在酸刺溝選煤廠帶式輸送機保護中的應用

辛學銘，陳仲叔，郝金剛，李 洋

(內蒙古伊泰京粵酸刺溝礦業有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯017000)

近年來，隨著計算機與圖像處理技術的發展，機器視覺技術正廣泛應用于工業、農業、醫學、軍事等領域[1]。而機器視覺技術在礦業工程中的應用并不多，尤其是在選煤廠設備保護領域。但煤炭洗選設備的工作環境迫切需要先進的具有智能控制的在線監測系統，實時反饋設備的運行狀態和完好情況。機器視覺又稱計算機視覺，是用機器代替人眼來做測量和判斷[2-3]。美國制造工程師協會對機器視覺的定義為：“機器視覺是使用光學器件進行非接觸感知，自動獲取和解釋一個真實場景的圖像，以獲取信息和控制機器或過程”。通俗地將機器視覺系統是通過視覺產品將被攝取的目標轉換為圖像信號，然后傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉換成數字信號[4]，圖像處理系統對這些信號再進行各種運算來提取目標特征，進而根據所判別的結果來控制現場的設備動作。機器視覺系統從原理上由圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示三部分組成。

酸刺溝選煤廠帶式輸送機保護裝置是一款基于MATLAB進行開發的軟件，是機器視覺在選煤廠設備保護上的一次實踐。MATLAB是由美國mathworks公司發布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。MATLAB的圖像處理工具箱提供了一套全方位的參照標準算法和圖形工具，用于進行圖像處理、分析、可視化和算法開發，可進行圖像增強、圖像去模糊、特征檢測、降噪、圖像分割、空間轉換和圖像配準，用于探索圖像、檢查像素區域、調節對比度、創建輪廓或柱狀圖，以及操作感興趣區域(ROI)，并且可以檢查和測量特征、分析形狀[5]。該選煤廠采用MATLAB圖像處理工具箱的測量特征和分析形狀的功能，對選煤廠帶式輸送機的跑偏情況、撕裂情況進行檢測，同時還可監測生產過程中的起停車情況，并以郵件的方式發送給相關管理人員。

1 生產現狀

目前選煤廠帶式輸送機的撕裂保護是傳統的接近開關式的縱撕保護，屬于機械檢測法[6]，依靠帶式輸送機撕裂后的撒煤在托盤上積累達到一定質量后，來觸發接近開關，進而實現帶式輸送機停機的功能。然而實踐中因受拉力不平衡的影響，帶式輸送機撕裂后會在撕裂處疊加起來，一開始并不會出現撒煤的現象，導致無法觸發接近開關，造成撕裂長度進一步擴大、經濟損失增大的后果。同時接近開關保護會在帶式輸送機未撕裂的情況下撒煤，從而觸發接近開關出現誤操作的情況，進而影響選煤廠生產的連續性。

由于帶式輸送機運行速度較快，崗位工通過肉眼觀察根本無法及時發現帶式輸送機撕裂，無法起到真正的帶式輸送機保護作用。而機器視覺可以代替肉眼長時間觀察某一部位，并且不會像人一樣產生疲勞感，可以及時準確地將采集到的數據進行反饋。因此帶式輸送機的監測保護裝置亟需引進機器視覺，來代替傳統的接近開關式撕裂保護和肉眼觀測手段，以此來增強對帶式輸送機的保護，保證選煤廠正常且連續的生產，減少選煤廠不必要的損失。

2 帶式輸送機監測系統

酸刺溝選煤廠帶式輸送機監測系統包括圖像采集系統和圖像分析軟件兩部分。

2.1 圖像采集系統

機器視覺首先應獲得高質量的現場圖像，任何在圖像獲取方面的缺陷都會給后續圖像的分析和理解帶來困難[7]。該系統應用在酸刺溝選煤廠篩分車間至主廠房的3001原煤帶式輸送機上，為了減少光照的影響，以及便于對設備進行調整，將監測地點選在帶式輸送機的機頭位置。在3001帶式輸送機帶面上方1.5 m處安裝高清攝像頭，以45°的角度安裝在帶式輸送機正上方，攝像頭通過網線的方式連接至計算機；同時在攝像頭逆煤流方向安裝一個激光發射器，以直角照射在帶式輸送機帶面上，使激光在整個帶式輸送機橫截面上形成一條連續的曲線，并呈現在攝像頭的畫面內。圖像采集系統主要作用是采集合格的被測目標圖像，并將其傳輸到計算機上，為后續對圖像進行分析處理做準備。圖像采集系統流程如圖1所示。

圖1 圖像采集系統流程

2.2 圖像分析軟件

圖像分析軟件是一款基于MATLAB開發的程序，是一款主要識別帶式輸送機上激光線形狀和位置的軟件，同時可根據帶煤時和空載時的曲線大概計算出帶式輸送機上的實時帶煤量，記錄啟停車時間。

該系統將分析出來的圖像中的激光線模擬在MATLAB畫圖功能的坐標中，同時進行實時處理。采集圖像和模擬圖像如圖2所示。當模擬線兩側坐標位置同時發生漂移時判斷為跑偏，并可根據漂移量反饋跑偏的嚴重程度；當模擬線兩側坐標的差值小于設置好的長度時判斷為撕裂，仍然可以根據現場實際情況調整差值的范圍，以此來減少誤報現象的發生。

圖2 采集圖像和模擬圖像

該系統主要開發過程如下[8-9]：

(1)利用攝像頭開發包(SDK)中的拍照功能，通過MATLAB控制進行采集圖片，并暫存至計算機中。

(2)利用imread函數讀取攝像頭采集的照片。

(3)讀取圖像后只截取有用的圖像部分，即帶式輸送機上有激光線的部分重新進行存儲。

(4)利用img2gray函數將圖像轉換成灰度圖[10-11]，去除圖像中多余的數據，減少數據處理量。

(5)利用im2bw函數將灰度圖轉換成二值圖[10-11]，進一步突出激光線的特征和輪廓，并再次減少數據處理量。

(6)提取并分析圖像中激光線的像素值，并利用MATLAB的畫圖函數plot將激光線按照在帶式輸送機帶面上的形狀模擬出來。

(7)獲取帶式輸送機正常狀態下的左右兩側坐標，并將數據存儲下來，用來與生產情況下的帶式輸送機左右兩側坐標進行比較。

(8)帶式輸送機運行后繼續采集兩側的坐標，并與先前存儲的數據進行比較。如果帶式輸送機左右兩側坐標值同時發生同一方向的漂移，則判斷為跑偏，并且可根據漂移量定位跑偏的嚴重程度[12]；如果兩側坐標值之差小于先前存儲的坐標值之差，則判斷為撕裂，并可根據現場實際情況考慮一定的誤差值。

(9)利用MATLAB的發送郵件函數sendmail定時將現場監測情況發送給相關負責人，及時了解生產情況。帶式輸送機監測軟件主界面如圖3所示。

圖3 帶式輸送機監測軟件主界面

3 應用效果預測

受現場煤塵和光照因素的影響，激光線的圖像成型存在一定缺陷，需加強攝像頭除塵和現場遮光處理。目前該系統未正式接入選煤廠生產系統的PLC控制中，還處于試驗階段，報警提示只是顯示在計算機上。如果帶式輸送機監測軟件的誤報降低到合理的程度，并且運行情況良好穩定，便可接入生產系統的PLC中，代替傳統的接近開關式縱撕保護和跑偏保護，真正實現帶式輸送機撕裂和跑偏保護功能。因不再依靠接觸式動作來觸發保護進行報警，可減少崗位工的勞動強度，從根本上解決帶式輸送機撕裂[13]難以監測的問題，可減少選煤廠因帶式輸送機撕裂產生的經濟損失。

4 結語

隨著機器視覺技術被廣泛應用于工業檢測領域，帶式輸送機的檢測與保護技術逐漸從單一化到智能化發展。酸刺溝選煤廠基于MATLAB進行開發的帶式輸送機保護裝置軟件，是機器視覺在選煤廠設備保護上的一次實踐。MATLAB在帶式輸送機保護中的應用具有連續性強、精度高、效率高、靈活性強、操作和維護費用低的優點，可以代替人工監測與巡檢，進而提高安全生產效率。然而由于帶式輸送機工作于煤塵較大的工業現場，對圖像的數據采集會造成一定的干擾，在后續的設計過程中可以考慮在工業相機和鏡頭處安裝除塵裝置。