基于計算機(jī)視覺的智能加介系統(tǒng)研究與應(yīng)用

陳小霞

(棗莊礦業(yè)集團(tuán) 付村煤業(yè)有限公司選煤廠，山東 濟(jì)寧 277600)

在重介質(zhì)選煤過程中，重介分選系統(tǒng)的自動化、智能化水平是影響分選效果的重要因素。在重介質(zhì)選煤工藝中，重懸浮液密度穩(wěn)定性會影響煤炭分選的準(zhǔn)確性，而重懸浮液密度的改變是由介耗引起的。影響介耗的因素包括介質(zhì)本身的性質(zhì)、入選原煤的性質(zhì)、磁選設(shè)備的性能、介質(zhì)回收流程等[1]。保證重懸浮液密度穩(wěn)定，并在合適的時機(jī)補(bǔ)充介質(zhì)是保證選煤效果的關(guān)鍵。傳統(tǒng)加介方法加介的整個過程都依靠工人經(jīng)驗，致使加介效果受人為因素影響很大，例如：在使用電磁吸盤將介質(zhì)吸附到濃介質(zhì)桶時，操作人員隨意選擇取介區(qū)域，會造成介質(zhì)堆高低不平，從而導(dǎo)致介質(zhì)添加效率低下；從濃介質(zhì)桶向合格介質(zhì)桶添加濃介質(zhì)的過程中，操作人員憑肉眼判斷濃介質(zhì)桶液位，并手動開啟加介閥門，加介量無法準(zhǔn)確控制；此外，還會造成介質(zhì)庫剩余介質(zhì)量無法準(zhǔn)確估計。人工加介的方法對操作人員經(jīng)驗、操作條件要求較高，很多因素都會造成合格介質(zhì)密度不穩(wěn)定，進(jìn)而對生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響[2]。

計算機(jī)視覺技術(shù)[3]是研究如何從圖像或多維數(shù)據(jù)中“感知”的技術(shù)，利用攝像機(jī)和電腦代替人眼對目標(biāo)進(jìn)行識別、跟蹤和測量，并做進(jìn)一步圖形處理，可獲得場景中目標(biāo)的三維信息。計算機(jī)視覺研究起源于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過長足發(fā)展，目前該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像處理、工業(yè)質(zhì)量檢測、軍事、交通、公共安全等各個領(lǐng)域，在煤炭行業(yè)的應(yīng)用正處于飛速發(fā)展階段。

付村煤業(yè)有限公司選煤廠是一座生產(chǎn)能力為 3.0 Mt/a 的重介選煤廠，每天的介質(zhì)補(bǔ)加量約為5 000 kg，而且要多次補(bǔ)加，加介的及時性和準(zhǔn)確性是制約重介質(zhì)分選智能化建設(shè)的主要因素。為了實現(xiàn)加介系統(tǒng)的智能化，提高選煤廠的分選精度，付村選煤廠引入計算機(jī)視覺技術(shù)，研發(fā)智能加介系統(tǒng)，以實現(xiàn)介質(zhì)的智能添加，確保重懸浮液密度的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)控制方案

智能加介系統(tǒng)應(yīng)用圖像識別與邊緣計算技術(shù)[4]，通過采集加介量、給水量、密度傳感器數(shù)據(jù)、液位傳感器數(shù)據(jù)來實現(xiàn)系統(tǒng)的自動補(bǔ)加介質(zhì)。當(dāng)接到重介系統(tǒng)的補(bǔ)加介質(zhì)任務(wù)信息后，總控制器能夠自動判別是否需要補(bǔ)加介質(zhì)，并能自動進(jìn)行介質(zhì)補(bǔ)加；當(dāng)在自動補(bǔ)加介質(zhì)過程中，總控制器能夠在合格介質(zhì)桶內(nèi)合格介質(zhì)達(dá)到設(shè)定的密度和液位時實現(xiàn)自動停止補(bǔ)加介質(zhì)。智能加介系統(tǒng)控制圖如圖1所示。

圖1 智能加介系統(tǒng)控制圖Fig.1 Control system of the intelligent medium adding system

在加介過程中，系統(tǒng)可對每次加介量自動稱重計量并上傳到總控制器保存?zhèn)洳?；智能加介系統(tǒng)還能夠自動識別濃介質(zhì)桶內(nèi)濃介質(zhì)的液位和磁性物含量數(shù)據(jù)。在實現(xiàn)自動補(bǔ)加介質(zhì)的同時，智能加介系統(tǒng)還設(shè)有手動加介功能，在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時能夠?qū)崿F(xiàn)手動加介。智能加介系統(tǒng)上位機(jī)控制界面如圖2所示。

圖2 智能加介系統(tǒng)上位機(jī)控制界面Fig.2 Host computer control interface of the intelligent medium adding system

2 關(guān)鍵技術(shù)路線

2.1 最佳取介點及介質(zhì)質(zhì)量的識別

通過邊緣提取、立體匹配、相機(jī)標(biāo)定、三角化和Kmeans算法[5]提取最佳取介點，經(jīng)過三維模型網(wǎng)絡(luò)化來估算介質(zhì)體積和質(zhì)量。智能加介系統(tǒng)的圖像傳感器采用雙目工業(yè)相機(jī)，可獲得立體視覺圖像的深度信息。圖3所示為在工業(yè)相機(jī)下的介質(zhì)庫成像比。

圖3 介質(zhì)庫圖像Fig.3 Photos of the medium depot

立體視覺系統(tǒng)經(jīng)過圖像獲取、特征提取、立體匹配獲取三維場景點云數(shù)據(jù)信息。立體視覺三維重建的流程包括[6]：分別獲得左右工業(yè)相機(jī)圖像，對兩者進(jìn)行極線校正，經(jīng)過極線校正的左右圖像需要進(jìn)行立體匹配，從而可以形成視差圖；基于視差圖，使用三角化技術(shù)，就可以得到圖像的三維模型，即稠密點云，從而進(jìn)一步得到介質(zhì)堆的最高點和介質(zhì)質(zhì)量信息。

對采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括濾波、邊緣提取等。立體匹配是三維重建的關(guān)鍵步驟[7]，現(xiàn)有許多匹配算法可以應(yīng)用，但是無論采用何種算法，都需要遵循一定的約束條件，例如極線約束、相似性約束、唯一性約束、左右一致約束等。這些約束條件的使用將有效降低匹配的難度，并提高立體匹配的速度和精度，從而得到深度圖；通過深度圖可以獲得圖像上每個點的三維坐標(biāo)，在獲得每個點的三維坐標(biāo)之后，可以通過旋轉(zhuǎn)矩陣獲得該點距離地面的垂直距離；采用Kmeans方法將選擇的前K個最高點按照距離進(jìn)行聚類，從而選擇合適的點作為抓取介質(zhì)的點。由于介質(zhì)堆屬于不規(guī)則立方體，為了保證介質(zhì)堆測量的準(zhǔn)確性，可將介質(zhì)庫的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格化，先求取每個小網(wǎng)格的體積，再根據(jù)小網(wǎng)格體積求得總體積。介質(zhì)堆信息監(jiān)測圖像處理路線圖如圖4所示。

圖4 介質(zhì)堆信息監(jiān)測圖像處理路線圖Fig.4 Flowchart of the medium pile monitoring image processing process

邊緣控制器將獲得的介質(zhì)堆影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可繪制出介質(zhì)堆的三維立體網(wǎng)格和坐標(biāo)系，從而確定每一時刻介質(zhì)堆的最高點和介質(zhì)總質(zhì)量，進(jìn)而根據(jù)添加介質(zhì)量確定介質(zhì)取料點，并在介質(zhì)剩余總量低于設(shè)定值時進(jìn)行提醒。基于圖像識別的邊緣計算和最佳介質(zhì)拾取點選擇如圖5所示。

2.2 加介行車精確定位

由于加工精度和使用方式的問題，加介行車一直未能實現(xiàn)高精度、高可靠的運(yùn)行。加介行車精確定位系統(tǒng)采用激光雷達(dá)定位技術(shù)、編碼器技術(shù)、變頻器線性調(diào)頻技術(shù)[8-10]，將加介行車的大車、小車以及加介電磁鐵高度信息定義為X，Y，Z三向坐標(biāo)，通過電氣系統(tǒng)實時讀取坐標(biāo)信息，實現(xiàn)行車的勻加速、勻速、勻減速的精確控制。

具體執(zhí)行過程為：系統(tǒng)發(fā)出目標(biāo)坐標(biāo)點指令后，由電氣系統(tǒng)通過變頻器驅(qū)動大車、小車、加介電磁鐵滾筒電機(jī)，并通過RS485總線實時獲取激光雷達(dá)數(shù)據(jù)；根據(jù)激光雷達(dá)反饋數(shù)據(jù)，電氣系統(tǒng)將線距離值轉(zhuǎn)換為電控信號，使大車、小車、加介電磁鐵到達(dá)指定坐標(biāo)點；在大車和小車距離目標(biāo)點30 cm的位置，電氣系統(tǒng)啟動勻減速驅(qū)動，避免大車和小車因慣性造成過沖現(xiàn)象。

加介行車精確定位大幅提高了行車控制精度和加介電磁鐵吸盤取料放料的精準(zhǔn)度，實現(xiàn)了無人值守情況下的行車自動運(yùn)行，避免了人工操作中人為誤操作而導(dǎo)致的安全事故，有效降低了操作人員的勞動強(qiáng)度。智能加介系統(tǒng)加介行車現(xiàn)場圖如圖6所示。

圖6 智能加介系統(tǒng)加介行車現(xiàn)場圖Fig.6 On-site view of the intelligent medium adding system running on overhead track

2.3 行車防擺

在卷揚(yáng)式行車系統(tǒng)中，吊物的搖擺在行車運(yùn)行過程中不可避免。吊物的搖擺除了會造成機(jī)械損傷，還會給生產(chǎn)造成極大的安全隱患。行車防擺系統(tǒng)通過安裝在加介電磁鐵中心點的九軸加速度傳感器(三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁強(qiáng)計)實時獲取電磁吸盤與地面的法向夾角及角速度值，并根據(jù)各方向矢量數(shù)據(jù)得出加介電磁鐵的運(yùn)動軌跡及運(yùn)動趨勢，再經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合曲線獲得加介電磁鐵擺動的最大夾角、最大瞬時速度及擺動周期。因單擺振幅與吊繩長度高度相關(guān)，可由安裝于加介電磁鐵驅(qū)動滾筒的編碼器獲取當(dāng)前鐘擺長度，通過深度學(xué)習(xí)，建立動態(tài)二次脈沖前饋防搖擺控制數(shù)學(xué)模型，來實現(xiàn)不同鐘擺長度下的擺幅抵消，從而實現(xiàn)防搖擺閉環(huán)控制功能。行車的驅(qū)動采用可調(diào)變頻控制技術(shù)，大車和小車及加介電磁鐵滾筒電機(jī)均采用勻加速、勻減速主動防遙擺控制系統(tǒng)。介質(zhì)庫內(nèi)的加介電磁鐵如圖7所示。

圖7 介質(zhì)庫內(nèi)的加介電磁鐵Fig.7 The medium adding electric magnet in medium depot

2.4 濃介質(zhì)配制到合格介質(zhì)補(bǔ)加全流程自動化

加介電磁鐵上設(shè)置稱量傳感器[10]，濃介質(zhì)桶的頂部安裝有沖水管，沖水管上安裝有電液動閥門和流量計，濃介質(zhì)桶頂部還設(shè)有液位傳感器；在加介管旁路安裝壓差密度計，可自循環(huán)測量濃介質(zhì)密度。在生產(chǎn)過程中，控制器采集兩個合格介質(zhì)桶內(nèi)合格介質(zhì)密度值，并對實時密度值與設(shè)定密度值進(jìn)行對比，當(dāng)實時密度值小于設(shè)定密度值時，控制器控制加介泵對合格介質(zhì)桶進(jìn)行補(bǔ)介，使桶內(nèi)合格介質(zhì)密度逐漸上升，直至等于設(shè)定密度。

系統(tǒng)采用PID控制技術(shù)對濃介質(zhì)桶的加水量和介質(zhì)添加量進(jìn)行閉環(huán)控制[11]；通過積分控制調(diào)節(jié)供水電動閥門，可消除穩(wěn)態(tài)誤差，使每次供水均能準(zhǔn)確達(dá)到設(shè)定的液位值；在給定加水量的情況下，通過行車自動進(jìn)行加介操作，由于加介電磁鐵的取介量不可調(diào)，單次為400 kg左右，因此生產(chǎn)中需通過二次補(bǔ)水解決濃介質(zhì)的超調(diào)現(xiàn)象，使?jié)饨橘|(zhì)密度精準(zhǔn)達(dá)到設(shè)定值。

在重介質(zhì)選煤工藝中，工藝參數(shù)的控制直接關(guān)系到分選效果的好壞。利用閉環(huán)控制系統(tǒng)對合格介質(zhì)桶液位和合格介質(zhì)密度進(jìn)行控制，默認(rèn)設(shè)置的參數(shù)包括合格介質(zhì)桶最低液位和最高液位以及合格介質(zhì)密度值。傳統(tǒng)的 PID 控制方法存在無法滿足控制精度要求的問題，系統(tǒng)采用模糊 PID 解耦控制方法解決了合格介質(zhì)桶液位與合格介質(zhì)密度之間的強(qiáng)耦合關(guān)系問題[12]，使配制的合格介質(zhì)密度能夠穩(wěn)定在一個合理的區(qū)間內(nèi)，從而在很大程度上改善了重介質(zhì)選煤控制系統(tǒng)的控制性能，從而有效地提升了重介質(zhì)選煤工藝的自動化和智能化程度，避免了人工操作的隨意性，并減輕了人工勞動強(qiáng)度[13]。

3 功能

3.1 不同模式選擇

智能加介系統(tǒng)可在手動控制、遠(yuǎn)程控制、智能控制三種模式間轉(zhuǎn)換，滿足了生產(chǎn)現(xiàn)場的實際需要。

(1)手動控制。在介質(zhì)庫通過觸摸屏或者就地控制箱對加介系統(tǒng)進(jìn)行控制，適用于生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備調(diào)試和檢修工況。

(2)遠(yuǎn)程控制。在集控室實現(xiàn)對加介系統(tǒng)的單機(jī)或聯(lián)機(jī)控制，在該模式下智能加介系統(tǒng)與閥門和泵存在一定的聯(lián)鎖或閉鎖關(guān)系，使加介過程和密度控制聯(lián)鎖，當(dāng)濃介質(zhì)桶液位超高或者閥門故障時進(jìn)行報警，提醒操作人員及時處理。

(3)智能控制。根據(jù)合格介質(zhì)的密度和合格介質(zhì)桶液位等信息判斷主廠房的加介需求，并編寫 PLC程序。當(dāng)需要添加介質(zhì)時，自動控制加介系統(tǒng)執(zhí)行加介操作，當(dāng)合格介質(zhì)桶液位滿足生產(chǎn)需求后停止加介。

3.2 計量功能

智能加介系統(tǒng)通過安裝于行車的稱重傳感器能夠準(zhǔn)確測量單次介質(zhì)添加量，并由PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并匯總至后臺數(shù)據(jù)庫。計量功能解決了以往人工統(tǒng)計造成的誤差，消除了因人為誤差造成的不確定性，實現(xiàn)了加水量、加介量的閉環(huán)控制[14-16]，為合格介質(zhì)密度的精確控制提供了保障。

3.3 自診斷報警功能

智能加介系統(tǒng)中主要電氣設(shè)備均具有動作超時報警、溫度報警、電流過載報警功能，保障了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能

智能加介系統(tǒng)可通過上位機(jī)組態(tài)軟件對系統(tǒng)中重要參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計匯總，并可按班次、天、月、年進(jìn)行單項統(tǒng)計，有效提高了生產(chǎn)管理效率。

4 實施效果

基于計算機(jī)視覺的智能加介系統(tǒng)將現(xiàn)代電子技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)、計算機(jī)視覺及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與電氣系統(tǒng)相結(jié)合，將選煤廠介質(zhì)添加工藝與生產(chǎn)自動控制、生產(chǎn)管理有機(jī)地融合在一起。智能加介系統(tǒng)成功投運(yùn)后，每班可減少加介崗位工1人；可最大程度地減少介質(zhì)的浪費(fèi)和損失，經(jīng)測算，應(yīng)用智能加介系統(tǒng)可將加介、備介過程中產(chǎn)生的介耗降低50% ，年介耗可降低120 t，每年可減少介質(zhì)支出5%；實現(xiàn)了從濃介質(zhì)配制到合格介質(zhì)補(bǔ)加的全流程自動化，有效穩(wěn)定了分選密度，使精煤產(chǎn)率提高了0.6個百分點。按照每人年收入10萬元計算，每班減少加介工1 人，年可節(jié)省人工成本30萬元；介質(zhì)價格按照1 105元/t計算，年可節(jié)約介質(zhì)費(fèi)用13.26萬元；按照全年入選原煤270 萬t，精煤利潤360元/t計算，年可增加經(jīng)濟(jì)收益為360×270×0.6%=583.2萬元。綜上三項，應(yīng)用智能加介系統(tǒng)后年可增加經(jīng)濟(jì)效益為30+13.26+583.2=626.46萬元。

5 結(jié)語

目前，智能加介系統(tǒng)在付村煤業(yè)有限公司選煤廠已成功運(yùn)行1年，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具備加介量自動計量、自動制備濃介質(zhì)、自動加介的功能，實現(xiàn)了從濃介質(zhì)配制到合格介質(zhì)補(bǔ)加全流程的自動化和加介崗位無人值守。智能加介系統(tǒng)使介質(zhì)添加方式從落后的人工控制轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝Х€(wěn)定的智能控制，進(jìn)一步推動了以計算機(jī)視覺為核心的人工智能技術(shù)在選煤生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣。