箕斗掛鉤檢測裝置在提升系統中的應用

冷啟龍，羅春澤，遲建龍，劉利波

（招金礦業股份有限公司，山東 招遠 265400）

1 概述

1.1 問題的提出

招金礦業股份有限公司下屬蠶莊金礦徐家疃礦區位于招遠市蠶莊鎮境內，眀主井箕斗負擔將井下礦石、廢石提升至地面的任務。該提升系統選用JKM4.5×6ZIII型多繩磨擦提升機，提升高度為797.5米，單提升容器為24立方米，采用底卸式雙側掛鉤機械閉鎖箕斗，目前在用箕斗自2014年4月開始使用至今，已累計運行1815天，提升重量達119.65萬噸。因使用時間較長，運行中曾多次出現過因落石或箕斗機械閉鎖裝置旋轉軸承磨損及箕斗箱體水平位移超標導致在出曲軌后不能準確復位、卡箕斗與個別導向輪松動移位甚至脫落等故障，給安全生產帶來極大的風險。

1.2 原因及后果分析

經過工程技術人員連續不間斷10余天跟班觀察發現日常生產中，影響箕斗閉鎖機構不到位有以下主要幾種原因：

（1）箕斗導向輪固定螺栓因銹蝕或撞擊導致導向輪變形或脫落。

（2）箕斗底部托輪短曲軌處由于長時間礦粉或礦石堆積導致卸載完畢后，不能按原路徑返回完成與掛鉤底板閉鎖的動作。

（3）箕斗閉鎖裝置導輪磨損嚴重或軸承部位底盤變形使其旋轉不靈活，卸載完畢導輪出曲軌后，未能完成卸礦舌板與斗箱閉鎖。

（4）箕斗掛勾靜態部分掛孔有小塊礦石或結礦進入，使掛勾動態部分導輪出曲軌后靜態動態相結合時，配重輪重力不能使動態掛勾將掛孔內礦石碾碎或砸出，長時間累積形成較硬塊狀。

（5）箕斗斗箱頂部主軸作為斗箱卸礦或復位時的支撐點，由于潤滑不到位或礦粉進入，當磨損量超標時，亦會造成斗箱傾斜，致使舌板卸載完畢復位時難以準確與掛勾閉鎖。

上述隱患中，極易形成重大設備事故的是箕斗機械閉鎖裝置失效（出曲軌后掛鉤未能有效復位）掛鉤沒有掛住箱體，此時，如繼續高速下放，箕斗擋板可能隨時張開，造成斗箱傾斜，砸壞井筒內電纜、風水管路、鋼梁等；還可能導致箕斗裝礦后高速提升時受力變形張開致使礦石掉落于井筒中，使尾繩損傷或斷裂；這種情況無論提升或下放，提升機在高速運動過程中，箕斗都將與井筒設施撞擊，提升機電控系統瞬間產生巨大電流沖擊主電機和傳動系統造成重大事故。除此之外，近年來，隨著該箕斗使用年限的迫近，與箕斗運行相關的機械部分因磨損腐蝕等原因帶來的故障現象和影響生產時間越來越多，凡此種種，在日常生產中都有著突發性、隨機性，如果不能及時發現及時解決一旦形成事故，都將對安全生產造成不可估量的損失。

1.3 以往解決方案的缺陷

為避免上述情況導致生產事故，近年來，各礦企陸續采用在相應部位安裝光電開關、磁控開關、麥克風甚至攝像頭專人觀察等對策，但由于誤差過大，惡劣環境影響，極易損壞，維護量過大和成因的不確定性，經常導致漏判或誤判，效果不甚理想。

1.4 我們的對策

公司領導和相關部門非常重視這個情況，除安排備件緊急訂貨和加強日常點檢維護外，也審時度勢考察以監測監控設備作為輔助手段，加強因備件交貨期原因造成的空檔期監護，以杜絕事故發生。希望有一款智能型裝備能夠替代人工完成對箕斗閉鎖裝置進行非接觸在線實時直接監測，也就是當兩側掛鉤插入深度未達到容忍度或卡箕斗時立即報警（可接入安全回路）；該裝備同時還能間接分析出箕斗在卸礦出曲軌后，導向輪、卸礦輪的運行姿態以及箕斗機械閉鎖裝置的旋轉軸承磨損和箕斗擋板上下轉軸與軸套的磨損程度。經過認真考察，決定與招遠市物華機電設備有限公司聯合研發基于人工智能技術的提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統，為更換備件前的安全生產保駕護航。

2 系統技術背景與特點簡述

機器視覺是一門涉及諸多領域的新興學科，涵蓋新興物理學、計算機科學、人工智能、神經生物學、圖像處理和模式識別等內容。它利用物理機器模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取有用信息，加以處理和理解，最后用于工程測量和控制。

傳統意義上的工業機器視覺系統由照明光源、光學成像和圖片捕捉系統、圖像處理模塊、決策判斷系統和機電執行機構組成。

（1）當箕斗機械閉鎖裝置運動到接近拍攝視野中心時，傳感器向圖像采集控制部分發送信號（觸發脈沖）。

（2）圖像采集控制部分根據控制程序，在指定的區間分別向相機、照明系統和防塵機械臂發出啟動脈沖。

（3）其中一個啟動脈沖使相機停止目前的掃描，打開曝光機構或事先在程序中設定曝光時間，然后，重新開始新一幀的掃描并輸出。

（4）將采集的箕斗運動圖像上傳并存儲到工控機內存中。

（5）工控機程序實時地對圖像進行處理、分析和識別，并輸出檢測結果。

由于本現場箕斗卸礦后下放時，發生較大的抖動和運動軌跡偏離、日夜環境背景光源或水霧粉塵帶來的影響使分析結果發生急劇變化，以及箕斗機械閉鎖裝置本體水漬嚴重等諸多因素使得目前所有機器視覺算法在此失靈，調試過程中多次出現誤判、漏判。為此，雙方工程技術人員發明了單相機加激光傳感器，分時多特征點復目匹配和自定義雙坐標修光糾偏除水漬的劍水蚤算法及由防石防塵帽與風筒組成使箕斗下放時產生相對氣流吹散粉礦的除塵裝置（目前上述算法和裝置正在申請國家發明專利），此外，現場灑水、漏礦還導致不足8小時內工業相機鏡頭即表面污損過多，無法正常判斷，為防止漏礦、落石堵塞機械閉鎖靜止部分掛孔，為此雙方工程技術人員創新研發了防塵機械臂和斗箱防護帽、溜礦槽（目前上述兩種裝置正在申請國家實用新型專利），以上述四種專利有機結合成本型提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統集成，速度快、信息量大、功能多，抗干擾能力強，不受現場環境、不受箕斗運行速度、斗箱晃動影響，與環境光無關，與被檢測物體沾水、沾礦粉、泥沙無關。經過近半年的投用，完全取得了預期效果。

3 系統主要部分組成

系統主要由6部分組成，包括數字圖像處理系統（專用算法軟件）、光學成像與光源照明系統、傳感器與數字視頻系統、DSP自動化控制系統、故障記錄與圖像保存查詢系統、光纖傳導與PLC處理系統。

4 功能介紹

本系統可在創建模型時采用兩種新發明算法設定箕斗機械閉鎖裝置縫隙嚙合程度，利用工業相機獲得縫隙的圖像，通過圖像處理，可快速準確地提取縫隙尺寸，并由工控機輔助評判系統給出監測結論，亦可設定允許斗箱發生水平位移幅度，在線監測時，如有超標，系統可通過軟件智能分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類故障并在機柜顯示屏與操作臺信息提示屏做出相應提示，以便操作人員進行故障查詢和故障復位。

（1）允許掛鉤掛好程度、水平位移程度均可設定（例：4cm高度掛鉤允許1.5～2cm輕微未掛好，6.5cm寬度水平位移允許2～3cm輕微橫向位移）。

（2）創建模型一鍵式設定簡單易操作，現場人員可輕松掌握，且模型只需創建一次，完成一次后無論現場斷電或通訊故障，將故障復位后都可繼續投用，無須重新創建。

（3）具備完整的“聲光+語音報警”及“故障分析與處理對策”體系，將故障分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，且伴隨相應故障語音提示加聲光報警。

Ⅰ類故障：兩側掛鉤均未掛好。

Ⅰ類故障：卡箕斗。

Ⅰ類故障：屬重故障，需立即實施安全制動，發生后卷揚機工需立即停車，停車后相關人員可按觸摸屏常見故障分析及處理對策來檢查與維修。

Ⅱ類故障：單側掛鉤未掛好。

Ⅱ類故障：屬較重故障，若無連續發生則允許本次提升完畢后停車檢查。

Ⅲ類故障：箕斗位移。

Ⅲ類故障：屬輕故障，若有連續發生則本班人員可按故障提示單元處理對策留意觀察。

各類故障均可選擇性投入卷揚機安全回路（例：Ⅰ類故障自動停車；Ⅱ類、Ⅲ類僅提示，不參與停車）。

（4）歷史報警記錄可追溯最多100天，記錄歷史報警的年/月/日/時/分/秒，及故障類型、內容，同時將箕斗掛鉤報警時的形態以圖片形式留存至硬盤里以便查詢。

（5）現場具備外網或WIFI前提下，在手機端下載云APP，可隨時隨地監控現場實時運行狀態，歷史故障記錄。

（6）適配光電傳感器在相應位置監測是否在卸礦后下放中卡箕斗。

5 應用效果

該系統自2019年5月投用至今，共捕捉到箕斗兩側掛鉤均未能復位6次，單側未能復位25次，箕斗箱體水平位移超標數百次，分析出導向輪松動故障3次，單只脫落故障1次，準確率100%。

這是我國首套基于機器視覺技術的提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統，該系統的成功研發投用開辟了人工智能技術在同等場所應用的先河，彌補了同類設備非接觸式實時在線監測的空白，在避免重特大設備事故發生的同時，也為應急搶修和日常檢修計劃的制訂提供了有針對性的可靠依據。

6 結語

該裝置不僅能夠準確地分辨出箕斗掛鉤狀態，還能監測箕斗導輪進入曲軌的狀態，同時，也對箕斗底板密封漏料情況進行觀察，及時掌握箕斗底板密封情況以便于合理安排檢修時間。

通過應用對比可以看出，基于機器視覺技術的提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統，由于其智能化處理、速度快、精度高、穩定性好等諸多優點而成為在該場所應用的最佳選擇，對同類設備的安全生產有著極為重要的現實意義，兼顧了經濟效益和社會效益，完全可在礦山箕斗提升系統中推廣應用。