杜素忠 楊均流 賀小齊 梁新星

（萬寶礦產(chǎn)有限公司蒙育瓦銅礦）

銅電積生產(chǎn)通過在不溶性陽極板、陰極板和電富液間形成電流回路，促使電富液中的銅離子通過電化學反應還原為單質(zhì)銅并吸附在陰極板表面， 生成純度99.99%以上的A級高純陰極銅（Cu-CATH-1）［1，2］。 生產(chǎn)過程中，吊裝引起極板擺動、陽極板變形及雜質(zhì)吸附等，易引發(fā)極板間短路，極板導電梁接觸不良可能導致斷路［3］，影響生產(chǎn)指標和產(chǎn)量。 銅電積槽面溫度能夠反映極板電路故障情況：溫度過高判定為短路，溫度過低判定為斷路。

傳統(tǒng)溫度檢測主要依靠人工手持儀器逐板檢查，效率低且漏檢率高；接觸式熱電偶或電感安裝困難、使用不便。 近年來，針對火法冶煉電解工藝，有報道提出采用紅外熱成像儀拍照分析檢測極板短路故障的方法，但研究主要停留在溫度和電流擬合關系上［4，5］，所組成系統(tǒng)和具體方法尚不成熟。

筆者基于具有特殊功能的紅外熱成像攝像機和相應軟件系統(tǒng)，提出一種濕法冶金銅電積槽面溫度自動檢測方法，可及時發(fā)現(xiàn)銅電積槽面溫度異常位置并發(fā)出預警，工作人員能夠?qū)崟r掌握槽面溫度、及時消除電路故障、提高陰極銅產(chǎn)量、保障生產(chǎn)穩(wěn)定，適合大規(guī)模工業(yè)化應用，對行業(yè)發(fā)展具有重要作用。

1 基本結(jié)構

1.1 設備組成

筆者所提方法需要的設備和軟件按照圖1結(jié)構進行組合，實現(xiàn)溫度采集、數(shù)據(jù)傳輸和存儲利用，具體包括：具有紅外熱成像功能的視頻監(jiān)控攝像機、數(shù)據(jù)傳輸鏈路、局域網(wǎng)系統(tǒng)［6］、服務器和磁盤陣列、預警分析軟件及預警接收客戶端等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構

視頻監(jiān)控攝像機框定檢測對象后， 以遠距離、非接觸、連續(xù)式方法檢測槽面溫度，并與閾值對比，發(fā)現(xiàn)溫度異常位置即觸發(fā)預警信息。 攝像機向預警分析軟件傳遞信息，包括：檢測對象、檢測時間、檢測溫度以及溫度異常位置、異常類型、視頻信號等。 綜合考慮成本和覆蓋程度，大規(guī)模車間宜選擇球型攝像機， 小型車間可選擇筒型（或槍型）攝像機。

為滿足管理和使用要求，預警分析軟件可統(tǒng)一完成攝像機參數(shù)設置，實時接收和保存攝像機反饋的檢測和預警信息，根據(jù)溫度異常情況主動將預警推送至接收客戶端。 工作人員通過軟件可查看檢測信息、預警信息和歷史記錄，進行生產(chǎn)組織和分析。

攝像機、服務器、磁盤陣列、預警分析軟件和預警接收客戶端通過數(shù)據(jù)傳輸鏈路接入局域網(wǎng)，滿足數(shù)據(jù)交互和傳輸需要。

1.2 運行流程

設備和軟件按照圖2所示流程工作， 實現(xiàn)檢測和預警，其目標為：

a. 計算攝像機安裝位置和檢測參數(shù)，包括預置位、巡航路徑、檢測對象、溫度上限Th及下限Tl等。

b. 根據(jù)計算結(jié)果，安裝和設置攝像機、服務器、磁盤陣列、預警接收客戶端等設備，通過數(shù)據(jù)傳輸鏈路接入局域網(wǎng)。

c. 由攝像機對銅電積車間槽面進行溫度檢測，獲得檢測對象實時溫度T0；同時，比較Tl、Th和T0的大小，判斷是否存在T0>Th或（和）T0

d. 攝像機將槽面檢測對象實時溫度T0、溫度異常位置及視頻信號等傳輸給預警分析軟件，并告知檢測對象是否存在T0>Th或（和）T0

e. 預警分析軟件將檢測信息推送至預警接收客戶端，當T0>Th時屬于短路預警，當T0

f. 工作人員復查銅電積槽面預警位置， 及時處理并將結(jié)果記入預警分析軟件。

g. 當未發(fā)現(xiàn)T0>Th或 （和）T0

2 關鍵技術

2.1 攝像機功能

圖2 運行流程

現(xiàn)有的紅外熱成像攝像機能夠檢測物體表面溫度，但不能直接用于大型銅電積車間，這是因為車間電積槽和極板數(shù)量過大時，攝像機無法準確給出溫度異常位置信息。 無法實現(xiàn)槽面檢測全覆蓋。 同時，安裝不合理、生產(chǎn)環(huán)境中槽面遮擋等也會影響檢測效果。 為此，需要對攝像機定制開發(fā)表1所列的附加功能。

表1 攝像機附加功能

開發(fā)上述功能后，攝像機紅外熱成像視頻信號將顯示為圖3所示的格式： 檢測對象為某標定區(qū)域；檢測結(jié)果為實時溫度；檢測對象范圍框顏色根據(jù)溫度異常情況變化；預警信息可以在視頻彈出的窗口中顯示； 一次檢測可以覆蓋多個槽面、多個對象。 檢測結(jié)果的針對性和及時性將顯著提高。

圖3 視頻信號格式

2.2 攝像機參數(shù)和設置

結(jié)合銅電積車間規(guī)模、溫度檢測要求和攝像機功能特點， 需要合理設置攝像機參數(shù)并安裝，否則無法實現(xiàn)預定效果。 通過攝像機連續(xù)檢測，可滿足實時性要求。

2.2.1 檢測距離

攝像機安裝的基本原則是檢測對象在攝像機允許檢測的距離范圍內(nèi)（圖4）［7］，即：

其中，V表示攝像機與檢測對象的距離，h表示攝像機距槽面的高度，l表示攝像機距檢測對象的水平長度，Lmin表示攝像機允許的最小檢測距離，Lmax表示攝像機允許的最大檢測距離。 球型攝像機轉(zhuǎn)動時，檢測距離也需符合要求。

圖4 攝像機檢測距離范圍

2.2.2 檢測范圍

為大型銅電積車間選擇球型攝像機后，合理設置預置位和巡航路徑，可滿足自動檢測的覆蓋范圍和及時性。 同時，對檢測范圍進行定量分析，可優(yōu)化所需攝像機數(shù)量，節(jié)約建設成本。

設車間共安裝M個球型攝像機，第i個球型攝像機共設置Yi個預置位， 每個預置位設置Pij個檢測對象，車間一共標定檢測對象數(shù)量為Q，并為每個檢測對象設置便于識別的名稱：

第i個球型攝像機共設置檢測對象數(shù)量Qi：

其中，QM表示攝像機i允許設置的最大檢測對象數(shù)量，PM表示攝像機i單個預置位允許設置的最大檢測對象數(shù)量。 如圖5所示，PM受到攝像機檢測時可視范圍的限制。

圖5 攝像機可視范圍

實際應用中，盡管允許在單個銅電積槽內(nèi)標定多個檢測對象，但為便于識別，一般將單個銅電積槽標定為一個檢測對象，一個攝像機包含多個檢測對象。 檢測對象范圍外位置不檢測、不預警，同一位置同一時刻不需重復檢測，即：

其中，Wc表示單槽寬度，Lc表示單槽長度，Wijk和Lijk分別表示第i個攝像機第j個預置位第k個檢測對象的寬度和長度。 寬度為極板在槽面的搭接方向，長度為極板順序排列方向。同時，需保證Lijk覆蓋單槽內(nèi)所有極板，避免因覆蓋不到位導致檢測失敗。

2.2.3 檢測及時性

如果第i個球型攝像機每個預置位停留時間為tij，且巡航路徑為順序檢測，則同一被檢測對象相鄰兩次檢測間隔時間Ti為：

停留時間tij與攝像機檢測及時性要求和生產(chǎn)組織情況有關，不影響準確性。

2.2.4 檢測精度

攝像機紅外熱成像方式分為主動和被動兩種： 主動方式由攝像機發(fā)射和接收檢測信號，特點是檢測距離遠、精度相對低，通常用于戶外火災或煙霧報警；被動方式主要依靠接收和分析被檢測對象熱輻射紅外線特定波段信號實現(xiàn)溫度檢測，檢測精度高，但檢測距離不能過大，且不同物體熱輻射情況對檢測結(jié)果有一定影響。

本系統(tǒng)選擇被動紅外熱成像方式攝像機為檢測設備。 由于銅電積車間為防止空氣中的酸霧彌漫和擴散， 通常需要為電積槽面覆蓋遮擋物，這就要求攝像機根據(jù)被直接檢測對象類型選定合適的檢測波長，以提高溫度檢測精度。 表2給出了銅電積車間常見材料表面熱輻射紅外線參考發(fā)射率。

2.3 預警分析軟件

常規(guī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)［8］具備視頻信號接收、預警等功能，但對銅電積車間溫度檢測預警針對性不強，不能直觀反映并記錄檢測結(jié)果。 綜合考慮易用性和有效性，在常規(guī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能基礎上擴展了表3所列附加功能， 形成專有溫度智能檢測預警分析軟件。

表2 不同材料表面熱輻射紅外線參考發(fā)射率

表3 軟件附加功能

預警分析軟件支持瀏覽器/服務器（Browser/Server， BS） 和客戶端/服務器（Client/Server，C/S）兩種模式，其中部署于服務器的服務端軟件和攝像機聯(lián)動，收集檢測信息并存儲、分析、利用；客戶端軟件安裝在計算機、智能終端等預警接收設備中，滿足工作人員使用要求。

3 應用分析

某濕法冶金銅電積車間單系列槽面分為2組，每組2單元，每單元35槽，每槽64塊陽極板、63塊陰極板， 產(chǎn)能約為每年35 000t。 每單元長約40m，每槽長約6.5m、寬約1.2m，4人并行完成一次槽面電路故障檢測需3h左右，槽面溫度檢測和管理難度大。

根據(jù)筆者所提方法選擇球型攝像機 （表4），定制攝像機和預警分析軟件功能，組成系統(tǒng)后投入應用。 每單元采用3臺攝像機檢測；除邊部攝像機檢測對象略少外， 其他每個攝像機設置4個預置位、每個預置位3個檢測對象，每個檢測對象為1個電積槽；每個預置位停留2min，同一被檢測對象相鄰兩次檢測間隔時間為6min。

表4 攝像機參數(shù)

采用該檢測方法后：

a. 完成一次槽面電路故障檢測時間縮減至6min，準確率接近100%，溫差在±2℃以內(nèi)；槽面工作人員職責由重復檢測轉(zhuǎn)變?yōu)轭A警監(jiān)控、復核處理和生產(chǎn)分析，在提高檢測及時性的同時勞動強度有所下降。

b. 生產(chǎn)完全正常和故障處理及時條件下，以周為單位對比采用該方法前、后車間的電流效率［9］，具體數(shù)據(jù)見表5，可見電流效率提升超過1.0%。 按照平均分布概率，電流效率理論提升（或節(jié)約）值約為1.5%，基本符合實際。

c. 統(tǒng)計表明，人工檢測平均每天每槽至少約1例長期短路故障得不到處理。 按照每周1個出銅周期計算，同等電流效率下，該電積車間每周可提升7t以上陰極銅產(chǎn)量。實際情況表明，車間采用該系統(tǒng)后，每月增產(chǎn)陰極銅約40t。

4 結(jié)論

4.1 通過檢測銅電積車間槽面溫度異常情況，可表征極板電路故障。

4.2 由紅外熱成像視頻監(jiān)控攝像機、數(shù)據(jù)傳輸鏈路、局域網(wǎng)系統(tǒng)、服務器、磁盤陣列、預警分析軟件及預警接收客戶端等組成系統(tǒng)，可滿足銅電積車間槽面溫度檢測要求。 其中，具有特殊功能的紅外熱成像視頻監(jiān)控攝像機和預警分析軟件是該方法實現(xiàn)的關鍵。

4.3 筆者所提方法可提高銅電積車間槽面溫度檢測的效率和及時性， 降低槽面管理復雜度，提升電流效率和陰極銅產(chǎn)量。