尾煤識(shí)別圖像采集裝置的設(shè)計(jì)

劉本強(qiáng),劉海增,徐 昊

(安徽理工大學(xué), 安徽 淮南 232001)

浮選過(guò)程中浮選尾煤灰分作為重要的生產(chǎn)指標(biāo),對(duì)實(shí)現(xiàn)浮選過(guò)程閉環(huán)優(yōu)化控制具有重要意義,但是選煤廠浮選尾煤灰分檢測(cè)依然未有有效的方法。在煤泥實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,現(xiàn)場(chǎng)多使用人工肉眼來(lái)估測(cè)灰分,同時(shí)用手抓來(lái)判斷是否存在跑粗現(xiàn)象[1]. 伴隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷進(jìn)步,計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺(jué)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,并發(fā)揮了強(qiáng)大的作用,數(shù)字圖像處理技術(shù)也應(yīng)用于選煤廠浮選控制,而且用計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)尾煤灰分更是一種非常好的非放射性檢測(cè)方法[2]. 但是在拍攝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)尾煤顆粒粘連現(xiàn)象嚴(yán)重,特別是細(xì)煤泥顆粒,對(duì)圖像拍攝后識(shí)別帶來(lái)了較大的影響,基于此,設(shè)計(jì)了一種尾煤識(shí)別圖像采集裝置。

1 裝置的設(shè)計(jì)思路

在拍攝尾煤圖像時(shí)發(fā)現(xiàn)相同濃度不同的粒度組成下,圖像有著明顯的差異,對(duì)于0.125～0.5 mm粒級(jí)煤漿,可以清楚地拍攝到其中的煤顆粒形態(tài),然而隨著粒級(jí)的降低,0.074～0.125 mm粒級(jí)的成像質(zhì)量變差,0～0.074 mm粒級(jí)圖像質(zhì)量很差,給后續(xù)的顆粒粒度測(cè)量帶來(lái)了較大的困難。也就是說(shuō)當(dāng)濃度一定時(shí),浮選尾煤中細(xì)顆粒尤其是0.074 mm粒級(jí)含量越高,則圖像質(zhì)量越差,越不利于后續(xù)顆粒粒度分析。這主要是因?yàn)樵谙嗤臐舛燃垂腆w物含量時(shí),細(xì)粒級(jí)尾煤顆粒數(shù)目要遠(yuǎn)大于粗粒級(jí)顆粒數(shù)目,因此煤漿整體的透光性明顯減弱,導(dǎo)致圖像整體偏暗。在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下,較難得到清晰的顆粒輪廓;同時(shí)由于顆粒之間產(chǎn)生的絮凝和粘連現(xiàn)象,給基于圖像法測(cè)量顆粒粒度帶來(lái)了較大的誤差和影響。

針對(duì)這種顆粒粘連現(xiàn)象,亟待設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置對(duì)尾煤顆粒進(jìn)行分散處理,從而克服尾煤識(shí)別過(guò)程中,因拍攝照片時(shí)尾煤粘連帶來(lái)的噪聲影響識(shí)別效果。

2 裝置結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 裝置結(jié)構(gòu)

尾煤識(shí)別圖像采集裝置見(jiàn)圖1,該裝置主要由計(jì)算機(jī)控制部分、尾煤去粘連部分、圖像拍攝部分、傳送裝置部分組成。其中,尾煤去粘連部分主要由3根鐵絲和電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸連接孔兩部分組成,圓形鐵片內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.

1—尾礦槽;2—傳送裝置;3—雙面篩;4—尾煤去粘連部分;5—可升降支架;6—聯(lián)軸器;7—鐵絲固定圓形鐵片;8—旋轉(zhuǎn)軸;9—光源;10—電機(jī)固定平臺(tái);11—電機(jī)固定安裝座;12—調(diào)速電機(jī);13—圖像拍攝部分;14—相機(jī);15—計(jì)算機(jī);16—PLC控制圖1 尾煤識(shí)別圖像采集裝置圖

1—細(xì)鐵絲;2—電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸連接孔圖2 圓形鐵片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

尾煤去粘連部分主要由雙面篩、鐵絲固定圓形鐵片、升降支架、調(diào)速電機(jī)等組成。尾煤去粘連部分為了可以自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)固定平臺(tái)的高度,方便控制鐵絲固定圓形鐵片的位置,在雙面篩通過(guò)傳送裝置運(yùn)動(dòng)到鐵絲固定圓形鐵片下時(shí),通過(guò)控制可升降支架調(diào)節(jié)與雙面篩的距離,方便在電機(jī)帶動(dòng)圓形鐵片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)分開(kāi)粘連在一起的尾煤顆粒。

傳送裝置部分主要由電動(dòng)機(jī)、循環(huán)泵、雙面篩等組成。電動(dòng)機(jī)和循環(huán)泵為整體裝置提供所需動(dòng)力;自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的雙面篩方便尾煤接取和篩面粒度尺寸選擇,節(jié)省時(shí)間。

計(jì)算機(jī)控制部分主要由PLC控制器和計(jì)算機(jī)平臺(tái)組成。其功能除了進(jìn)行傳送裝置開(kāi)關(guān)調(diào)試控制外,還需要在雙面篩完成拍攝流程后對(duì)其進(jìn)行翻轉(zhuǎn)邏輯控制。

圖像拍攝部分考慮到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中各種不可抗拒的環(huán)境會(huì)造成各種噪聲,相機(jī)的選擇直接決定了所采取圖像的質(zhì)量和分辨率,通過(guò)對(duì)比相關(guān)相機(jī)的幾個(gè)參數(shù)(見(jiàn)表1),最終選擇了Prosilica gc2450c種類(lèi)的相機(jī),該種類(lèi)的相機(jī)具有高分辨率、高速度和低噪聲的特點(diǎn)。

表1 工業(yè)相機(jī)參數(shù)對(duì)比表

2.2 工作原理

如圖1所示,先把所需粒徑的雙面篩固定在傳送裝置上,然后PLC控制傳送裝置開(kāi)始移動(dòng),當(dāng)雙面篩進(jìn)入溢流堰后開(kāi)始控制雙面篩的移動(dòng)速度,確保雙面篩在出溢流堰時(shí)可采取到足夠的尾煤樣,當(dāng)雙面篩移動(dòng)到尾煤去粘連裝置下方時(shí)停止移動(dòng),開(kāi)啟此部分裝置的工作。該部分裝置的整體工作原理為可升降支架焊接在電機(jī)固定平臺(tái)上,調(diào)速電機(jī)通過(guò)電機(jī)固定安裝座固定在電機(jī)固定平臺(tái)上,調(diào)速電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器連接旋轉(zhuǎn)軸,旋轉(zhuǎn)軸連接在旋轉(zhuǎn)軸連接器上,旋轉(zhuǎn)軸連接器焊接在鐵絲固定圓形鐵片上,細(xì)鐵絲焊接在鐵絲固定圓形鐵片上,篩子固定軸一頭焊接在可升降支架上,一頭固定在篩子上,調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鐵絲固定圓形鐵片轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)細(xì)鐵絲對(duì)篩面上尾煤的均分,可升降支架可以改變鐵絲平臺(tái)的高度以此來(lái)改變調(diào)速電機(jī)與轉(zhuǎn)軸的高度進(jìn)而改變細(xì)鐵絲與篩面的高度。在對(duì)尾煤粘連現(xiàn)象處理后,雙面篩將繼續(xù)移動(dòng),當(dāng)移動(dòng)到相機(jī)下方時(shí),再次停止移動(dòng),這時(shí)相機(jī)開(kāi)始拍攝尾煤,然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理。裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3.

圖3 裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

3 特點(diǎn)與工作要求

1) 采樣篩是雙面篩,雙面篩不僅能雙面輪流翻轉(zhuǎn)采集煤樣,而且在翻轉(zhuǎn)后還可以借助溢流堰上流下來(lái)的水對(duì)雙面篩上殘留的煤樣進(jìn)行清洗。

2) 整套傳送裝置和雙面篩均采用不銹鋼材質(zhì)制作,光滑不易粘料,避免因與尾煤槽中的煤泥接觸時(shí)間較長(zhǎng)而使裝置發(fā)生故障。

3) 在尾煤去粘連部分中的鐵絲固定圓形鐵片上,因?yàn)橐稚⒌膶?duì)象是粒度很小的尾煤,所以選擇半徑很小的細(xì)鐵絲,而細(xì)鐵絲在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)遇到尾煤帶來(lái)的阻力發(fā)生彎曲現(xiàn)象,所以在鐵絲的另一端加上了一圈鐵皮,固定鐵絲的同時(shí)也避免了彎曲的情況。

4) 選用雙面篩進(jìn)行尾煤運(yùn)輸提取,在獲得尾煤樣的同時(shí)還能夠控制煤樣的粒徑,為后期進(jìn)行圖像處理提供了便利。

5) 選擇調(diào)速電機(jī),因?yàn)槊看坞p面篩所接煤樣的粘連度不同,需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)速控制鐵絲的轉(zhuǎn)速,實(shí)際轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)尾煤顆粒的大小與煤粒的粘連程度來(lái)確定。在實(shí)驗(yàn)階段,若拍攝照片煤粒粘連的情況過(guò)多,需要人工改變轉(zhuǎn)速。

6) 當(dāng)雙面篩進(jìn)入到溢流堰時(shí)要控制雙面篩在溢流堰中的移動(dòng)速度,保證接到的尾煤樣不能太多和太少,否則拍出的照片達(dá)不到效果。

4 應(yīng)用效果分析

為了了解裝置的拍攝及圖片情況,在實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境采集了50組照片,由于采集時(shí)圖像的清晰度問(wèn)題,對(duì)采集圖像進(jìn)行了圖像增強(qiáng)等一系列的預(yù)處理操作后得到特征明顯的圖像,并在這50組照片中選擇了特征最為明顯的同一煤種,同一狀態(tài)下的兩組圖像進(jìn)行分析對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖見(jiàn)圖4.

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

由圖4可觀察到手動(dòng)采集的尾煤樣明顯粘連現(xiàn)象比較嚴(yán)重,煤粒之間間距比較近,而且數(shù)目較多,對(duì)圖像識(shí)別帶來(lái)了難度,但是經(jīng)過(guò)該裝置處理后煤粒的個(gè)數(shù)變少了,而且顆粒之間的粘連大部分得到了分離,達(dá)到了一定的拍攝效果。

5 結(jié) 論

尾煤識(shí)別圖像裝置中雙面篩的傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)解決了圖像識(shí)別煤樣在溢流堰難以提取的問(wèn)題,尾煤去粘連部分的裝置一定程度上克服了在尾煤圖像獲取時(shí)煤樣粘連現(xiàn)象嚴(yán)重的問(wèn)題。此裝置把自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)視覺(jué)相互結(jié)合,在一定程度上解決了機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)尾煤的相關(guān)特征時(shí)出現(xiàn)的一些外在影響因素,降低了在尾煤圖像識(shí)別拍攝過(guò)程中因顆粒粘連帶來(lái)的誤差。