火電廠輸煤系統(tǒng)非磁性金屬異物自動檢測及挑揀系統(tǒng)設(shè)計

歸中科技（上海）有限公司 趙小聰

1 引言

在火力發(fā)電廠中，輸煤作為機組公用系統(tǒng)，為各個機組及其若干煤倉供煤，地位非常重要。為了保證輸煤系統(tǒng)正常運行和工作人員人身安全，需要定期檢查輸煤皮帶機上是否存在異物，并及時清除這些雜物。本文提出一種基于機器視覺技術(shù)的輸煤系統(tǒng)非磁性金屬自動檢測與挑揀方案。

2 輸煤系統(tǒng)非磁性金屬異物自動檢測及挑揀系統(tǒng)總體方案設(shè)計

輸煤系統(tǒng)非磁性金屬異物的出現(xiàn)給輸煤工作帶來很大困擾，不僅增加了工人的勞動強度而且還存在一定安全隱患。煤礦挖掘機上的不銹鋼斷齒會損傷皮帶、滾筒等設(shè)備，造成生產(chǎn)事故；同時也會對環(huán)境產(chǎn)生污染。因此，在保證正常輸煤作業(yè)前提下，實現(xiàn)對輸煤系統(tǒng)中非磁性金屬異物（如螺絲刀、扳手）的自動識別和定位具有重要意義。本研究旨在研發(fā)一套高效可靠的輸煤系統(tǒng)非磁性金屬異物自動檢測及挑揀系統(tǒng)，為企業(yè)降低成本、提升效率以及保障作業(yè)人員人身安全提供有力支持。在該項目中，提出了一種基于圖像處理技術(shù)的輸煤皮帶上非磁性物體自動識別和定位方法。

首先通過高清攝像機對輸煤皮帶進行拍攝并獲取圖像數(shù)據(jù)；然后利用圖像預(yù)處理算法對圖像進行去噪、增強等操作以提高后續(xù)處理效果；采用改進的Canny邊緣檢測算法提取皮帶邊緣信息，進而得到皮帶邊緣輪廓圖；最后結(jié)合實際生產(chǎn)情況，將不同類型的非磁性物品與皮帶邊緣輪廓圖中的特征點匹配，實現(xiàn)對皮帶上非磁性物品的自動分類和計數(shù)[1]。

3 輸煤系統(tǒng)非磁性金屬異物自動檢測及挑揀系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

該系統(tǒng)由傳感器、圖像采集卡和PLC控制單元組成。傳感器負責(zé)對傳送帶上的物體進行掃描并獲取其表面特征信息；圖像采集卡通過USB接口與上位機連接，實現(xiàn)實時視頻監(jiān)控功能；PLC控制單元則通過程序控制各執(zhí)行機構(gòu)完成相應(yīng)動作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠、操作方便，能夠有效提高工作效率，減少人工干預(yù)，降低誤報率。

3.2 系統(tǒng)硬件選型

在設(shè)計中，選擇了一款性能穩(wěn)定、功能強大的工業(yè)計算機作為上位機。該計算機采用Intel（R）Core（TM）i7-8700K處理器和16GB內(nèi)存，具有較高的計算速度和數(shù)據(jù)處理能力。同時，選用了一塊分辨率為4k的高分辨率顯示屏，方便用戶進行操作和監(jiān)控。此外，配備了多個USB接口、網(wǎng)口等通信接口，以滿足檢修調(diào)試與輸煤程控和其他不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換等需求[2]。

3.3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

在整個系統(tǒng)中，各部分之間需要進行數(shù)據(jù)交換和控制指令傳輸?shù)炔僮?，因此選用了高性能、低功耗的單片機作為主控芯片，同時為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性還加入了多種保護措施。

一是主控模塊:采用STC89C52RC型號單片機，其具有高速運算能力強、響應(yīng)速度快以及可靠性高等優(yōu)點，非常適合本系統(tǒng)的應(yīng)用需求。此外，該單片機還配備有豐富的接口資源，可方便地與其他設(shè)備連接通信。

二是信號采集模塊:由于輸煤皮帶上存在大量的異物，如螺絲、鐵屑等，這些物質(zhì)會產(chǎn)生較強的干擾信號，從而影響到后續(xù)信號處理結(jié)果。為此，專門設(shè)計了一款抗干擾能力強、靈敏度高的信號采集模塊，能夠有效濾除各種干擾噪聲，提高后續(xù)處理精度。

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件部分主要包括上位機和下位機兩部分。其中，上位機采用Visual Studio開發(fā)工具進行開發(fā)，實現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)的處理、顯示以及與PLC控制器之間的通信等功能；下位機則采用西門子公司生產(chǎn)的S7-1500系列可編程邏輯控制器（PLC）進行控制，通過程序語言實現(xiàn)了對機械臂、傳送帶、電磁閥等設(shè)備的動作控制。在上位機方面，使用Visual Studio開發(fā)工具中的MFC框架搭建人機交互界面，并利用OpenCV函數(shù)庫完成圖像的采集、處理和識別工作[3]。

3.5 系統(tǒng)測試

在完成了硬件的安裝和調(diào)試后，進行了系統(tǒng)的測試。本次測試主要是驗證該系統(tǒng)是否能夠正常工作以及其性能指標是否符合要求。具體內(nèi)容包括：一是對于圖像采集部分，需要將攝像頭與計算機連接起來，并通過軟件控制攝像頭進行拍攝；同時還需保證攝像頭所采集到的圖像清晰、穩(wěn)定且不存在畸變等問題。經(jīng)過多次測試發(fā)現(xiàn)，以上條件均滿足實際需求；二是對于電磁干擾部分，采用了信號發(fā)生器來模擬現(xiàn)場可能出現(xiàn)的各種干擾情況，然后觀察該系統(tǒng)是否能夠正確地識別出這些干擾信號并作出相應(yīng)處理。

結(jié)果表明，當(dāng)外界干擾信號較強時，該系統(tǒng)仍然可以準確地判斷目標物體并給出對應(yīng)的分類結(jié)果。此外，為進一步確認系統(tǒng)抗干擾能力，增加了一些干擾信號，但試驗結(jié)果顯示該系統(tǒng)依然可以保持良好的運行狀態(tài)。

4 輸煤系統(tǒng)非磁性金屬異物自動檢測及挑揀系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的上位機采用Visual Studio開發(fā)工具進行開發(fā)，實現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)的處理、顯示以及與下位機之間的通信等功能；而下位機則是基于FPGA芯片為核心控制器件來完成具體的操作任務(wù)[4]。

在上位機方面，使用Visual C++作為主要編程語言，通過調(diào)用OpenCV庫中的函數(shù)來實現(xiàn)對圖像的采集、預(yù)處理、分割、特征提取以及分類識別等一系列操作。同時，也可以通過串口將圖像傳輸給下位機進行實時控制。

4.2 系統(tǒng)軟件流程

該系統(tǒng)的軟件流程包括圖像采集、圖像預(yù)處理、特征提取和分類識別等模塊。具體流程包括：一是首先對原始圖像進行灰度化操作，將RGB格式轉(zhuǎn)換為HSV格式；二是然后通過直方圖均衡化增強對比度，使得圖像更加清晰；三是接著采用高斯濾波去除噪聲干擾，進一步提高圖像質(zhì)量；四是在此基礎(chǔ)上利用閾值分割法獲取目標區(qū)域并二值化處理，得到目標物體輪廓信息；五是針對不同種類的金屬物品，選取合適的特征參數(shù)作為區(qū)分依據(jù)，例如形狀、顏色、紋理等方面的差異性；六是最后使用SIFT算法或ORB算法完成目標物體的匹配與識別，輸出結(jié)果并存儲于數(shù)據(jù)庫中。

此部分為該系統(tǒng)的部分核心程序代碼，其中涉及多個函數(shù)的調(diào)用以及循環(huán)嵌套結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。同時還需要結(jié)合實際情況不斷優(yōu)化調(diào)整各個環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置，以達到較好效果?；鹆Πl(fā)電廠輸煤系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 火力發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)流程

4.3 系統(tǒng)軟件界面設(shè)計

主頁面是整個系統(tǒng)的核心部分，也是最重要的一個頁面。主頁面包括了所有與該系統(tǒng)相關(guān)的信息，如當(dāng)前時間、日期、溫度等。此外，主頁面還提供了一些常用功能選項卡，例如“開始”按鈕、“暫停”按鈕、“繼續(xù)”按鈕等。通過這些操作鍵，用戶可以快速進入相應(yīng)的功能模塊或者退出系統(tǒng)。

設(shè)備列表頁用于顯示該系統(tǒng)所連接的各種設(shè)備的信息，包括設(shè)備名稱、型號、參數(shù)等。當(dāng)用戶需要查詢某個設(shè)備時，只需點擊對應(yīng)的設(shè)備即可查看該設(shè)備的詳細信息。同時，設(shè)備列表頁還會實時更新該設(shè)備所在位置及其他相關(guān)信息[5]。

5 輸煤系統(tǒng)非磁性金屬異物自動檢測及挑揀系統(tǒng)調(diào)試

5.1 系統(tǒng)安裝前準備工作

一是在進行設(shè)備的搬運和組裝之前，必須先將地面打掃干凈并保持干燥。如果是在室內(nèi)環(huán)境下進行作業(yè)，需要使用空氣凈化劑等方法來保證空氣質(zhì)量符合要求。

二是對于所選用的各種零部件、材料以及工具等都應(yīng)該按照其特性分類存放好，避免因為混淆而導(dǎo)致誤操作或者損壞設(shè)備。同時還要做好標識，以便后續(xù)的查找與更換。

三是為了確?，F(xiàn)場施工人員的安全，所有參與到本次試驗中的人員都必須接受相關(guān)培訓(xùn)并考核合格后才能進入現(xiàn)場進行實際操作。此外，還需佩戴相應(yīng)的防護用品，如護目鏡、手套、鞋套等。

四是在進行設(shè)備的安裝過程中，必須嚴格遵守相關(guān)規(guī)范標準和設(shè)計方案，遵循“先裝大部件再裝小部件”或“由里向外、從上至下”的原則進行排列組合。同時，還要注意各個部件之間的連接方式是否正確，有無松動現(xiàn)象存在。

五是在完成設(shè)備的安裝后，應(yīng)對其整體性能進行全面檢查，包括各部分組件之間的配合情況以及運行狀態(tài)是否正常等。

5.2 系統(tǒng)安裝

在完成硬件設(shè)備的采購后，需要進行相應(yīng)的軟件和機械部分的安裝。犁煤器、格柵除鐵器等設(shè)備的控制箱應(yīng)該放置于合適位置并固定牢靠；傳感器電纜與PLC輸入/輸出模塊連接時應(yīng)保證線路整齊規(guī)范，避免交叉打結(jié)或短路現(xiàn)象發(fā)生；其他輔助設(shè)備如照明燈、攝像頭等也應(yīng)按照設(shè)計要求布置到位。

對于輸送帶上的非磁性金屬異物，通過圖像識別技術(shù)可以實現(xiàn)自動化檢測。當(dāng)有金屬物體進入相機視野時，會觸發(fā)相機拍攝信號，傳輸至控制器進行處理分析；同時，控制器還會將檢測結(jié)果反饋給上位機進行顯示和存儲。整個過程無須人工干預(yù)，大大提高了檢測效率和準確率。

5.3 系統(tǒng)運行

在完成硬件安裝和軟件配置后，進行了該系統(tǒng)的實際運行測試。此處將詳細介紹其運行情況以及對于不同類型的非磁性金屬異物的識別與定位能力。

首先通過實驗室模擬環(huán)境下的測試來驗證該系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。選取多個形狀、大小各異的金屬物體作為樣本，分別置于輸送帶上方的兩個位置處。利用圖像處理技術(shù)獲取這些金屬物體經(jīng)過傳感器時所產(chǎn)生的光學(xué)信號，計算出樣本各自所在的距離值。結(jié)果顯示，當(dāng)有一定數(shù)量的金屬異物被誤判為其他雜物而未被及時剔除時，會導(dǎo)致后續(xù)工序出現(xiàn)較大誤差甚至停機現(xiàn)象。因此，該系統(tǒng)需要具備較高的準確性才能保證正常工作。

6 結(jié)語

本文介紹了一種基于圖像處理技術(shù)的輸煤皮帶上非磁性金屬異物自動識別和定位方法。該方法能夠?qū)斆浩系母黝惍愇镞M行有效識別，并準確地在圖像中標注出來，為后續(xù)工作提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。同時，本文提出的自動挑揀方案可以大大提高工作效率，減少人工干預(yù)，降低誤檢率和漏檢率。