铜电积车间槽面温度热成像智能检测预警方法

杜素忠 杨均流 贺小齐 梁新星

（万宝矿产有限公司蒙育瓦铜矿）

铜电积生产通过在不溶性阳极板、阴极板和电富液间形成电流回路，促使电富液中的铜离子通过电化学反应还原为单质铜并吸附在阴极板表面， 生成纯度99.99%以上的A级高纯阴极铜（Cu-CATH-1）［1，2］。 生产过程中，吊装引起极板摆动、阳极板变形及杂质吸附等，易引发极板间短路，极板导电梁接触不良可能导致断路［3］，影响生产指标和产量。 铜电积槽面温度能够反映极板电路故障情况：温度过高判定为短路，温度过低判定为断路。

传统温度检测主要依靠人工手持仪器逐板检查，效率低且漏检率高；接触式热电偶或电感安装困难、使用不便。 近年来，针对火法冶炼电解工艺，有报道提出采用红外热成像仪拍照分析检测极板短路故障的方法，但研究主要停留在温度和电流拟合关系上［4，5］，所组成系统和具体方法尚不成熟。

笔者基于具有特殊功能的红外热成像摄像机和相应软件系统，提出一种湿法冶金铜电积槽面温度自动检测方法，可及时发现铜电积槽面温度异常位置并发出预警，工作人员能够实时掌握槽面温度、及时消除电路故障、提高阴极铜产量、保障生产稳定，适合大规模工业化应用，对行业发展具有重要作用。

1 基本结构

1.1 设备组成

笔者所提方法需要的设备和软件按照图1结构进行组合，实现温度采集、数据传输和存储利用，具体包括：具有红外热成像功能的视频监控摄像机、数据传输链路、局域网系统［6］、服务器和磁盘阵列、预警分析软件及预警接收客户端等。

图1 系统结构

视频监控摄像机框定检测对象后， 以远距离、非接触、连续式方法检测槽面温度，并与阈值对比，发现温度异常位置即触发预警信息。 摄像机向预警分析软件传递信息，包括：检测对象、检测时间、检测温度以及温度异常位置、异常类型、视频信号等。 综合考虑成本和覆盖程度，大规模车间宜选择球型摄像机， 小型车间可选择筒型（或枪型）摄像机。

为满足管理和使用要求，预警分析软件可统一完成摄像机参数设置，实时接收和保存摄像机反馈的检测和预警信息，根据温度异常情况主动将预警推送至接收客户端。 工作人员通过软件可查看检测信息、预警信息和历史记录，进行生产组织和分析。

摄像机、服务器、磁盘阵列、预警分析软件和预警接收客户端通过数据传输链路接入局域网，满足数据交互和传输需要。

1.2 运行流程

设备和软件按照图2所示流程工作， 实现检测和预警，其目标为：

a. 计算摄像机安装位置和检测参数，包括预置位、巡航路径、检测对象、温度上限Th及下限Tl等。

b. 根据计算结果，安装和设置摄像机、服务器、磁盘阵列、预警接收客户端等设备，通过数据传输链路接入局域网。

c. 由摄像机对铜电积车间槽面进行温度检测，获得检测对象实时温度T0；同时，比较Tl、Th和T0的大小，判断是否存在T0>Th或（和）T0

d. 摄像机将槽面检测对象实时温度T0、温度异常位置及视频信号等传输给预警分析软件，并告知检测对象是否存在T0>Th或（和）T0

e. 预警分析软件将检测信息推送至预警接收客户端，当T0>Th时属于短路预警，当T0

f. 工作人员复查铜电积槽面预警位置， 及时处理并将结果记入预警分析软件。

g. 当未发现T0>Th或 （和）T0

2 关键技术

2.1 摄像机功能

图2 运行流程

现有的红外热成像摄像机能够检测物体表面温度，但不能直接用于大型铜电积车间，这是因为车间电积槽和极板数量过大时，摄像机无法准确给出温度异常位置信息。 无法实现槽面检测全覆盖。 同时，安装不合理、生产环境中槽面遮挡等也会影响检测效果。 为此，需要对摄像机定制开发表1所列的附加功能。

表1 摄像机附加功能

开发上述功能后，摄像机红外热成像视频信号将显示为图3所示的格式： 检测对象为某标定区域；检测结果为实时温度；检测对象范围框颜色根据温度异常情况变化；预警信息可以在视频弹出的窗口中显示； 一次检测可以覆盖多个槽面、多个对象。 检测结果的针对性和及时性将显著提高。

图3 视频信号格式

2.2 摄像机参数和设置

结合铜电积车间规模、温度检测要求和摄像机功能特点， 需要合理设置摄像机参数并安装，否则无法实现预定效果。 通过摄像机连续检测，可满足实时性要求。

2.2.1 检测距离

摄像机安装的基本原则是检测对象在摄像机允许检测的距离范围内（图4）［7］，即：

其中，V表示摄像机与检测对象的距离，h表示摄像机距槽面的高度，l表示摄像机距检测对象的水平长度，Lmin表示摄像机允许的最小检测距离，Lmax表示摄像机允许的最大检测距离。 球型摄像机转动时，检测距离也需符合要求。

图4 摄像机检测距离范围

2.2.2 检测范围

为大型铜电积车间选择球型摄像机后，合理设置预置位和巡航路径，可满足自动检测的覆盖范围和及时性。 同时，对检测范围进行定量分析，可优化所需摄像机数量，节约建设成本。

设车间共安装M个球型摄像机，第i个球型摄像机共设置Yi个预置位， 每个预置位设置Pij个检测对象，车间一共标定检测对象数量为Q，并为每个检测对象设置便于识别的名称：

第i个球型摄像机共设置检测对象数量Qi：

其中，QM表示摄像机i允许设置的最大检测对象数量，PM表示摄像机i单个预置位允许设置的最大检测对象数量。 如图5所示，PM受到摄像机检测时可视范围的限制。

图5 摄像机可视范围

实际应用中，尽管允许在单个铜电积槽内标定多个检测对象，但为便于识别，一般将单个铜电积槽标定为一个检测对象，一个摄像机包含多个检测对象。 检测对象范围外位置不检测、不预警，同一位置同一时刻不需重复检测，即：

其中，Wc表示单槽宽度，Lc表示单槽长度，Wijk和Lijk分别表示第i个摄像机第j个预置位第k个检测对象的宽度和长度。 宽度为极板在槽面的搭接方向，长度为极板顺序排列方向。同时，需保证Lijk覆盖单槽内所有极板，避免因覆盖不到位导致检测失败。

2.2.3 检测及时性

如果第i个球型摄像机每个预置位停留时间为tij，且巡航路径为顺序检测，则同一被检测对象相邻两次检测间隔时间Ti为：

停留时间tij与摄像机检测及时性要求和生产组织情况有关，不影响准确性。

2.2.4 检测精度

摄像机红外热成像方式分为主动和被动两种： 主动方式由摄像机发射和接收检测信号，特点是检测距离远、精度相对低，通常用于户外火灾或烟雾报警；被动方式主要依靠接收和分析被检测对象热辐射红外线特定波段信号实现温度检测，检测精度高，但检测距离不能过大，且不同物体热辐射情况对检测结果有一定影响。

本系统选择被动红外热成像方式摄像机为检测设备。 由于铜电积车间为防止空气中的酸雾弥漫和扩散， 通常需要为电积槽面覆盖遮挡物，这就要求摄像机根据被直接检测对象类型选定合适的检测波长，以提高温度检测精度。 表2给出了铜电积车间常见材料表面热辐射红外线参考发射率。

2.3 预警分析软件

常规视频监控系统［8］具备视频信号接收、预警等功能，但对铜电积车间温度检测预警针对性不强，不能直观反映并记录检测结果。 综合考虑易用性和有效性，在常规视频监控系统功能基础上扩展了表3所列附加功能， 形成专有温度智能检测预警分析软件。

表2 不同材料表面热辐射红外线参考发射率

表3 软件附加功能

预警分析软件支持浏览器/服务器（Browser/Server， BS） 和客户端/服务器（Client/Server，C/S）两种模式，其中部署于服务器的服务端软件和摄像机联动，收集检测信息并存储、分析、利用；客户端软件安装在计算机、智能终端等预警接收设备中，满足工作人员使用要求。

3 应用分析

某湿法冶金铜电积车间单系列槽面分为2组，每组2单元，每单元35槽，每槽64块阳极板、63块阴极板， 产能约为每年35 000t。 每单元长约40m，每槽长约6.5m、宽约1.2m，4人并行完成一次槽面电路故障检测需3h左右，槽面温度检测和管理难度大。

根据笔者所提方法选择球型摄像机 （表4），定制摄像机和预警分析软件功能，组成系统后投入应用。 每单元采用3台摄像机检测；除边部摄像机检测对象略少外， 其他每个摄像机设置4个预置位、每个预置位3个检测对象，每个检测对象为1个电积槽；每个预置位停留2min，同一被检测对象相邻两次检测间隔时间为6min。

表4 摄像机参数

采用该检测方法后：

a. 完成一次槽面电路故障检测时间缩减至6min，准确率接近100%，温差在±2℃以内；槽面工作人员职责由重复检测转变为预警监控、复核处理和生产分析，在提高检测及时性的同时劳动强度有所下降。

b. 生产完全正常和故障处理及时条件下，以周为单位对比采用该方法前、后车间的电流效率［9］，具体数据见表5，可见电流效率提升超过1.0%。 按照平均分布概率，电流效率理论提升（或节约）值约为1.5%，基本符合实际。

c. 统计表明，人工检测平均每天每槽至少约1例长期短路故障得不到处理。 按照每周1个出铜周期计算，同等电流效率下，该电积车间每周可提升7t以上阴极铜产量。实际情况表明，车间采用该系统后，每月增产阴极铜约40t。

4 结论

4.1 通过检测铜电积车间槽面温度异常情况，可表征极板电路故障。

4.2 由红外热成像视频监控摄像机、数据传输链路、局域网系统、服务器、磁盘阵列、预警分析软件及预警接收客户端等组成系统，可满足铜电积车间槽面温度检测要求。 其中，具有特殊功能的红外热成像视频监控摄像机和预警分析软件是该方法实现的关键。

4.3 笔者所提方法可提高铜电积车间槽面温度检测的效率和及时性， 降低槽面管理复杂度，提升电流效率和阴极铜产量。