基于機器視覺技術(shù)的提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)及應(yīng)用

姜紹軍 王新剛 閆剛 董永智 郝付強

摘要：針對蠶莊金礦采用底卸式雙側(cè)掛鉤機械閉鎖出現(xiàn)的箕斗出曲軌后不能準確復(fù)位、卡箕斗和導(dǎo)向輪松動移位甚至脫落等故障，設(shè)計研發(fā)了一種基于機器視覺技術(shù)的提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)。詳細介紹了該系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成和主要功能等?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：該系統(tǒng)具有處理智能化、速度快、精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，實現(xiàn)了同類設(shè)備非接觸式實時在線監(jiān)測，對同類設(shè)備的安全生產(chǎn)有著極為重要的現(xiàn)實意義，兼顧了經(jīng)濟效益和社會效益，推廣應(yīng)用前景較好。

關(guān)鍵詞：提升機;箕斗;機械閉鎖裝置;智能化;掛鉤檢測;機器視覺技術(shù)

中圖分類號：TD679文章編號：1001-1277（2021）03-0052-04

文獻標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20210310

引言

箕斗提升運輸具有作業(yè)效率高、提升量大等優(yōu)點，是目前國內(nèi)外大中型礦山普遍采用的一種運輸方式。箕斗在運行過程中，需要掛鉤勾住箱體，確保箱體不會因罐道或滾輪罐耳的影響而發(fā)生偏擺，導(dǎo)致箱體內(nèi)物料傾泄井筒，從而發(fā)生嚴重的安全事故。目前，行業(yè)內(nèi)尚無箕斗掛鉤嚙合可靠性的統(tǒng)一標(biāo)準。招金礦業(yè)股份有限公司蠶莊金礦（下稱“蠶莊金礦”）徐家疃礦區(qū)位于山東省招遠市蠶莊鎮(zhèn)，明主井箕斗負擔(dān)將井下礦（廢）石提升至地面的任務(wù)。該提升系統(tǒng)選用JKM4.5×6ZⅢ型多繩摩擦提升機，提升高度為797.5m，單提升容積為24m 3，采用底卸式雙側(cè)掛鉤機械閉鎖箕斗，目前在用箕斗自2014年4月10日開始使用，已提升礦（廢）石量達119.65萬t。由于使用時間較長，運行中曾多次出現(xiàn)因落石或箕斗機械閉鎖裝置旋轉(zhuǎn)軸承磨損及箕斗箱體水平位移超標(biāo)導(dǎo)致的在出曲軌后不能準確復(fù)位、卡箕斗與個別導(dǎo)向輪松動移位甚至脫落等故障，給安全生產(chǎn)帶來極大風(fēng)險。目前，國內(nèi)已有多起底卸式箕斗因掛鉤閉鎖不嚴或失效導(dǎo)致礦石傾倒井筒，造成井筒裝備破壞嚴重，直接或間接損失巨大。因此，針對上述問題，蠶莊金礦開發(fā)了一種基于機器視覺技術(shù)的提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)，取得了較好的應(yīng)用效果。

1箕斗閉鎖裝置故障原因分析

經(jīng)過工程技術(shù)人員現(xiàn)場踏勘，發(fā)現(xiàn)日常生產(chǎn)中，影響箕斗閉鎖機構(gòu)不到位的原因主要有以下幾種：

1）箕斗導(dǎo)向輪固定螺栓因銹蝕或撞擊導(dǎo)致導(dǎo)向輪變形或脫落。

2）箕斗底部托輪短曲軌處由于礦粉或礦石長時間堆積，導(dǎo)致卸載完畢后不能按原路徑返回完成與掛鉤底板閉鎖的動作。

3）箕斗閉鎖裝置導(dǎo)向輪磨損嚴重或軸承部位底盤變形使其旋轉(zhuǎn)不靈活，卸載完畢導(dǎo)向輪出曲軌后未能完成卸礦舌板與斗箱閉鎖。

4）箕斗掛鉤靜態(tài)部分掛孔有小塊礦石或結(jié)塊礦石進入，使得掛鉤動態(tài)部分導(dǎo)向輪出曲軌后，靜態(tài)動態(tài)相結(jié)合時，配重輪重力不能將掛孔內(nèi)礦石碾碎或砸出，長時間累積形成較硬塊狀。

5）箕斗斗箱頂部主軸作為斗箱卸礦或復(fù)位時的支撐點，由于潤滑不到位或礦粉進入，當(dāng)磨損量超標(biāo)時，亦會造成斗箱傾斜，致使舌板卸載完畢復(fù)位時難以準確與掛鉤閉鎖。

上述隱患中，極易形成重大設(shè)備事故的是箕斗機械閉鎖裝置失效（出曲軌后掛鉤未能有效復(fù)位），掛鉤未能掛住箱體，如繼續(xù)高速下放，箕斗擋板可能隨時張開，造成斗箱傾斜，砸壞井筒內(nèi)電纜、風(fēng)水管路、鋼梁等;還可能在箕斗裝礦后高速提升時受力變形張開致使礦石掉落于井筒中，使尾繩損傷或斷裂。提升機在高速運動過程中，箕斗將與井筒設(shè)施撞擊，提升機電控系統(tǒng)瞬間產(chǎn)生巨大電流，沖擊主電動機和傳動系統(tǒng)，造成重大事故。除此之外，近年來隨著箕斗使用年限的迫近，與箕斗運行相關(guān)的機械部分因磨損腐蝕等原因帶來的故障和影響生產(chǎn)效率的現(xiàn)象越來越多。由于這些事故在日常生產(chǎn)中具有突發(fā)性、隨機性，如果不能及時發(fā)現(xiàn)，及時解決，將對安全生產(chǎn)造成不可估量的損失[1]。

為避免上述情況導(dǎo)致生產(chǎn)事故的發(fā)生，近年來各礦山企業(yè)陸續(xù)采用在相應(yīng)部位安裝光電開關(guān)、磁控開關(guān)、麥克風(fēng)，甚至采用攝像頭由專人觀察等對策，但由于誤差過大，惡劣環(huán)境影響，極易損壞，維護量過大和成因的不確定性，經(jīng)常導(dǎo)致漏判或誤判，效果不甚理想[2-3]。因此，亟需開發(fā)一種智能化、精度高、穩(wěn)定性好的提升機箕斗閉鎖裝置。

2提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)

結(jié)合當(dāng)下成熟的技術(shù)手段，創(chuàng)新性引入智能化裝備，開發(fā)了基于機器視覺技術(shù)的提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)與提升機運行控制系統(tǒng)連接，替代人工完成對箕斗閉鎖裝置非接觸式在線實時監(jiān)測，即當(dāng)兩側(cè)掛鉤插入深度未達到容忍度或卡箕斗時立即報警（可接入安全回路）。該系統(tǒng)可同時間接分析箕斗在卸礦出曲軌后，導(dǎo)向輪、卸礦輪的運行狀態(tài)及箕斗機械閉鎖裝置的旋轉(zhuǎn)軸承磨損程度和箕斗擋板上下轉(zhuǎn)軸與軸套的磨損程度（見圖1）。

2.1工作原理

機器視覺是一門涉及諸多領(lǐng)域的新興學(xué)科，涵蓋新興物理學(xué)、計算機科學(xué)、人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、圖像處理和模式識別等內(nèi)容[4]。它利用物理機器模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取有用信息，加以處理和理解，最后用于工程測量和控制。

傳統(tǒng)意義上的工業(yè)機器視覺系統(tǒng)由照明光源、光學(xué)成像和圖片捕捉系統(tǒng)、圖像處理模塊、決策判斷系統(tǒng)及機電執(zhí)行機構(gòu)組成。

由于蠶莊金礦箕斗卸礦后下放時，發(fā)生較大的抖動和運動軌跡偏離、日夜環(huán)境光源發(fā)生急劇變化和箕斗機械閉鎖裝置本體水漬嚴重等諸多因素使得目前所有機器視覺算法失靈，調(diào)試過程中多次誤判、漏判。為此，發(fā)明了單相機分時多特征點復(fù)目匹配算法和自定義雙坐標(biāo)修光糾偏除水漬算法。此外，現(xiàn)場灑水、漏礦導(dǎo)致不足8h工業(yè)相機鏡頭表面污損過多，無法正常判斷。為防止漏礦、落石堵塞機械閉鎖靜態(tài)部分掛孔，研發(fā)了防塵機械臂和斗箱防護帽、溜礦槽，將上述4種結(jié)構(gòu)有機結(jié)合組成提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)速度快、信息量大、功能多，抗干擾能力強，不受現(xiàn)場環(huán)境、箕斗運行速度、斗箱晃動影響，與環(huán)境光源無關(guān)，與被檢測物體沾水、礦粉、泥沙無關(guān)。經(jīng)過近半年的投用，取得了預(yù)期效果。提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)工作流程為：

1）當(dāng)箕斗機械閉鎖裝置運動到接近拍攝視野中心時，傳感器向圖像采集控制部分發(fā)送信號（觸發(fā)脈沖）。

2）圖像采集控制部分根據(jù)控制程序，在指定區(qū)間分別向相機、光源照明系統(tǒng)和防塵機械臂發(fā)出啟動脈沖。

3）其中一個啟動脈沖使相機停止目前的掃描，打開曝光機構(gòu)或事先在程序中設(shè)定曝光時間，然后重新開始新一幀的掃描并輸出。

4）將采集的箕斗運動圖像存儲到工控機內(nèi)存中。

5）工控機程序?qū)D像進行實時處理、分析和識別，并輸出監(jiān)測結(jié)果。

2.2系統(tǒng)組成

提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)主要由6個子系統(tǒng)組成：

1）數(shù)字圖像處理系統(tǒng)（專用算法軟件）。

2）光學(xué)成像與光源照明系統(tǒng)。

3）傳感器與數(shù)字視頻系統(tǒng)。

4）DSP自動化控制系統(tǒng)。

5）故障記錄與圖像保存查詢系統(tǒng)。

6）光纖傳導(dǎo)與PLC處理系統(tǒng)[5]。

2.3系統(tǒng)功能

提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)可在創(chuàng)建模型時采用2種新發(fā)明算法設(shè)定箕斗機械閉鎖裝置縫隙嚙合程度，利用工業(yè)相機獲得縫隙圖像，通過圖像處理，可快速準確地提取縫隙尺寸，并由工控機輔助評判系統(tǒng)給出監(jiān)測結(jié)論;亦可設(shè)定允許斗箱發(fā)生水平位移幅度，在線監(jiān)測時，如有超標(biāo)，系統(tǒng)可通過軟件智能分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類故障并在機柜顯示屏與操作臺信息提示屏做出相應(yīng)提示，以方便操作人員進行故障查詢和故障復(fù)位。

1）允許掛鉤掛好程度、水平位移程度均可設(shè)定。例如：4.0cm高度掛鉤允許1.5～2.0cm輕微未掛好，6.5cm寬度水平位移允許2.0～3.0cm輕微橫向位移。

2）創(chuàng)建模型一鍵式設(shè)定，簡單易操作，現(xiàn)場人員可輕松掌握，且模型只需創(chuàng)建一次，完成一次操作后無論現(xiàn)場斷電或通訊故障，將故障復(fù)位后都可繼續(xù)投用，無需重新創(chuàng)建。

3）具備完整的“聲光+語音報警”及“故障分析與處理對策”體系，將故障分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，且伴隨相應(yīng)故障語音提示加聲光報警。①Ⅰ類故障有兩側(cè)掛鉤均未掛好、卡箕斗等，屬重故障，需立即實施安全制動，發(fā)生后卷揚機工需立即停車，停車后相關(guān)人員可按觸摸屏常見故障分析及處理對策進行檢查與維修（見圖2）。②Ⅱ類故障有單側(cè)掛鉤未掛好等，屬較重故障，若無連續(xù)發(fā)生則允許本次提升完畢后停車檢查。③Ⅲ類故障有箕斗位移，屬輕故障，若連續(xù)發(fā)生則本班人員可按故障提示單元處理對策留意觀察。

各類故障均可選擇性投入卷揚機安全回路。例如：Ⅰ類故障自動停車;Ⅱ類、Ⅲ類僅提示，不參與停車。

歷史報警記錄最多可追溯100d，記錄歷史報警的年/月/日/時/分/秒，以及故障類型、內(nèi)容，并將箕斗掛鉤報警時的形態(tài)以圖片形式存儲至硬盤，以便查詢?，F(xiàn)場具備外網(wǎng)或WIFI前提下，在手機端下載云APP，可隨時隨地監(jiān)控現(xiàn)場實時運行狀態(tài)、查看歷史故障記錄等。適配光電傳感器在相應(yīng)位置監(jiān)測提升機是否在卸礦后下放中卡箕斗。

2.4系統(tǒng)應(yīng)用

基于機器視覺技術(shù)的提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)自2020年5月投用至今，共捕捉到箕斗兩側(cè)掛鉤均未能復(fù)位6次，單側(cè)掛鉤未能復(fù)位25次，箕斗箱體水平位移超標(biāo)數(shù)百次，分析出導(dǎo)向輪松動故障3次，單只脫落故障1次，準確率100%。

基于機器視覺技術(shù)的提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)的成功研發(fā)投用實現(xiàn)了同類設(shè)備非接觸式實時在線監(jiān)測，在避免重特大設(shè)備事故發(fā)生的同時也為應(yīng)急搶修和日常檢修計劃的制定提供了有針對性的可靠依據(jù)。

該裝置不僅能夠準確地分辨出箕斗掛鉤狀態(tài)，還能監(jiān)測到箕斗導(dǎo)向輪進入曲軌的狀態(tài)，同時也能對箕斗底板密封漏料情況進行觀察，及時掌握箕斗底板密封情況，便于合理安排檢修時間。

3結(jié)語

基于機器視覺技術(shù)的提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)，由于其處理智能化、速度快、精度高、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點而成為在礦山提升系統(tǒng)中應(yīng)用的最佳選擇，對同類設(shè)備的安全生產(chǎn)有著極為重要的現(xiàn)實意義，兼顧了經(jīng)濟效益和社會效益，推廣應(yīng)用前景廣闊。

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[5]金武飛.礦井直流提升機電控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].北京：機械科學(xué)研究總院，2011.

Abstract：Inviewofthefailurethattheskipcannotbeaccuratelyresetaftergettingoutofthecurvedrail，andthattheskipandtheguidewheelloosensupandshiftsorevenfalloff，whenthebottomunloadingdoublehookmechanicallockingskipisadoptedinCanzhuangGoldMine，anintelligentanalysissystemformechanicallockingdeviceofhoistskipbasedonmachinevisiontechnologyisdesigned.Theworkingprinciple，compositionandmainfunctionsofthesystemareintroducedindetail.Thefieldapplicationshowsthatthesystemhastheadvantagesofintelligentprocessing，highspeed，highprecisionandgoodstability，andrealizesnoncontactrealtimeonlinemonitoringofsimilarequipment，whichisofgreatpracticalsignificancetothesafeproductionofsimilarequipment.Thesystemtakesintoaccountbotheconomicandsocialbenefits，andhasabroadprospectofpromotionandapplication.

Keywords：hoist;skip;mechanicallockingdevice;intellectualization;hookdetection;machinevisiontechnology