。人工測(cè)量蓋布和未蓋布的短路極板溫度并與紅外相機(jī)測(cè)量的溫度進(jìn)行比對(duì)，得到如表2所示的溫度誤差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2　溫度誤差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

本系統(tǒng)使用的是長(zhǎng)波紅外攝像機(jī)中的高端產(chǎn)品，其噪聲等效溫差（NETD）為50mK@30℃with F/1 lens。也即是在理想均勻穩(wěn)定的30℃環(huán)境溫度下，配合光圈1.0的鏡頭，相機(jī)溫度分辨率為0.05℃。但在實(shí)際應(yīng)用中，紅外測(cè)溫受到很多因素干擾，在本系統(tǒng)中主要有以下幾個(gè)因素：一是成像距離，成像距離越遠(yuǎn)，紅外波段光線在傳輸過(guò)程中受到的影響越大，導(dǎo)致測(cè)溫不準(zhǔn)確。通常手持紅外測(cè)溫設(shè)備測(cè)量距離一般在0.1米以內(nèi)，而系統(tǒng)中的紅外相機(jī)距離槽面約10米；二是環(huán)境溫度，紅外測(cè)溫是以周?chē)h(huán)境溫度為基準(zhǔn)的，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，攝像機(jī)的芯片特性也隨之變化，進(jìn)而影響測(cè)溫；三是空氣濕度，當(dāng)空氣濕度較大時(shí)，懸浮液體顆粒會(huì)吸收紅外波段的光線，影響測(cè)溫。

3.2系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和誤差分析

為了衡量系統(tǒng)檢測(cè)極板短路故障的檢測(cè)率，定義了以下參數(shù)來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)的正確性，設(shè)算法檢測(cè)短路數(shù)為M，人工檢測(cè)短路數(shù)為N，并且假設(shè)人工檢測(cè)短路極板數(shù)都為正確的。其中極板發(fā)生了短路故障，但是沒(méi)有檢測(cè)到的數(shù)量a稱作漏檢數(shù)；極板沒(méi)有發(fā)生短路故障，被錯(cuò)誤的判斷為發(fā)生故障的數(shù)量b稱作誤檢數(shù)；正確檢出短路故障的概率稱作檢出率，如式1所示；將正常極板誤認(rèn)為短路故障的概率稱作誤檢率，如式2所示；所有漏檢和誤檢電極的概率稱作總誤差率，如式3所示：

隨機(jī)選擇一部分區(qū)域的電解槽，將系統(tǒng)檢出結(jié)果與人工檢測(cè)結(jié)果相互比對(duì)。得到表3所示的短路統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3　短路統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4給出了本系統(tǒng)的檢出率、誤檢率和總誤差率。

表4　檢出率、誤檢率和總誤差率

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)的檢出率比較高，接近100％；誤檢率相對(duì)也較低，總誤差率4.7％。根據(jù)檢出率與誤檢率的公式可以看出，這一對(duì)參數(shù)是矛盾關(guān)系：當(dāng)調(diào)高檢出閾值時(shí)，可以減少正常電極被誤檢為故障的概率，但是同時(shí)也會(huì)漏掉部分溫度特征不明顯的故障電極，得到低檢出率和低誤檢率；同樣，當(dāng)調(diào)低檢出閾值時(shí)，會(huì)得到高檢出率和高誤檢率。本系統(tǒng)的目的是高檢出率和低誤檢率，為了得到相對(duì)較高的檢出率和較低的誤檢率，可以根據(jù)實(shí)際需求選擇一個(gè)合適的折中閾值。

表5給出了檢測(cè)系統(tǒng)與國(guó)內(nèi)外其他方法相比?？梢钥闯鲈撓到y(tǒng)經(jīng)濟(jì)、有效、省時(shí)。

表5　其他方法對(duì)比

4　結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的電解槽極板短路紅外檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于短路極板的檢出率達(dá)到了98.6％，而誤檢率是3.4％，這些性能指標(biāo)滿足實(shí)際需求。該系統(tǒng)與查槽器方法相比具有快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，與監(jiān)控槽電壓的方法相比有著經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確率高的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中該系統(tǒng)每年能夠給企業(yè)帶來(lái)數(shù)百萬(wàn)的經(jīng)濟(jì)效益，且該系統(tǒng)同樣可以檢測(cè)鎳、鈷等金屬的電解槽極板短路。

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賈瑞明（1978-），男，山東，博士，助理研究員，研究方向?yàn)樘煳膶?dǎo)航、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、圖像處理

Puts forward the non -contact infrared temperature measurement system that had been applied for short circuit detection of copper electrolytic plate，finds a method to locate the failed plate in infrared image.This system can solve some electrolytic production problems effectively such as current loss or output reduction.According to this system，the location information of failed plate in copper electrolytic can be counted automatically.

Keywords：

Infrared Detection；Short Circuit Plate；Electrolytic Cell

Short Circuit Detecting System of Copper Electrolytic Tank Plate Based on Infrared

WANG Yi-ding，HE Wen-qiang，JIA Rui-ming
（College of Information Engineering，North China University of Technology，Beijing 100041）

Abstract：

提出一套應(yīng)用于銅電解極板短路檢測(cè)的紅外非接觸溫度測(cè)量系統(tǒng)，研究紅外圖像極板短路檢測(cè)與定位技術(shù)。該系統(tǒng)主要針對(duì)銅精煉電解生產(chǎn)中時(shí)常發(fā)生極板短路而造成電流損失、產(chǎn)銅量降低的現(xiàn)象。最終實(shí)現(xiàn)銅電解過(guò)程中極板短路板故障的自動(dòng)檢測(cè)、定位與統(tǒng)計(jì)。

文章編號(hào)：1007-1423（2016）15-0056-05

DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.15.014

作者簡(jiǎn)介：

王一?。?967-），男，遼寧沈陽(yáng)人，博士，教授，智能識(shí)別與圖像處理，工業(yè)無(wú)損檢測(cè)，無(wú)線電定位技術(shù)

通信作者：賀文強(qiáng)（1990-05），男，河南周口人，碩士研究生，研究方向?yàn)閳D像處理、模式識(shí)別

收稿日期：2016-03-22修稿日期：2016-05-10