基于5G铜电解阴极板短路智能检测技术

蔡 兵，徐 跃，罗永春

(1.云南锡业股份有限公司铜业分公司，云南个旧 661000；2.一日智能技术（南京）有限公司，江苏 南京 650500)

工业互联网是新一代信息通信技术与制造业深度融合的产物，通过构建连接机器、物料、人、信息系统的基础网络，实现了工业数据的全面感知、动态传输、实时分析[1]，形成了科学决策与智能控制，提高了制造资源配置效率。

5G作为工业互联网的重要支撑载体，将“打通”各生产要素，配合智能化技术[2]，实现不同生产要素间的高效协同，从而提高生产效率，使工业互联网的智能感知、泛在连接、实时分析、精准控制等需求得到满足[3]，实现制造环节中的操作空间集中化、操作岗位机器化、运维辅助远程化、服务环节线上化，把员工从现场解放出来，实现少人、无人作业，彻底解决工业制造领域的现阶段痛点。

目前，国内铜冶炼行业对电解槽生产通电极板的短路或断路故障，均通过人工手持高斯仪表进行监测判断，该方法人工劳动强度较大，存在人工监测的不可控或不可靠性，人工手持高斯仪表在电解槽面上走动扫描，还存在踩踏极板后导致极板上阳极泥脱落，同时会对电解液造成扰动，而带来阳极泥悬浮，不沉降或沉降效果差，导致阴极铜表面生长颗粒的现象，直接影响最终铜产量和质量，进一步加重电解极板故障的出现，不利于电解铜的高效生产及铜产品质量和指标的提高[4]。

近年来，国内湿法冶炼精炼行业极少数企业开发了利用红外成像仪对电解槽极板进行扫描成像测温技术[5]，但只能实现对某一槽内是否存在故障极板进行监测判断，无法实现对故障极板坐标信息的精准分析判断，仍需辅助人工扫描检查确认，找出故障极板，难以对故障极板信息进行准确判断。因此，铜冶炼精炼行业急需能精准分析判断电解极板故障信息的装置。

为优化工艺条件，利用信息化技术、智能芯片技术、5G通信技术等，实时监控电解槽的出口溶液温度和槽面极板、导电铜条发热状况，能及时调整工艺技术条件和处理异常情况，提高铜电解生产效率、A级铜产品质量，减少劳动定员，节省能耗[6]。

1 极板智能检测技术

极板智能检测技术主要是通过红外热成像方法实现。红外热成像是运用光电技术检测物体热辐射波长0.75μm到1000μm的特定电磁波信号，将该信号计算并显示物体的表面温度分布，转换成可供人类视觉分辨的图像和图形。红外热成像技术使人类超越了视觉障碍，由此人们可以“看到”物体表面的温度分布状况。

1.1 热成像的主要装置

热成像系统包括铜电解槽、红外热成像仪、数据中心处理器、器数显示器、报警装置、5G网络。将红外热成像仪（1）安装于电解槽（12）上方，热成像仪数据连接中心处理器（9），处理后的数据由数据显示器（10）显示，根据生产设定，对异常极板由报警器（11）警示；红外热成像仪顶部开有散热用冷空气进气孔、侧面开设有热空气排气孔（6）的抗磁干扰隔离罩（3），隔离罩内安装有风扇（4）和测温器（7）；并且进、排气孔上设有纤维膜（5），红外热成像仪的镜头朝下伸出抗磁干扰隔离罩。红外热成像仪与中心处理器、数据显示器通过5G网络（8）进行数据连接。

图1 热成像装置连接示意图

1.2 热成像的应用方法

将红外热成像仪安装于电解槽槽面上方，红外热成像仪对电解槽槽面及其铜电解极板拍照成像，将红外热成像信号转换成数字信号，红外热成像仪安装位置为高于电解槽水平槽面高度12m处，对垂直中心面积为15＊14米范围内的电解槽槽面及其铜电解极板可进行高清红外扫描成像、识别。红外热成像仪每0.5～10ms（可调节扫描速度）对扫描范围内电解槽槽面铜电解极板巡检扫描成像一次，通过频繁扫描对槽面铜电解极板的红外温度数据进行采集和识别，将红外热成像信号转换成数字信号，通过5G网传输至中心处理器进行数据处理，进行故障极板信息判断，最终由数据显示器显示故障极板位号、温度。通过5G网络实时传输给相关人员。

2 5G网络设计

2.1 系统构架

当铜电解极板出现短路或断路故障时，极板表面将出现热场变化，其热场（或热辐射强度）与非故障极板热场存在明显差异，铜电解槽槽面温升态势智能监控系统通过红外热成像的光强度的高灵敏度探测扫描系统，可以把这一热场直观的反映出来。根据热像图，很容易找出热场中的最高温度点或最低温度点，这个最高温度点和最低温度点就是热故障点，也就是电解槽中出现短路或断路故障的极板。电解槽槽面温升态势智能监控系统根据上述原理将电解槽中铜电解极板进行精确测温，并将温度异常的铜电解极板的准确定位信息予以上报。

阴极板智能检测技术与现有技术相比，拥有以下优点：

和当前的人工巡视检测温度的方式比较，铜电解槽槽面温升态势智能监控系统能自动检测区域温度。和当前人工每隔一段时间进行温度一次检测，阴极板智能检测技术能24小时不间断的每秒几十次密集采集实时温度。

能实时进行数据采集，并将结果反馈在主机上。解决了人工检测可靠度低、准确性差等问题，降低了工人劳动强度，还有效避免了人工手持高斯仪表扫描电解槽时对电解液的扰动和对阳极泥沉降效果的影响。

系统带温度自动修正功能，确保监控显示温度与实际温度差在2℃以内，实现铜电解极板温度监测精度达±2℃，对故障极板表面温度变化的高灵敏度信息收集，实现精准判断出故障极板坐标位置等信息，不需要人工二次扫描查找故障极板，此外，还可辅助故障在线联网报送，可实现管理者或操作人员远程深度掌握实时生产状况，便于操作人员精准处理故障极板，有效控制无效电耗，实现电解铜生产提质增效的目的。

能定点监控电解槽出口溶液的温度，并在线实时显示温度值。能对电解槽内所有极板及导电铜条的温升情况进行区域监控，发现异常（温度大于60℃）能及时报警，并能准确定位极板位置，推送提示信息。

阴极板智能检测技术通过自动采集区域温度，自动处理温度报警，自动存储温度数据等等功能，能降低人员的工作强度，提升现场工作人员的工作效率，减少事故的发生；

特别适用于铜电解过程的工艺状况的连续、实时监测，便于及时发现铜电解故障极板情况，从而提供精准故障极板信息给现场操作人员，及时处理，确保生产工艺的稳定和铜产量的提高。

通过铜电解槽槽面温升态势智能监控系统的使用运行，能做到24小时不间断的温度监测和报警处理，能通过多种方式比如声光报警，LED屏信息显示，移动APP终端应用，与MES系统完成通讯对接等等，来达到实时送达报警数据，及时提醒工作人员处理温度报警事件，减少或避免事故的发生，来实现人员效益的提升。

2.3 系统实现

在电解车间电解槽正上方安装前端温度采集系统，实时监控槽面温度，所采集数据上传到主控室后端服务器平台，通过后端智能管理分析平台和应用展示报警平台实现智能分析和控制。对槽面温度的测量时间和周期可根据生产情况由用户自行设定，设置温度报警值，温度超过报警值时报警并显示报警点信息（数据、区域、现场图、成像图等），通过对数据的智能分析实现生产环境、流程、能耗、人员调配等优化。

2.4 系统结构

信号探测采用高精度红外热成像测温模块、分布式光纤感温探测模块、无源指标探测采集模块。

数据采集分析管理服务器和应用展示报警服务器、主控工作站，对铜电解车间电解槽实现多点立体追踪、定点监控，系统整体采用国际最先进的数字化解调技术。

在核心技术上，采用物联网和机器视觉分析等多项智能技术。

在系统核心算法上，采用自主知识产权海量工业现场环境位置数据迭代自学习自适应算法，实现了系统全程非人工干预的高精度自运行模式。

在施工工艺上，现场设备均采用铠装护套屏蔽线缆和航空接插件连接安装；采用国际标准恒流稳压电源集中统一供电；采用工业级现场设备，结合IP68轻型防爆防腐纤维护罩等新技术产品的综合防护；保障前端采集设备稳定运行和信息数据的持续传输。

2.5 网络架构

采用成熟的软硬件深度融合架构，集成多个高性能物理运算模块，提供性能卓越的数据处理和图形分析性能，具备多种可扩展接口。服务器主机专为复杂多变、要求多样的网络监测环境设计，采用目前业内较新的数据引擎和技术，具备专业化、人性化、自动化的软件功能。服务器主机集成了指标监测、网络数据、智能分析、加密存储、管理服务等多样的功能模块。

后端服务器平台系统实现将数据采集、指标参数、数据编码、数据解码、系统控制和报警管理等多体系技术完整整合。作为一台集数据采集编解码服务器、管理中心服务器、加密存储服务器、处理器控制处理和管理服务器的综合体，每个功能既能独立使用，也能按需组合使用。服务器功能丰富且高度集成，不仅能同时满足现场监测的不同需求，还能大大减少硬件设备成本，在轻量化，低成本的前提下，性能也遥遥领先同类产品。

后端服务器平台系统框图如图2所示，可根据实际的需求进行不同的配置，包括控制计算机、网络交换机、控制设备（光转发器、矩阵控制器等）。现场采集数据通过传输网络传至监控中心，温度数据通过服务器处理后，在电视墙和显示器上实时展现，满足对现场画面和温度实时监控的需求。

图2 5G阴极板短路智能检测技术网络构架图

3 结论

阴极板短路智能检测技术实现对电解槽内所有阴极板及导电铜条的温升情况进行区域监测，对出现异常的点进行准确定位，并把发热点位置及温升情况做出显示和预警，并能提供报警和历史数据查询及输出功能。能实时进行数据采集，并将结果反馈在工作站和移动端用户界面上，监控电解槽极板电极联接处温度，在出现异常高温时能报警并输出目标位置，能设定报警上限值，当温度达到上限能做出报警并能准确定位异常点具体位置，定位误差在2×2cm以内。该技术带温度自动修正功能，确保监控显示温度与实际温度差在2℃以内，能实时显示监控范围内的温度，自动生成数据库和统计报表，能与现有生产及监控系统数据对接，辅助车间实现自动化无人生产。