楊華亮 胡軍 盧健聰 喬富東 方仁德

摘 要：高溫輥道窯因節(jié)能、占地面積小、生產(chǎn)效率高，特別適合燒制建筑陶瓷產(chǎn)品。陶瓷輥棒是輥道窯起承載和傳輸作用的關(guān)鍵部件，輥棒能否正常旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)產(chǎn)品運(yùn)行，并完成產(chǎn)品的正常燒結(jié)，直接影響輥道窯的正常使用以及生產(chǎn)效率，所以實(shí)時(shí)監(jiān)測輥棒是否正常旋轉(zhuǎn)成為保證窯爐正常使用的關(guān)鍵因素之一。本文從輥棒使用廠家的生產(chǎn)難題為落腳點(diǎn)，開發(fā)出了視覺攝像頭與傳感器結(jié)合方式，依靠人工智能圖像識(shí)別的軟件算法及傳感器監(jiān)測方法，對(duì)每根輥棒進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)精準(zhǔn)無時(shí)間間隙的智能監(jiān)測、遠(yuǎn)程監(jiān)測及報(bào)警、實(shí)現(xiàn)響應(yīng)的功能，與此同時(shí)，可對(duì)輥棒使用壽命預(yù)測和及時(shí)更換輥棒提醒、輥棒使用損耗量的計(jì)算、輥棒選型的驗(yàn)證等，實(shí)現(xiàn)輥棒管理的數(shù)字化和智能化，減少人力管理成本。

關(guān)鍵詞：斷棒;攝像頭;傳感器;壽命管理

1 前 言

陶瓷輥棒是輥道窯起承載和傳輸作用的關(guān)鍵部件，使陶瓷產(chǎn)品自窯頭向窯尾行進(jìn)過程中完成產(chǎn)品的預(yù)熱、煅燒和冷卻過程。作為承載和傳輸作用的關(guān)鍵部件，輥棒是否正常旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)產(chǎn)品運(yùn)行，并完成產(chǎn)品的正常燒結(jié)，直接影響輥道窯的正常使用以及生產(chǎn)效率，所以實(shí)時(shí)監(jiān)測輥棒是否正常旋轉(zhuǎn)成為保證窯爐正常使用的關(guān)鍵因素之一[1]。

但是，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，監(jiān)測輥棒是否正常轉(zhuǎn)動(dòng)較為困難，原因主要有兩點(diǎn)：一、為了提高產(chǎn)量，增加輥道窯爐爐長或?qū)挾瓤梢允垢嗟漠a(chǎn)品進(jìn)入窯爐燒結(jié)，還會(huì)讓整個(gè)窯爐的溫度變化更加平順，提高燒結(jié)產(chǎn)品的品質(zhì)。但是現(xiàn)在較長的窯爐需要更多的輥棒，100 m長輥道窯需要輥棒多達(dá)約1000多根，人工監(jiān)測這么多輥棒費(fèi)時(shí)費(fèi)力;二是每條窯爐的輥棒轉(zhuǎn)速不完全一樣（有快有慢），這也為觀察輥棒旋轉(zhuǎn)狀態(tài)增加了難度。在窯爐燒結(jié)產(chǎn)品的過程中，一旦輥棒發(fā)生斷裂，而此時(shí)設(shè)備和人員沒有及時(shí)監(jiān)測出輥棒異常，則容易出現(xiàn)產(chǎn)品卡在窯爐內(nèi)，影響燒結(jié)效率和品質(zhì)，甚至還會(huì)出現(xiàn)輥棒大面積斷裂，最終導(dǎo)致窯爐堵塞和大面積的輥棒受損，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。

為了保證輥道窯的良好運(yùn)行狀態(tài)，窯爐工程師及管理者們想了許多辦法進(jìn)行解決[2]，如工人巡視和鋼絲繩觸發(fā)報(bào)警[3]等，但往往達(dá)不到預(yù)期效果，出現(xiàn)漏報(bào)、錯(cuò)報(bào)等現(xiàn)象而帶來較大生產(chǎn)質(zhì)量的損失。

2 斷棒監(jiān)測的現(xiàn)有技術(shù)

2.1 拉鋼絲繩

拉鋼絲繩的方法，如圖1所示，在輥棒上方設(shè)置相互靠近的鋼絲繩，當(dāng)輥棒斷裂翹起時(shí)觸發(fā)報(bào)警，但是如果輥棒斷裂但又沒有翹起，則無法實(shí)現(xiàn)報(bào)警。該裝置雖然簡單，但無法定位斷裂輥棒的具體位置，還需要窯爐負(fù)責(zé)人員仔細(xì)查看，該方案容易誤報(bào)漏報(bào)，監(jiān)測效率低。

2.2 巡視法

巡視法，如圖2所示，一般由窯爐負(fù)責(zé)或相關(guān)人員在輥道窯兩邊進(jìn)行巡視，由于燒成車間溫度較高，巡視人員一般騎自行車進(jìn)行巡邏，這樣易造成視覺疲勞，出現(xiàn)漏報(bào)的現(xiàn)象;而行走方式進(jìn)行巡邏，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，且對(duì)于巡邏的頻率難以科學(xué)的預(yù)測，全憑相關(guān)人員的責(zé)任心或公司的規(guī)定，該方法是最傳統(tǒng)的，在少部分陶瓷企業(yè)仍然采納。

3 斷棒監(jiān)測的智能技術(shù)

陶瓷行業(yè)的輥棒斷裂智能監(jiān)測一直以來都是客戶管控難點(diǎn)和痛點(diǎn)，目前行業(yè)內(nèi)此類智能監(jiān)測方法尚屬空白領(lǐng)域，市場前景將會(huì)很大，具備非常大的潛力。我司合作開發(fā)出兩種智能監(jiān)測技術(shù)，視覺攝像頭監(jiān)測技術(shù)和傳感器監(jiān)測技術(shù)。

3.1 視覺攝像頭技術(shù)

采用攝像頭機(jī)器視覺的智能監(jiān)測方式進(jìn)行輥棒轉(zhuǎn)動(dòng)監(jiān)測。

該方案主要由信息采集系統(tǒng)，視覺處理系統(tǒng)和后臺(tái)管理系統(tǒng)三個(gè)部分組成。

其中，信息采集系統(tǒng)：主要包括視覺攝像頭硬件及交換機(jī)，攝像頭組負(fù)責(zé)采集工件現(xiàn)場圖片，經(jīng)由交換機(jī)傳給視覺處理系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：采用集中服務(wù)器作為主控制器，接收交換機(jī)傳來的每個(gè)攝像頭的工件圖片，監(jiān)測工件是否出現(xiàn)壞掉情況，通過根據(jù)攝像頭標(biāo)定，定位到具體工件編號(hào)。

后臺(tái)管理系統(tǒng)：后臺(tái)管理系統(tǒng)主要作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，客戶通過該系統(tǒng)能夠快速查看工件是否有損壞情況。

系統(tǒng)整體框圖架構(gòu)如圖3所示。

該技術(shù)具體實(shí)施方法為：

（1） 在輥道高溫窯爐段待監(jiān)測的瓷棒位置前方，根據(jù)待監(jiān)測范圍，布置攝像頭，使攝像頭可以覆蓋待監(jiān)測的瓷棒范圍，并對(duì)瓷棒進(jìn)行排序，使可以根據(jù)序號(hào)找到對(duì)應(yīng)瓷棒。

（2） 當(dāng)輥棒正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過一定的機(jī)器視覺監(jiān)測算法，該攝像頭可以自動(dòng)分辨出轉(zhuǎn)動(dòng)與不轉(zhuǎn)動(dòng)的瓷棒，且無論瓷棒是否發(fā)生形變，都可以監(jiān)測得出，從而判斷出瓷棒是否發(fā)生斷裂。

（3） 當(dāng)發(fā)現(xiàn)不轉(zhuǎn)動(dòng)的瓷棒時(shí)，后端的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)及斷棒的序號(hào)，并顯示在用戶手機(jī)APP或監(jiān)控顯示器上。

（4） 用戶或監(jiān)測人員可以根據(jù)報(bào)警顯示的瓷棒序號(hào)，立刻定位找到斷裂的輥棒，及時(shí)更換斷裂的瓷棒，從而避免斷棒對(duì)整條生產(chǎn)線帶來的進(jìn)一步損失。

3.2 傳感器監(jiān)測技術(shù)

該技術(shù)原理為：在正常工作狀態(tài)下，輥棒是在不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的，而當(dāng)輥棒斷裂后，會(huì)導(dǎo)致其被動(dòng)端無法再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而干簧管傳感器可以感應(yīng)出安裝在瓷棒上的磁鐵，從而產(chǎn)生電信號(hào)，通過監(jiān)測周期性的信號(hào)，可以監(jiān)測出工件轉(zhuǎn)動(dòng)與否，當(dāng)長時(shí)間（輥棒旋轉(zhuǎn)一周）沒收到周期性信號(hào)，則可判斷該瓷棒停轉(zhuǎn)，即該輥棒發(fā)生斷裂。

該技術(shù)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與后臺(tái)處理系統(tǒng)兩部分組成。

其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由工件本身加監(jiān)測傳感器+IO采集設(shè)備組成，每個(gè)傳感器監(jiān)測對(duì)應(yīng)工件本身轉(zhuǎn)動(dòng)情況，并將信號(hào)通過以太網(wǎng)技術(shù)，傳遞給后臺(tái)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析與判斷。

后臺(tái)處理系統(tǒng)則由集中服務(wù)器組成，其作用為接收前端傳感器發(fā)出的信號(hào)，并對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波，監(jiān)測等處理，實(shí)時(shí)計(jì)算判斷有無停轉(zhuǎn)的輥棒，從而監(jiān)測出是否發(fā)生輥棒斷裂的情況。該方案系統(tǒng)框圖如圖4所示。

該方案具體實(shí)施方法為：

（1） 安裝及固定干簧管傳感器位置，由于該傳感器為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)監(jiān)測，故需要在每一根瓷棒的前端下方垂直固定干簧管傳感器。

（2） 干簧管傳感器屬于電磁開關(guān)性質(zhì)的傳感器，故還需在每根瓷棒上固定一磁鐵，使干簧管可以監(jiān)測得到電磁信號(hào)。

（3） 當(dāng)輥棒正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，瓷棒上的磁鐵也會(huì)隨之周期性旋轉(zhuǎn)，從而干簧管傳感器可以監(jiān)測到周期性的電信號(hào)。而當(dāng)輥棒斷裂后，其端部停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而會(huì)長時(shí)間沒有電信號(hào)產(chǎn)生或者一直有信號(hào)產(chǎn)生，據(jù)此即可判斷該輥棒發(fā)生斷裂。

（4） 當(dāng)集中式處理器監(jiān)測到輥棒斷裂后，便可發(fā)送報(bào)警信號(hào)，并且由于傳感器與輥棒是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此可以很快定位到具體是哪一根輥棒發(fā)生了斷裂，并可以及時(shí)提醒監(jiān)測人員，采取相應(yīng)措施，從而避免進(jìn)一步損失。

以上兩種監(jiān)測方案均已通過實(shí)驗(yàn)測試，可以監(jiān)測出輥棒運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，停轉(zhuǎn)的輥棒，并且及時(shí)報(bào)警指出，其實(shí)驗(yàn)界面如圖5所示。

已測試情況包括：

單根輥棒停轉(zhuǎn)的情況-在輥棒停轉(zhuǎn)時(shí)，可成功監(jiān)測出斷棒并報(bào)警;

多根輥棒同時(shí)停轉(zhuǎn)的情況-在輥棒停轉(zhuǎn)時(shí)，可成功監(jiān)測并依次報(bào)警指出停轉(zhuǎn)的輥棒;

停轉(zhuǎn)輥棒恢復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況-當(dāng)停轉(zhuǎn)輥棒恢復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)后，便可以自動(dòng)刷新，恢復(fù)正常監(jiān)測狀態(tài);

人為遮擋輥棒短時(shí)間的情況-由于監(jiān)測停轉(zhuǎn)時(shí)間可以人為設(shè)定，因此當(dāng)發(fā)生人為短時(shí)間阻擋的情況時(shí)（比如路人經(jīng)過輥棒），可以自動(dòng)過濾該種情況，不發(fā)生誤判。以上測試均多次順利實(shí)驗(yàn)成功，技術(shù)方案可行。

4 輥棒使用壽命的管理

根據(jù)以上分析，采用先進(jìn)智能傳感器及視覺攝像頭的解決方案，使在陶瓷產(chǎn)品的燒制過程中，可以及時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測出斷裂的陶瓷輥棒，精確監(jiān)測斷裂的陶瓷輥棒的序號(hào)并通知給用戶，從而用戶可以快速處理斷裂的陶瓷輥棒，提高生產(chǎn)良品率和能耗效率，避免進(jìn)一步的經(jīng)濟(jì)損失。此外，該解決方案還可以監(jiān)測斷裂的陶瓷輥棒的型號(hào)、規(guī)格、使用時(shí)間、斷裂時(shí)間等輥棒“身份證”，并記錄后傳送至后臺(tái)管理系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)分析，形成大數(shù)據(jù)供輥棒使用者、開發(fā)者進(jìn)行系統(tǒng)地分析，對(duì)不同的窯爐工況下使用不同型號(hào)的陶瓷輥棒的使用壽命提出科學(xué)的預(yù)判，輥棒開發(fā)人員針對(duì)用戶的實(shí)際工況及斷棒情況進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)，以便提供質(zhì)量更好的陶瓷輥棒服務(wù)建陶行業(yè)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和降耗的雙豐收。

5 智能檢測及管理技術(shù)的評(píng)價(jià)

5.1 用戶管理效益

先進(jìn)的信息系統(tǒng)可以增強(qiáng)企業(yè)的管理能力，通過智能監(jiān)測進(jìn)行車間輥棒管理，為企業(yè)對(duì)內(nèi)管理優(yōu)化，對(duì)外快速響應(yīng)提供了工具和依據(jù)。

5.2 用戶經(jīng)濟(jì)效益

通過智能監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場輥棒斷裂情況，從而可以及時(shí)更換斷裂的輥棒，防止整個(gè)窯爐塌陷，大大減少經(jīng)濟(jì)損失，提高企業(yè)創(chuàng)收能力。

5.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

該項(xiàng)目產(chǎn)品每200 m長或2000支輥棒安裝智能監(jiān)控系統(tǒng)的成本為20萬元，一條輥道窯（365 m計(jì)算）安裝智能監(jiān)控系統(tǒng)不到40萬，且使用壽命較長，并可大幅度降低窯爐堵窯風(fēng)險(xiǎn)及損失，對(duì)于企業(yè)的生產(chǎn)制造而言，經(jīng)濟(jì)效益是不可估量的。

6 結(jié) 語

目前國家在大力推進(jìn)智能制造及數(shù)據(jù)上傳云端的互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目發(fā)展，本技術(shù)方案屬于智能制造改造的互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目范疇，用戶可以向當(dāng)?shù)卣暾?qǐng)使用智能化裝備的資金補(bǔ)貼，提高用戶使用智能化裝備的積極性，為該項(xiàng)目產(chǎn)品的推廣提供了政策性保障。金剛企業(yè)本身立足于陶瓷輥棒行業(yè)，一直以服務(wù)陶瓷行業(yè)為宗旨，非常了解建陶企業(yè)使用輥棒的痛點(diǎn)所在，為建陶行業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。

通過該智能監(jiān)控及壽命管理系統(tǒng)可以達(dá)到以下功能：

（1）可精準(zhǔn)、快速、實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場輥棒斷裂情況，快速換棒，防止堵窯現(xiàn)象產(chǎn)生。

（2）了解一條窯斷棒損耗情況，能判斷是否在一個(gè)區(qū)域還是不同區(qū)域斷棒，進(jìn)行針對(duì)性的解決問題。

（3）有利于了解不同型號(hào)輥棒在同樣工況下斷棒情況，進(jìn)行對(duì)比研究。

參考文獻(xiàn)

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