礦石粒度圖像在線分析系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

李文博，郝 兵，趙 虎，馬連銘，朱成睿，張宏星

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

3中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽(yáng) 471039

礦 石粒度是檢驗(yàn)碎磨效果的重要參數(shù)。現(xiàn)有的礦石粒度統(tǒng)計(jì)方法需要將帶式輸送機(jī)停機(jī)，對(duì)其上的礦石顆粒稱重，并進(jìn)行篩分處理和數(shù)據(jù)記錄。以某鉬礦現(xiàn)場(chǎng)為例，寬 1.4 m、長(zhǎng) 1.5 m 范圍的礦石顆粒約為 150 kg，以現(xiàn)有的粒度統(tǒng)計(jì)方式，用于篩分的套篩網(wǎng)格尺寸分別為 30、80、100、200 mm，帶式輸送機(jī)需停機(jī)約 3 h 進(jìn)行人工篩分，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且影響生產(chǎn)。

礦石粒度圖像在線分析系統(tǒng)主要用于破碎產(chǎn)品粒度檢測(cè)和磨機(jī)給料粒度檢測(cè)。采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，利用工業(yè)級(jí)高清相機(jī)采集帶式輸送機(jī)上的運(yùn)動(dòng)礦石圖像，通過(guò)圖像處理技術(shù)對(duì)輸送帶上的礦石圖像進(jìn)行分割，對(duì)各粒級(jí)礦石顆粒占比情況統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、顯示及保存。礦石粒度分析結(jié)果可以作為檢驗(yàn)碎磨效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)為碎磨系統(tǒng)的智能控制提供數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在某鉬礦現(xiàn)場(chǎng)，要求系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì) 2 條位于不同工段的給料輸送帶上的礦石粒度分布情況，并在中控室觀察礦石粒度的分析結(jié)果。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率，在 2 個(gè)輸送機(jī)現(xiàn)場(chǎng)分別安裝 1 臺(tái)套機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，分別在線采集、分析、處理礦石粒度圖像，在中控室布置 1 臺(tái)服務(wù)器，處理結(jié)果通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)、TCP/IP 協(xié)議，傳輸?shù)街锌厥曳?wù)器集中顯示及存儲(chǔ)[1-2]。

1.1 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)由工業(yè)相機(jī)、照明系統(tǒng)、計(jì)算單元和供電模塊組成，如圖 1 所示。

圖1 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of machine vision system

如圖 2 所示，工業(yè)相機(jī)和照明系統(tǒng)安裝在帶式輸送機(jī)上方。采用彩色工業(yè)面陣相機(jī)采集圖像，照明系統(tǒng)由 2 個(gè)條形光源組成，安裝方向與輸送帶運(yùn)行方向一致，為工業(yè)相機(jī)提供穩(wěn)定的光源，同時(shí)使用潔凈高壓空氣吹走鏡頭前方的灰塵，確保圖像特征清晰。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.2 Photo of machine vision system in site

供電模塊、客戶端計(jì)算單元安裝在電控箱內(nèi)，供電模塊用于給工業(yè)相機(jī)、照明系統(tǒng)和客戶端計(jì)算單元供電；客戶端計(jì)算單元用于對(duì)礦石圖像進(jìn)行分割及粒度統(tǒng)計(jì)。

1.2 算法設(shè)計(jì)

礦石圖像的在線分析處理可以分為 8 個(gè)步驟：圖像采集、灰度轉(zhuǎn)換、濾波、二值化、提取種子點(diǎn)圖像、形態(tài)學(xué)分割、提取邊界特征圖像[3]及統(tǒng)計(jì)輸出。

采用工業(yè)級(jí)高清相機(jī)以固定幀率實(shí)時(shí)獲取圖像，調(diào)整圖像的清晰度，當(dāng)?shù)V石顆粒足夠清晰后，首先對(duì)圖像進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換 (見(jiàn)圖 3(a))；之后進(jìn)行去噪聲的濾波處理并加強(qiáng)對(duì)比度，在盡量保存圖像細(xì)節(jié)特征的前提下對(duì)目標(biāo)圖像的噪聲進(jìn)行抑制，去除圖像中的噪點(diǎn)和斑痕 (見(jiàn)圖 3(b))；然后對(duì)濾波圖像進(jìn)行二值化處理(見(jiàn)圖 3(c))，像素值為 0 或 1?；跇?biāo)記的分水嶺算法分為提取種子圖像點(diǎn)和形態(tài)學(xué)分割兩步[3-4]：提取種子點(diǎn)圖像是在二值化圖像上進(jìn)行圖像腐蝕運(yùn)算，進(jìn)行種子點(diǎn)提取處理 (見(jiàn)圖 3(d))；根據(jù)提取的種子進(jìn)行邊緣提取計(jì)算，完成形態(tài)學(xué)分割 (見(jiàn)圖 3(e))；將提取的邊緣覆蓋于礦石圖像上 (見(jiàn)圖 3(f))。

圖3 礦石圖像各階段處理結(jié)果Fig.3 Ore image processing results in each stage

根據(jù)圖像中每個(gè)分割區(qū)域的邊界總長(zhǎng)度P和面積S，計(jì)算出該區(qū)域內(nèi)的最大半徑a和最小半徑b，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)擬合關(guān)系，計(jì)算出礦石顆粒粒徑d。計(jì)算公式如下：

經(jīng)過(guò)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)從圖像像素到真實(shí)礦石顆粒粒度值的換算，對(duì)礦石粒度的整體分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢測(cè)，確定礦石顆粒按照 0～ 5，5～ 12，12～ 25，25～50，50～ 100，100～ 150，150～ 200，200～ 300，＞ 300 mm，共 9 個(gè)粒級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖 4 所示。

圖4 礦石粒級(jí)分布Fig.4 Distribution of ore particle size

對(duì)比某一段輸送帶上礦石經(jīng)人工篩分和圖像處理的粒度累積分布曲線，如圖 5 所示，可見(jiàn)圖像處理可以替代人工篩分。

圖5 人工篩分和圖像處理的粒度累積分布曲線Fig.5 Cumulative particle size distribution curve of manual sieving and image processing

1.3 軟件設(shè)計(jì)

如圖 6 所示，軟件系統(tǒng)采用二對(duì)一結(jié)構(gòu)，即 2 個(gè)客戶端對(duì)接 1 個(gè)服務(wù)器。軟件處理流程為：服務(wù)器端軟件開(kāi)始運(yùn)行，建立 TCP/IP 偵聽(tīng)；2 個(gè)客戶端軟件開(kāi)始運(yùn)行，分別與服務(wù)器端建立 TCP/IP 連接，不斷地采集、分割礦石圖像，統(tǒng)計(jì)礦石粒度分布，打包數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器端；服務(wù)器端不斷地接收數(shù)據(jù)并解包，顯示數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫(kù)[5]。

軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能如下：

(1) 實(shí)時(shí)采集、顯示、分析礦石粒度圖像；

(2) 實(shí)時(shí)顯示礦石粒度圖像的分割效果；

(3) 實(shí)時(shí)顯示礦石粒度組成的變化趨勢(shì)曲線；

(4) 接入 DCS 或其他智能控制系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸。

圖7 所示為軟件運(yùn)行界面，左側(cè)為輸送帶上礦石粒度實(shí)時(shí)分割圖像，右側(cè)為礦石粒度組成的變化趨勢(shì)，界面下方按鈕可以切換輸送帶號(hào)。

2 應(yīng)用情況

礦石粒度圖像在線分析系統(tǒng)作為某鉬礦礦山智能化升級(jí)改造的一部分，可實(shí)時(shí)、連續(xù)檢測(cè)圓錐破碎機(jī)給料輸送帶上的各粒級(jí)礦石粒度，實(shí)現(xiàn)了提高檢測(cè)精度、量化考核指標(biāo)的功能。由于碎磨的工序不同，中碎階段的圓錐破碎機(jī)給料是上一個(gè)工段的出料，不同工段對(duì)于礦石粒度都有具體的要求。在給料輸送帶上方安裝礦石粒度圖像在線分析系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)礦石粒度，可指導(dǎo)調(diào)節(jié)粗碎和中碎的負(fù)荷分配，優(yōu)化中碎工況。圖 8 所示為使用礦石粒度圖像在線分析系統(tǒng)前后中碎圓錐破碎機(jī)功率隨時(shí)間變化曲線。

圖6 軟件架構(gòu)Fig.6 Architecture of software

圖7 軟件運(yùn)行界面Fig.7 Operation interface of software

應(yīng)用礦石粒度圖像在線分析系統(tǒng)后，可指導(dǎo)調(diào)節(jié)粗碎排礦口，使中碎工段來(lái)料平均粒度下降，大塊率下降。由表 1 可以看出，中碎工段圓錐破碎機(jī)功耗降低 31%，尖峰功率減少 6%。礦石粒度的在線檢測(cè)量化了各工段產(chǎn)品性能指標(biāo)，更容易發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有工藝中的薄弱環(huán)節(jié)，降低功耗，提高生產(chǎn)效率。

表1 在線分析系統(tǒng)應(yīng)用前后對(duì)比Tab.1 Comparison before and after application of online analysis system

3 結(jié)語(yǔ)

基于機(jī)器視覺(jué)和工業(yè)以太網(wǎng)的礦石粒度圖像在線分析系統(tǒng)，通過(guò)高性能工業(yè)攝像頭采集給料輸送帶上的實(shí)時(shí)圖像，進(jìn)行去噪聲處理，對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行種子區(qū)域和形態(tài)學(xué)分割，將分割后的圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò) TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了碎磨階段礦石粒度在線準(zhǔn)確檢測(cè)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了檢測(cè)精度，為各工段產(chǎn)品性能提供了量化指標(biāo)。礦石粒度檢測(cè)結(jié)果有助于提升智能控制水平，提高生產(chǎn)效率，在礦山智能化領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。