一种判断阴极短路方式的方法及系统与流程
本发明涉及电解槽短路检测技术领域，特别是涉及一种判断阴极短路方式的方法及系统。
背景技术：
在铜、铅、锌、镍、锰等金属的水溶液电解精炼和电解沉积的工业生产过程中，一般单个电解槽包含数十块阳极和对应数量的阴极，阳极板和阴极板交叉并排排列。电解槽的阳极、阴极都是板状，称为阳极板、阴极板，单面面积为1m2左右，单块电极可以通过500a以上的电流。由于电解槽上阴阳极之间空间狭窄，电极距离几十个毫米，电解液中的漂浮微粒会吸附在阴极表面形成结粒；电解过程中添加剂的比例或成分失调，引起表现形成枝晶；精炼使用的阳极，一些成分超过要求，导致对应阴极表面形成结粒。这些情况的发生，会导致阴极表面局部生成结粒并逐渐快速长大成粗大粒子，当粒子与阳极表面接触，在阴极和阳极之间形成短路，此时阴极电流最大达到平均电流的3倍。另外，阴极和阳极在使用过程中发生变形直接接触，以及阴极和阳极在安装时不规整导致直接搭接，造成电流直接短路。电流的短路不仅降低了电流效率，增加了单位产品的能耗，同时也降低了阴极质量，甚至造成阴极板及导电棒的烧损、变形等严重情况。
当前，针对阴极-阳极之间的短路，一般采取红外成像检测、拖表检测、洒水检测等方法。这些方法都是在阴极和阳极之间已经建立了短路、短路电流高达1000a以上，使阴极导电端显著发热的情况下才检测到短路发生，然后进行短路清理，所以方法本身已经造成了电流与阴极质量的损失。
本项目组利用光纤电流传感器跟踪测量了电解槽中阴极-阳极短路过程的阴极电流变化，发现在正常的电解过程中，电流的波动变化幅度很小。但一旦发生短路，阴极电流呈现出显著的增大趋势。同时项目组发现，当短路是由于阴极表面的粒子接触阳极短路时，波动幅度很大，而如果是阴极与阳极直接搭接形成的短路，则短路曲线上电流振动的幅度不大。当短路由阴极表面的粒子引起时，需要将阴极表面的粒子铲除；而当短路由阴极与阳极搭接引起，则需要调整电极的摆放位置，或者对变形电极进行校直。
本发明基于短路过程阴极电流曲线的这种特性，提出通过跟踪阴极电流的振动变化特性来判断引起阴极-阳极短路的原因，不仅能够显著降低短路的时间和短路电流，大幅降低短路引起的电流损失，提高电流效率，降低电解的电耗，实现节能和增产的目的，提供的短路方式还使企业在处理断路时能够采用正确的方式快速完成故障处理，提高了劳动效率。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种判断阴极短路方式的方法及系统，能够诊断出引起阴极短路的原因，进而，避免持续的短路电流损失。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种判断阴极短路方式的方法，所述方法包括：
连续测量阴极电流；
根据测量得到的所述阴极电流构建电流随时间变化的线性模型；
根据所述线性模型判断阴极是否发生短路，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果表示所述阴极发生短路，计算所述线性模型的残差标准差；
判断残差标准差是否大于设定残差标准差阈值，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果表示所述残差标准差大于所述设定残差标准差阈值，则确定短路是由于阴极表面粒子接触阳极引起的；
若所述第二判断结果表示所述残差标准差不大于所述设定残差标准差阈值，则确定短路是由于阴极与阳极搭接引起。
可选的，所述根据所述线性模型判断阴极是否发生短路，具体包括：
计算所述线性模型的斜率和决定系数；
判断所述斜率是否大于设定斜率阈值，得到第三判断结果；
若所述第三判断结果表示所述斜率不大于设定斜率阈值，则阴极未发生短路；
若所述第三判断结果表示所述斜率大于设定斜率阈值，则判断所述决定系数是否大于设定决定系数阈值，得到第四判断结果；
若所述第四判断结果表示所述决定系数不大于设定决定系数阈值，则阴极未发生短路；
若所述第四判断结果表示所述决定系数大于设定决定系数阈值，则阴极发生短路。
可选的，所述根据测量得到的所述阴极电流构建电流随时间变化的线性模型，具体包括：
判断所述阴极电流在设定时间内的增加值是否在设定增加值范围内，得到第五判断结果；
若所述第五判断结果表示所述阴极电流在设定时间内的增加值在设定增加值范围内，计算设定时间内电流数据的下边界值和上边界值；
判断是否存在小于下边界值或者大于上边界值的电流数据，得到第六判断结果；
若所述第六判断结果表示存在小于下边界值或者大于上边界值的电流数据，则删除所述电流数据，跳转至计算设定时间内电流数据的下边界值和上边界值步骤；
若所述第六判断结果表示不存在小于下边界值或大于上边界值的电流数据，则根据处理后的电流数据建立阴极电流随时间变化的线性模型。
可选的，所述根据处理后的电流数据建立阴极电流随时间变化的线性模型，具体包括：
对所述设定时间内随时间变化的电流数据进行线性拟合，得到阴极电流随时间变化的线性模型。
可选的，所述设定残差标准差阈值为8a。
可选的，所述斜率阈值范围为5～60a/min，所述设定决定系数阈值为0.5。
本发明还提供了一种判断阴极短路方式的系统，所述系统包括：
阴极电流测量模块，用于连续测量阴极电流；
线性模型构建模块，用于根据测量得到的所述阴极电流构建电流随时间变化的线性模型；
第一判断模块，用于根据所述线性模型判断阴极是否发生短路，得到第一判断结果；
残差标准差计算模块，用于当所述第一判断结果表示所述阴极发生短路时，计算所述线性模型的残差标准差；
第二判断模块，用于判断残差标准差是否大于设定残差标准差阈值，得到第二判断结果；
第一短路方式确定模块，用于当所述第二判断结果表示所述残差标准差大于所述设定残差标准差阈值时，确定短路是由于阴极表面粒子接触阳极引起的；
第二短路方式确定模块，用于当所述第二判断结果表示所述残差标准差不大于所述设定残差标准差阈值时，确定短路是由于阴极与阳极搭接引起。
可选的，所述第一判断模块，具体包括：
参数计算单元，用于计算所述线性模型的斜率和决定系数；
第一判断单元，用于判断所述斜率是否大于设定斜率阈值，得到第三判断结果；
第一短路结果确定单元，用于在所述第三判断结果表示所述斜率不大于设定斜率阈值时，确定阴极未发生短路；
第二判断单元，用于在所述第三判断结果表示所述斜率大于设定斜率阈值时，判断所述决定系数是否大于设定决定系数阈值，得到第四判断结果；
第二短路结果确定单元，用于在所述第四判断结果表示所述决定系数不大于设定决定系数阈值时，确定阴极未发生短路；
第三短路结果确定单元，用于在所述第四判断结果表示所述决定系数大于设定决定系数阈值时，确定阴极发生短路。
可选的，所述线性模型构建模块，具体包括：
第三判断单元，用于判断所述阴极电流在设定时间内的增加值是否在设定增加值范围内，得到第五判断结果；
边界值计算单元，用于在所述第五判断结果表示所述阴极电流在设定时间内的增加值在设定增加值范围内时，计算设定时间内电流数据的下边界值和上边界值；
第四判断单元，用于判断是否存在小于下边界值或者大于上边界值的电流数据，得到第六判断结果；
第一线性模型构建单元，用于在所述第六判断结果表示存在小于下边界值或者大于上边界值的电流数据时，删除所述电流数据，跳转至计算设定时间内电流数据的下边界值和上边界值步骤；
第二线性模型构建单元，用于在所述第六判断结果表示不存在小于下边界值或大于上边界值的电流数据时，根据处理后的电流数据建立阴极电流随时间变化的线性模型。
可选的，所述第一线性模型构建单元和第二线性模型构建单元，均包括：
线性模型构建子单元，用于对所述设定时间内随时间变化的电流数据进行线性拟合，得到阴极电流随时间变化的线性模型。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的判断阴极短路方式的方法及系统，包括：连续测量阴极电流；计算设定时间内阴极电流随时间变化的线性模型，利用线性模型判断阴极是否发生短路；若所述阴极发生短路，利用线性模型计算残差标准差，判断所述残差标准差是否大于设定残差标准差阈值；若所述残差标准差大于设定残差标准差阈值，则短路由阴极表面粒子接触阳极引起；若所述残差标准差不大于设定残差标准差阈值，则短路由阴极搭接阳极引起。本发明对连续测量得到阴极电流随时间的变化数据进行处理，能够在诊断阴极短路时判明短路故障发生的方式，提示操作人员正确的处理短路故障，避免持续的短路电流损失，从而提高电解电流效率，降低产品能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例判断阴极短路方式的方法流程示意图；
图2为本发明实施例判断阴极短路方式的系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种判断阴极短路方式的方法及系统，能够诊断出引起阴极短路的原因，进而，避免持续的短路电流损失。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的判断阴极短路方式的方法包括以下步骤：
步骤101：连续测量阴极电流，阴极电流的采样频率为1/60hz；
步骤102：根据测量得到的所述阴极电流构建电流随时间变化的线性模型；
步骤103：根据所述线性模型判断阴极是否发生短路，得到第一判断结果；
步骤104：若所述第一判断结果表示所述阴极发生短路，计算所述线性模型的残差标准差；
步骤105：判断残差标准差是否大于设定残差标准差阈值，得到第二判断结果；
步骤106：若所述第二判断结果表示所述残差标准差大于所述设定残差标准差阈值，则确定短路是由于阴极表面粒子接触阳极引起的；
步骤107：若所述第二判断结果表示所述残差标准差不大于所述设定残差标准差阈值，则确定短路是由于阴极与阳极搭接引起。
所述设定残差标准差阈值可以为8a。
其中，所述线性模型表达式为
所述决定系数r2表示测量数据与模型的拟合程度，计算公式为(6)：
所述残差标准差s计算公式为(7)：
(4)到(7)式中，nd为电流数据系列{ii}中剔除了小于下边界值和大于上边界值的离散数据后的电流数据个数。
作为本发明的一个实施例，步骤103具体包括：
计算所述线性模型的斜率和决定系数；
判断所述斜率是否大于设定斜率阈值，得到第三判断结果；
若所述第三判断结果表示所述斜率不大于设定斜率阈值，则阴极未发生短路；
若所述第三判断结果表示所述斜率大于设定斜率阈值，则判断所述决定系数是否大于设定决定系数阈值，得到第四判断结果；
若所述第四判断结果表示所述决定系数不大于设定决定系数阈值，则阴极未发生短路。
若所述第四判断结果表示所述决定系数大于设定决定系数阈值，则阴极发生短路。
其中，所述斜率阈值范围可以为5～60a/min，所述设定决定系数阈值可以为0.5。
作为本发明的一个实施例，步骤102具体包括：
判断所述阴极电流在设定时间内的增加值是否在设定增加值范围内，得到第五判断结果；其中，阴极电流在设定时间内的增加值为电流在设定时间的电流值与起始时的电流值的差值，所述设定时间范围为5min，所述设定增加值范围为5～300a；
若所述第五判断结果表示所述阴极电流在设定时间内的增加值在设定增加值范围内，计算设定时间期间的电流数据的下边界值和上边界值；其中，所述下边界值和上边界值按如下方法计算：
将设定时间期间电流数据按升序排序形成递增数列；
设n为电流数据数列的个数，中数q2将该数列分为数量相等的两组数；
当n为奇数时，每组有(n-1)/2个数，第一四分位数q1为第一组(n-1)/2个数的中数，第三四分位数q3为第二组(n-1)/2个数的中数；
当n为偶数时，每组有n/2数，第一四分位数q1为第一组n/2个数的中数，第三四分位数q3为第二组n/2个数的中数；
按照公式(1)计算四分位间距iqr：
iqr＝q3-q1(1)
所述下边界值blow和上边界bup值分别按照公式(2)和(3)计算；
blow＝q1-1.5iqr(2)
bup＝q3+1.5iqr(3)
判断是否存在小于下边界值或者大于上边界值的电流数据，得到第六判断结果；
若所述第六判断结果表示存在小于下边界值或者大于上边界值的电流数据，则删除所述电流数据，跳转至计算设定时间期间的电流数据的下边界值和上边界值步骤，重新计算下边界值和上边界值；
若所述第六判断结果表示不存在小于下边界值或大于上边界值的电流数据，则根据处理后的电流数据建立阴极电流随时间变化的线性模型。
作为本发明的一个实施例，在上述实施例的基础上，根据处理后的电流数据建立阴极电流随时间变化的线性模型，具体包括：
对所述设定时间内随时间变化的电流数据进行线性拟合，得到阴极电流随时间变化的线性模型。
本发明还提供了一种判断阴极短路方式的系统，如图2所示，该系统包括：
阴极电流测量模块201，用于连续测量阴极电流；
线性模型构建模块202，用于根据测量得到的所述阴极电流构建电流随时间变化的线性模型；
第一判断模块203，用于根据所述线性模型判断阴极是否发生短路，得到第一判断结果；
残差标准差计算模块204，用于当所述第一判断结果表示所述阴极发生短路时，计算所述线性模型的残差标准差；
第二判断模块205，用于判断残差标准差是否大于设定残差标准差阈值，得到第二判断结果；
第一短路方式确定模块206，用于当所述第二判断结果表示所述残差标准差大于所述设定残差标准差阈值时，确定短路是由于阴极表面粒子接触阳极引起的；
第二短路方式确定模块207，用于当所述第二判断结果表示所述残差标准差不大于所述设定残差标准差阈值时，确定短路是由于阴极与阳极搭接引起。
作为本发明的一个实施例，所述第一判断模块203，具体包括：
参数计算单元，用于计算所述线性模型的斜率和决定系数；
第一判断单元，用于判断所述斜率是否大于设定斜率阈值，得到第三判断结果；
第一短路结果确定单元，用于在所述第三判断结果表示所述斜率不大于设定斜率阈值时，确定阴极未发生短路；
第二判断单元，用于在所述第三判断结果表示所述斜率大于设定斜率阈值时，判断所述决定系数是否大于设定决定系数阈值，得到第四判断结果；
第二短路结果确定单元，用于在所述第四判断结果表示所述决定系数不大于设定决定系数阈值时，确定阴极未发生短路。
第三短路结果确定单元，用于在所述第四判断结果表示所述决定系数大于设定决定系数阈值时，确定阴极发生短路。
作为本发明的一个实施例，所述线性模型构建模块202，具体包括：
第三判断单元，用于判断所述阴极电流在设定时间内的增加值是否在设定增加值范围内，得到第五判断结果；
边界值计算单元，用于在所述第五判断结果表示所述阴极电流在设定时间内的增加值在设定增加值范围内时，计算设定时间内电流数据的下边界值和上边界值；
第四判断单元，用于判断是否存在小于下边界值或者大于上边界值的电流数据，得到第六判断结果；
第一线性模型构建单元，用于在所述第六判断结果表示存在小于下边界值或者大于上边界值的电流数据时，删除所述电流数据，跳转至计算设定时间内电流数据的下边界值和上边界值步骤；
第二线性模型构建单元，用于在所述第六判断结果表示不存在小于下边界值或大于上边界值的电流数据时，根据处理后的电流数据建立阴极电流随时间变化的线性模型。
作为本发明的一个实施例，所述第一线性模型构建单元和第二线性模型构建单元，均包括：
线性模型构建子单元，用于对所述设定时间内随时间变化的电流数据进行线性拟合，得到阴极电流随时间变化的线性模型。
本发明能够在诊断阴极短路时判明短路故障发生的方式，提示操作人员正确的处理短路故障，避免持续的短路电流损失，从而提高电解电流效率，降低产品能耗。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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