師華東

1 引言

水泥廠石灰石破碎及輸送車(chē)間為水泥生產(chǎn)提供所需的石灰石，是水泥廠非常重要的一個(gè)車(chē)間。其中，受料坑石灰石超徑堵料問(wèn)題嚴(yán)重制約著生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行，已成為水泥企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)的重點(diǎn)。水泥廠常采用液壓破碎錘解決大塊物料堵塞、下料不暢的問(wèn)題，但在實(shí)際操作中，液壓破碎錘的破碎效率并不高，無(wú)法有效解決石灰石超徑的問(wèn)題。

本文通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)，判斷實(shí)際生產(chǎn)中受料坑的大塊物料情況，并及時(shí)將信息反饋給礦山開(kāi)采工作人員，幫助工作人員合理調(diào)整礦山開(kāi)采階段的爆破行間距、爆破鉆孔直徑等參數(shù)，減少礦山開(kāi)采時(shí)大塊物料出現(xiàn)的頻率。同時(shí)，利用識(shí)別出的信息也可加強(qiáng)水泥廠石灰石破碎及輸送車(chē)間的生產(chǎn)管理，從根本上解決受料坑石灰石超徑的問(wèn)題，有利于提高石灰石破碎效率，避免石灰石生產(chǎn)工段不必要的停產(chǎn)。

2 受料坑石灰石超徑現(xiàn)狀

2.1 礦山開(kāi)采

在生產(chǎn)實(shí)踐中，自礦山開(kāi)采的石灰石原料粒徑很難控制及測(cè)量，大塊物料較多，對(duì)生產(chǎn)影響較大。一直以來(lái)，礦山開(kāi)采往往是靠經(jīng)驗(yàn)判斷原料的粒度和粒級(jí)，其準(zhǔn)確性和可靠性均比較低，無(wú)法高效指導(dǎo)生產(chǎn)。有人曾嘗試通過(guò)無(wú)人機(jī)高空攝像來(lái)統(tǒng)計(jì)礦山爆破后的大塊物料情況，但由于高空識(shí)別技術(shù)不成熟、成本過(guò)高且僅能測(cè)量表層石灰石的粒徑，這項(xiàng)技術(shù)便僅停留在探討階段。

2.2 生產(chǎn)管理

理論上而言，在礦山爆破后，將其中的大塊物料用液壓破碎錘破碎后再進(jìn)行物料裝載，能夠解決物料超徑的問(wèn)題，但在生產(chǎn)實(shí)際中卻很難操作。這是因?yàn)槭沂V山的爆破開(kāi)采與水泥生產(chǎn)原料的運(yùn)輸和使用，一般是由兩家單位分別管理，無(wú)法對(duì)卡車(chē)裝載的石灰石塊粒度進(jìn)行定量考核。

2.3 石灰石破碎效率

常規(guī)水泥廠石灰石破碎及輸送車(chē)間的設(shè)備由受料坑、板式喂料機(jī)、破碎機(jī)、除塵器及風(fēng)機(jī)、膠帶輸送機(jī)等組成。進(jìn)入受料坑的石灰石粒徑與礦山開(kāi)采、生產(chǎn)管理及石灰石破碎效率有關(guān)。對(duì)于卸料至受料坑的石灰石超徑問(wèn)題，常規(guī)的處理方法多是將受料坑內(nèi)的大塊石灰石進(jìn)行破碎或?qū)⑵淙〕?。另外，加?qiáng)卸料管理，禁止卡車(chē)司機(jī)將大塊石灰石卸入受料坑。以上處理方法均無(wú)法從根本上解決石灰石超徑問(wèn)題。

3 受料坑石灰石超徑治理系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

礦山開(kāi)采后，進(jìn)入受料坑的石灰石粒度合適是保證石灰石圓堆儲(chǔ)量的基礎(chǔ)，同時(shí)，受料坑內(nèi)的石灰石粒度數(shù)據(jù)又可反向指導(dǎo)礦山開(kāi)采。通過(guò)礦山開(kāi)采的礦石粒徑分布實(shí)際數(shù)據(jù)，校驗(yàn)其設(shè)計(jì)值，可有效縮小設(shè)計(jì)值和實(shí)際生產(chǎn)值之間的偏差。另外，破碎機(jī)本身也需要滿(mǎn)負(fù)荷供料，堵料將影響破碎機(jī)生產(chǎn)效率。

有效利用目前成熟的圖像識(shí)別技術(shù)，將礦山開(kāi)采、石灰石破碎、生產(chǎn)管理三者有機(jī)結(jié)合，能夠較好地解決受料坑石灰石超徑的問(wèn)題。受料坑石灰石超徑治理系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 受料坑石灰石超徑治理系統(tǒng)流程

采用圖像識(shí)別技術(shù)，通過(guò)對(duì)受料坑石灰石進(jìn)行圖像識(shí)別，既可算出石灰石的粒徑分布，也能識(shí)別出超徑的大塊石灰石，并統(tǒng)計(jì)相關(guān)信息反饋給礦山；礦山通過(guò)調(diào)整爆破行間距、鉆孔直徑、炮孔深度、裝藥量等參數(shù)，優(yōu)化開(kāi)采，可避免大塊石灰石的出現(xiàn)。同時(shí)，也可將石灰石超徑數(shù)據(jù)反饋給生產(chǎn)管理系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)操作人員進(jìn)行KPI 考核，避免大塊石灰石裝車(chē)并倒入受料坑。

另外，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)收集的受料坑石灰石粒徑分布數(shù)據(jù)，還可和破碎機(jī)電耗數(shù)據(jù)一起進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出系統(tǒng)生產(chǎn)低能耗、低成本、高效率的最優(yōu)平衡點(diǎn)。理論上講，石灰石粒徑數(shù)據(jù)越小，破碎機(jī)做功效率越高，電耗越低，具體需結(jié)合工況進(jìn)行調(diào)整。生產(chǎn)實(shí)際中，結(jié)合爆破行列間距、爆破鉆孔直徑、給料粒度粒級(jí)、破碎機(jī)與粒徑數(shù)據(jù)等參數(shù)進(jìn)行整體分析優(yōu)化，可有效平衡爆破成本、破碎機(jī)效率、生產(chǎn)量和磨機(jī)電耗等各個(gè)環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)、效率和均攤成本，找到產(chǎn)量最高、成本最低的經(jīng)濟(jì)效益平衡點(diǎn)，發(fā)揮破碎系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行效率。

4 圖像識(shí)別系統(tǒng)介紹

4.1 圖像識(shí)別系統(tǒng)的組成

圖像識(shí)別系統(tǒng)使用工業(yè)級(jí)高清相機(jī)采集受料坑里的運(yùn)動(dòng)石灰石圖像，利用機(jī)器視覺(jué)、圖像處理技術(shù)及統(tǒng)計(jì)分析算法，對(duì)受料坑里的石灰石粒度組成及大塊石灰石粒徑進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大、中、小塊石灰石顆粒占比情況、最大石灰石粒徑等參數(shù)的有效在線檢測(cè)。

圖像識(shí)別系統(tǒng)主要由工業(yè)相機(jī)子系統(tǒng)、照明子系統(tǒng)、機(jī)械支架子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)等組成。工業(yè)相機(jī)子系統(tǒng)和照明子系統(tǒng)安裝在機(jī)械支架子系統(tǒng)上，對(duì)準(zhǔn)受料坑?，F(xiàn)場(chǎng)照明及工業(yè)相機(jī)子系統(tǒng)的用電由電控柜提供。工業(yè)相機(jī)在照明子系統(tǒng)的配合下，實(shí)時(shí)采集受料坑里的石灰石圖像，同時(shí)，潔凈高壓空氣可以吹走鏡頭前方的灰塵，保持采集圖像清晰。石灰石圖像通過(guò)網(wǎng)線傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)PLC，現(xiàn)場(chǎng)電控柜內(nèi)裝有光電轉(zhuǎn)換器，可將石灰石圖像信號(hào)通過(guò)光纖傳至中控室，在遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的中控室也可清楚了解現(xiàn)場(chǎng)石灰石粒徑的情況。中控計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)上的軟件通過(guò)處理圖像獲得并顯示石灰石粒度信息。圖像識(shí)別系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：實(shí)時(shí)采集、顯示、分析石灰石粒度圖像，實(shí)時(shí)展示石灰石圖像的分割效果，用實(shí)時(shí)曲線展示礦石粒徑組成情況的變化趨勢(shì)，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)物料運(yùn)輸車(chē)輛中超徑石灰石塊的數(shù)量，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)接入DCS 或其他智能控制系統(tǒng)。

4.2 圖像識(shí)別流程

圖像識(shí)別流程如圖2所示，圖像識(shí)別畫(huà)面如圖3所示。在卡車(chē)卸料口處布置對(duì)射光柵和紅綠燈，綠燈開(kāi)啟時(shí)，司機(jī)利用倒車(chē)鏡停車(chē)倒料。對(duì)射光柵一般采用紅外對(duì)射的原理，采用多束紅外光對(duì)射，發(fā)射器以“低頻發(fā)射、時(shí)分檢測(cè)”的方式向接收器發(fā)出紅外光，一旦有卡車(chē)擋住了發(fā)射器發(fā)出的任何相鄰兩束以上光線超過(guò)30ms 時(shí)，接收器立即輸出報(bào)警信號(hào)。PLC 控制柜接收到對(duì)射光柵的報(bào)警信號(hào)后，開(kāi)啟圖像識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)攝像頭記錄卡車(chē)的車(chē)牌號(hào)。圖像識(shí)別系統(tǒng)可以對(duì)卡車(chē)上是否有超徑石灰石塊進(jìn)行識(shí)別并發(fā)出警報(bào)，提醒卡車(chē)司機(jī)不可將超徑石灰石塊倒入受料坑。系統(tǒng)還可以對(duì)進(jìn)入卸車(chē)坑的石灰石塊進(jìn)行粒徑分布統(tǒng)計(jì)和超徑識(shí)別，并將數(shù)據(jù)反饋給中控室。當(dāng)完成卸料，司機(jī)開(kāi)車(chē)離開(kāi)后，對(duì)射光柵信號(hào)消失，圖像識(shí)別系統(tǒng)關(guān)閉，紅燈開(kāi)啟。對(duì)射光柵、圖像識(shí)別系統(tǒng)、紅綠燈相互聯(lián)鎖，完成整個(gè)圖像識(shí)別過(guò)程。遇高強(qiáng)度卸車(chē)需求時(shí)，圖像識(shí)別系統(tǒng)可設(shè)置為連續(xù)性工作方式。

圖2 圖像識(shí)別系統(tǒng)流程

圖3 圖像識(shí)別畫(huà)面

4.3 圖像識(shí)別系統(tǒng)的功能及分析方法

圖像識(shí)別系統(tǒng)中的石灰石粒度在線分析設(shè)備，可以方便地安裝在受料坑框架上，通過(guò)FPGA處理板卡和視頻技術(shù)處理，分級(jí)輸出目標(biāo)粒級(jí)的個(gè)數(shù)。普通粒徑石塊由藍(lán)色框線識(shí)別，超徑石塊由紅色框線識(shí)別。粒度在線分析設(shè)備還可自適應(yīng)卸車(chē)時(shí)石灰石的運(yùn)動(dòng)及粒徑的變化，實(shí)時(shí)測(cè)量石灰石粒度，通過(guò)光纖將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳輸至中控室，使操作人員在中控室即可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看受料坑石灰石粒度分割圖像及粒度分布信息，統(tǒng)計(jì)超徑石塊并及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)操作。

圖像識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可對(duì)礦山開(kāi)采、破碎機(jī)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)通過(guò)高清攝像機(jī)在線實(shí)時(shí)采集每個(gè)受料坑的超徑石灰石數(shù)據(jù)，利用視覺(jué)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行粒度識(shí)別計(jì)算分析。圖像識(shí)別系統(tǒng)的粒度識(shí)別分析過(guò)程如下：

（1）對(duì)比度調(diào)整：增強(qiáng)圖像的對(duì)比度。

（2）高過(guò)濾處理：銳化顆粒邊界。

（3）低過(guò)濾處理：去除背景噪聲，提高顆粒識(shí)別水平。

（4）閾值調(diào)整處理：尋找透明顆粒的邊界。

（5）定位顆粒：按照設(shè)計(jì)的算法對(duì)圖像進(jìn)行搜索和處理，識(shí)別出形成每個(gè)顆粒的所有像素，基于遍歷樹(shù)算法，對(duì)顆粒的像素和其臨近像素依次處理，決定其是否屬于相同的顆粒，最終識(shí)別出每個(gè)顆粒所屬的像素，保存顆粒的拓?fù)湫畔?，并逐一進(jìn)行處理，得到粒度大小和粒形信息。

（6）過(guò)程參數(shù)調(diào)整：調(diào)整顆粒圓度、長(zhǎng)細(xì)比、形狀因子、等效直徑、凹凸度、橢圓度、周長(zhǎng)、表面粗糙度、表面積、球形度、最小外接圓、等效面積、外包矩形、長(zhǎng)軸、短軸、延長(zhǎng)度等。

5 結(jié)語(yǔ)

水泥企業(yè)應(yīng)有效利用圖像識(shí)別技術(shù)，將礦山開(kāi)采、生產(chǎn)管理、石灰石破碎效率三者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，才能有效解決受料坑石灰石超徑問(wèn)題。通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)能夠整體優(yōu)化分析爆破成本、破碎機(jī)效率、破碎機(jī)進(jìn)出料粒徑等工藝參數(shù)，找到產(chǎn)量最高、成本最低的效益平衡點(diǎn)，從而提高企業(yè)精細(xì)化管理水平及經(jīng)濟(jì)效益。