辛學(xué)銘，陳仲叔，郝金剛，李 洋

(內(nèi)蒙古伊泰京粵酸刺溝礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000)

近年來，隨著計算機(jī)與圖像處理技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)正廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域[1]。而機(jī)器視覺技術(shù)在礦業(yè)工程中的應(yīng)用并不多，尤其是在選煤廠設(shè)備保護(hù)領(lǐng)域。但煤炭洗選設(shè)備的工作環(huán)境迫切需要先進(jìn)的具有智能控制的在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時反饋設(shè)備的運行狀態(tài)和完好情況。機(jī)器視覺又稱計算機(jī)視覺，是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷[2-3]。美國制造工程師協(xié)會對機(jī)器視覺的定義為：“機(jī)器視覺是使用光學(xué)器件進(jìn)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(jī)器或過程”。通俗地將機(jī)器視覺系統(tǒng)是通過視覺產(chǎn)品將被攝取的目標(biāo)轉(zhuǎn)換為圖像信號，然后傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號[4]，圖像處理系統(tǒng)對這些信號再進(jìn)行各種運算來提取目標(biāo)特征，進(jìn)而根據(jù)所判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。機(jī)器視覺系統(tǒng)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(jī)保護(hù)裝置是一款基于MATLAB進(jìn)行開發(fā)的軟件，是機(jī)器視覺在選煤廠設(shè)備保護(hù)上的一次實踐。MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。MATLAB的圖像處理工具箱提供了一套全方位的參照標(biāo)準(zhǔn)算法和圖形工具，用于進(jìn)行圖像處理、分析、可視化和算法開發(fā)，可進(jìn)行圖像增強(qiáng)、圖像去模糊、特征檢測、降噪、圖像分割、空間轉(zhuǎn)換和圖像配準(zhǔn)，用于探索圖像、檢查像素區(qū)域、調(diào)節(jié)對比度、創(chuàng)建輪廓或柱狀圖，以及操作感興趣區(qū)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(jī)的跑偏情況、撕裂情況進(jìn)行檢測，同時還可監(jiān)測生產(chǎn)過程中的起停車情況，并以郵件的方式發(fā)送給相關(guān)管理人員。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前選煤廠帶式輸送機(jī)的撕裂保護(hù)是傳統(tǒng)的接近開關(guān)式的縱撕保護(hù)，屬于機(jī)械檢測法[6]，依靠帶式輸送機(jī)撕裂后的撒煤在托盤上積累達(dá)到一定質(zhì)量后，來觸發(fā)接近開關(guān)，進(jìn)而實現(xiàn)帶式輸送機(jī)停機(jī)的功能。然而實踐中因受拉力不平衡的影響，帶式輸送機(jī)撕裂后會在撕裂處疊加起來，一開始并不會出現(xiàn)撒煤的現(xiàn)象，導(dǎo)致無法觸發(fā)接近開關(guān)，造成撕裂長度進(jìn)一步擴(kuò)大、經(jīng)濟(jì)損失增大的后果。同時接近開關(guān)保護(hù)會在帶式輸送機(jī)未撕裂的情況下撒煤，從而觸發(fā)接近開關(guān)出現(xiàn)誤操作的情況，進(jìn)而影響選煤廠生產(chǎn)的連續(xù)性。

由于帶式輸送機(jī)運行速度較快，崗位工通過肉眼觀察根本無法及時發(fā)現(xiàn)帶式輸送機(jī)撕裂，無法起到真正的帶式輸送機(jī)保護(hù)作用。而機(jī)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(chǎn)生疲勞感，可以及時準(zhǔn)確地將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋。因此帶式輸送機(jī)的監(jiān)測保護(hù)裝置亟需引進(jìn)機(jī)器視覺，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接近開關(guān)式撕裂保護(hù)和肉眼觀測手段，以此來增強(qiáng)對帶式輸送機(jī)的保護(hù)，保證選煤廠正常且連續(xù)的生產(chǎn)，減少選煤廠不必要的損失。

2 帶式輸送機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)

酸刺溝選煤廠帶式輸送機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)包括圖像采集系統(tǒng)和圖像分析軟件兩部分。

2.1 圖像采集系統(tǒng)

機(jī)器視覺首先應(yīng)獲得高質(zhì)量的現(xiàn)場圖像，任何在圖像獲取方面的缺陷都會給后續(xù)圖像的分析和理解帶來困難[7]。該系統(tǒng)應(yīng)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(jī)上，為了減少光照的影響，以及便于對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，將監(jiān)測地點選在帶式輸送機(jī)的機(jī)頭位置。在3001帶式輸送機(jī)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(jī)正上方，攝像頭通過網(wǎng)線的方式連接至計算機(jī)；同時在攝像頭逆煤流方向安裝一個激光發(fā)射器，以直角照射在帶式輸送機(jī)帶面上，使激光在整個帶式輸送機(jī)橫截面上形成一條連續(xù)的曲線，并呈現(xiàn)在攝像頭的畫面內(nèi)。圖像采集系統(tǒng)主要作用是采集合格的被測目標(biāo)圖像，并將其傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上，為后續(xù)對圖像進(jìn)行分析處理做準(zhǔn)備。圖像采集系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 圖像采集系統(tǒng)流程

2.2 圖像分析軟件

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

該系統(tǒng)將分析出來的圖像中的激光線模擬在MATLAB畫圖功能的坐標(biāo)中，同時進(jìn)行實時處理。采集圖像和模擬圖像如圖2所示。當(dāng)模擬線兩側(cè)坐標(biāo)位置同時發(fā)生漂移時判斷為跑偏，并可根據(jù)漂移量反饋跑偏的嚴(yán)重程度；當(dāng)模擬線兩側(cè)坐標(biāo)的差值小于設(shè)置好的長度時判斷為撕裂，仍然可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整差值的范圍，以此來減少誤報現(xiàn)象的發(fā)生。

圖2 采集圖像和模擬圖像

該系統(tǒng)主要開發(fā)過程如下[8-9]：

(1)利用攝像頭開發(fā)包(SDK)中的拍照功能，通過MATLAB控制進(jìn)行采集圖片，并暫存至計算機(jī)中。

(2)利用imread函數(shù)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(jī)上有激光線的部分重新進(jìn)行存儲。

(4)利用img2gray函數(shù)將圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖[10-11]，去除圖像中多余的數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)處理量。

(5)利用im2bw函數(shù)將灰度圖轉(zhuǎn)換成二值圖[10-11]，進(jìn)一步突出激光線的特征和輪廓，并再次減少數(shù)據(jù)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(shù)plot將激光線按照在帶式輸送機(jī)帶面上的形狀模擬出來。

(7)獲取帶式輸送機(jī)正常狀態(tài)下的左右兩側(cè)坐標(biāo)，并將數(shù)據(jù)存儲下來，用來與生產(chǎn)情況下的帶式輸送機(jī)左右兩側(cè)坐標(biāo)進(jìn)行比較。

(8)帶式輸送機(jī)運行后繼續(xù)采集兩側(cè)的坐標(biāo)，并與先前存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果帶式輸送機(jī)左右兩側(cè)坐標(biāo)值同時發(fā)生同一方向的漂移，則判斷為跑偏，并且可根據(jù)漂移量定位跑偏的嚴(yán)重程度[12]；如果兩側(cè)坐標(biāo)值之差小于先前存儲的坐標(biāo)值之差，則判斷為撕裂，并可根據(jù)現(xiàn)場實際情況考慮一定的誤差值。

(9)利用MATLAB的發(fā)送郵件函數(shù)sendmail定時將現(xiàn)場監(jiān)測情況發(fā)送給相關(guān)負(fù)責(zé)人，及時了解生產(chǎn)情況。帶式輸送機(jī)監(jiān)測軟件主界面如圖3所示。

圖3 帶式輸送機(jī)監(jiān)測軟件主界面

3 應(yīng)用效果預(yù)測

受現(xiàn)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(qiáng)攝像頭除塵和現(xiàn)場遮光處理。目前該系統(tǒng)未正式接入選煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)的PLC控制中，還處于試驗階段，報警提示只是顯示在計算機(jī)上。如果帶式輸送機(jī)監(jiān)測軟件的誤報降低到合理的程度，并且運行情況良好穩(wěn)定，便可接入生產(chǎn)系統(tǒng)的PLC中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接近開關(guān)式縱撕保護(hù)和跑偏保護(hù)，真正實現(xiàn)帶式輸送機(jī)撕裂和跑偏保護(hù)功能。因不再依靠接觸式動作來觸發(fā)保護(hù)進(jìn)行報警，可減少崗位工的勞動強(qiáng)度，從根本上解決帶式輸送機(jī)撕裂[13]難以監(jiān)測的問題，可減少選煤廠因帶式輸送機(jī)撕裂產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié)語

隨著機(jī)器視覺技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測領(lǐng)域，帶式輸送機(jī)的檢測與保護(hù)技術(shù)逐漸從單一化到智能化發(fā)展。酸刺溝選煤廠基于MATLAB進(jìn)行開發(fā)的帶式輸送機(jī)保護(hù)裝置軟件，是機(jī)器視覺在選煤廠設(shè)備保護(hù)上的一次實踐。MATLAB在帶式輸送機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用具有連續(xù)性強(qiáng)、精度高、效率高、靈活性強(qiáng)、操作和維護(hù)費用低的優(yōu)點，可以代替人工監(jiān)測與巡檢，進(jìn)而提高安全生產(chǎn)效率。然而由于帶式輸送機(jī)工作于煤塵較大的工業(yè)現(xiàn)場，對圖像的數(shù)據(jù)采集會造成一定的干擾，在后續(xù)的設(shè)計過程中可以考慮在工業(yè)相機(jī)和鏡頭處安裝除塵裝置。