冷啟龍，羅春澤，遲建龍，劉利波

（招金礦業(yè)股份有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265400）

1 概述

1.1 問題的提出

招金礦業(yè)股份有限公司下屬蠶莊金礦徐家疃礦區(qū)位于招遠(yuǎn)市蠶莊鎮(zhèn)境內(nèi)，眀主井箕斗負(fù)擔(dān)將井下礦石、廢石提升至地面的任務(wù)。該提升系統(tǒng)選用JKM4.5×6ZIII型多繩磨擦提升機(jī)，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(cè)掛鉤機(jī)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(jì)運(yùn)行1815天，提升重量達(dá)119.65萬噸。因使用時(shí)間較長(zhǎng)，運(yùn)行中曾多次出現(xiàn)過因落石或箕斗機(jī)械閉鎖裝置旋轉(zhuǎn)軸承磨損及箕斗箱體水平位移超標(biāo)導(dǎo)致在出曲軌后不能準(zhǔn)確復(fù)位、卡箕斗與個(gè)別導(dǎo)向輪松動(dòng)移位甚至脫落等故障，給安全生產(chǎn)帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 原因及后果分析

經(jīng)過工程技術(shù)人員連續(xù)不間斷10余天跟班觀察發(fā)現(xiàn)日常生產(chǎn)中，影響箕斗閉鎖機(jī)構(gòu)不到位有以下主要幾種原因：

（1）箕斗導(dǎo)向輪固定螺栓因銹蝕或撞擊導(dǎo)致導(dǎo)向輪變形或脫落。

（2）箕斗底部托輪短曲軌處由于長(zhǎng)時(shí)間礦粉或礦石堆積導(dǎo)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(dòng)作。

（3）箕斗閉鎖裝置導(dǎo)輪磨損嚴(yán)重或軸承部位底盤變形使其旋轉(zhuǎn)不靈活，卸載完畢導(dǎo)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(tài)部分掛孔有小塊礦石或結(jié)礦進(jìn)入，使掛勾動(dòng)態(tài)部分導(dǎo)輪出曲軌后靜態(tài)動(dòng)態(tài)相結(jié)合時(shí)，配重輪重力不能使動(dòng)態(tài)掛勾將掛孔內(nèi)礦石碾碎或砸出，長(zhǎng)時(shí)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(fù)位時(shí)的支撐點(diǎn)，由于潤(rùn)滑不到位或礦粉進(jìn)入，當(dāng)磨損量超標(biāo)時(shí)，亦會(huì)造成斗箱傾斜，致使舌板卸載完畢復(fù)位時(shí)難以準(zhǔn)確與掛勾閉鎖。

上述隱患中，極易形成重大設(shè)備事故的是箕斗機(jī)械閉鎖裝置失效（出曲軌后掛鉤未能有效復(fù)位）掛鉤沒有掛住箱體，此時(shí)，如繼續(xù)高速下放，箕斗擋板可能隨時(shí)張開，造成斗箱傾斜，砸壞井筒內(nèi)電纜、風(fēng)水管路、鋼梁等；還可能導(dǎo)致箕斗裝礦后高速提升時(shí)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(jī)在高速運(yùn)動(dòng)過程中，箕斗都將與井筒設(shè)施撞擊，提升機(jī)電控系統(tǒng)瞬間產(chǎn)生巨大電流沖擊主電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)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(yùn)行相關(guān)的機(jī)械部分因磨損腐蝕等原因帶來的故障現(xiàn)象和影響生產(chǎn)時(shí)間越來越多，凡此種種，在日常生產(chǎn)中都有著突發(fā)性、隨機(jī)性，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)解決一旦形成事故，都將對(duì)安全生產(chǎn)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(dǎo)致生產(chǎn)事故，近年來，各礦企陸續(xù)采用在相應(yīng)部位安裝光電開關(guān)、磁控開關(guān)、麥克風(fēng)甚至攝像頭專人觀察等對(duì)策，但由于誤差過大，惡劣環(huán)境影響，極易損壞，維護(hù)量過大和成因的不確定性，經(jīng)常導(dǎo)致漏判或誤判，效果不甚理想。

1.4 我們的對(duì)策

公司領(lǐng)導(dǎo)和相關(guān)部門非常重視這個(gè)情況，除安排備件緊急訂貨和加強(qiáng)日常點(diǎn)檢維護(hù)外，也審時(shí)度勢(shì)考察以監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備作為輔助手段，加強(qiáng)因備件交貨期原因造成的空檔期監(jiān)護(hù)，以杜絕事故發(fā)生。希望有一款智能型裝備能夠替代人工完成對(duì)箕斗閉鎖裝置進(jìn)行非接觸在線實(shí)時(shí)直接監(jiān)測(cè)，也就是當(dāng)兩側(cè)掛鉤插入深度未達(dá)到容忍度或卡箕斗時(shí)立即報(bào)警（可接入安全回路）；該裝備同時(shí)還能間接分析出箕斗在卸礦出曲軌后，導(dǎo)向輪、卸礦輪的運(yùn)行姿態(tài)以及箕斗機(jī)械閉鎖裝置的旋轉(zhuǎn)軸承磨損和箕斗擋板上下轉(zhuǎn)軸與軸套的磨損程度。經(jīng)過認(rèn)真考察，決定與招遠(yuǎn)市物華機(jī)電設(shè)備有限公司聯(lián)合研發(fā)基于人工智能技術(shù)的提升機(jī)箕斗機(jī)械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)，為更換備件前的安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

2 系統(tǒng)技術(shù)背景與特點(diǎn)簡(jiǎn)述

機(jī)器視覺是一門涉及諸多領(lǐng)域的新興學(xué)科，涵蓋新興物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、圖像處理和模式識(shí)別等內(nèi)容。它利用物理機(jī)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(cè)量和控制。

傳統(tǒng)意義上的工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)由照明光源、光學(xué)成像和圖片捕捉系統(tǒng)、圖像處理模塊、決策判斷系統(tǒng)和機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

（1）當(dāng)箕斗機(jī)械閉鎖裝置運(yùn)動(dòng)到接近拍攝視野中心時(shí)，傳感器向圖像采集控制部分發(fā)送信號(hào)（觸發(fā)脈沖）。

（2）圖像采集控制部分根據(jù)控制程序，在指定的區(qū)間分別向相機(jī)、照明系統(tǒng)和防塵機(jī)械臂發(fā)出啟動(dòng)脈沖。

（3）其中一個(gè)啟動(dòng)脈沖使相機(jī)停止目前的掃描，打開曝光機(jī)構(gòu)或事先在程序中設(shè)定曝光時(shí)間，然后，重新開始新一幀的掃描并輸出。

（4）將采集的箕斗運(yùn)動(dòng)圖像上傳并存儲(chǔ)到工控機(jī)內(nèi)存中。

（5）工控機(jī)程序?qū)崟r(shí)地對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析和識(shí)別，并輸出檢測(cè)結(jié)果。

由于本現(xiàn)場(chǎng)箕斗卸礦后下放時(shí)，發(fā)生較大的抖動(dòng)和運(yùn)動(dòng)軌跡偏離、日夜環(huán)境背景光源或水霧粉塵帶來的影響使分析結(jié)果發(fā)生急劇變化，以及箕斗機(jī)械閉鎖裝置本體水漬嚴(yán)重等諸多因素使得目前所有機(jī)器視覺算法在此失靈，調(diào)試過程中多次出現(xiàn)誤判、漏判。為此，雙方工程技術(shù)人員發(fā)明了單相機(jī)加激光傳感器，分時(shí)多特征點(diǎn)復(fù)目匹配和自定義雙坐標(biāo)修光糾偏除水漬的劍水蚤算法及由防石防塵帽與風(fēng)筒組成使箕斗下放時(shí)產(chǎn)生相對(duì)氣流吹散粉礦的除塵裝置（目前上述算法和裝置正在申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利），此外，現(xiàn)場(chǎng)灑水、漏礦還導(dǎo)致不足8小時(shí)內(nèi)工業(yè)相機(jī)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(jī)械閉鎖靜止部分掛孔，為此雙方工程技術(shù)人員創(chuàng)新研發(fā)了防塵機(jī)械臂和斗箱防護(hù)帽、溜礦槽（目前上述兩種裝置正在申請(qǐng)國(guó)家實(shí)用新型專利），以上述四種專利有機(jī)結(jié)合成本型提升機(jī)箕斗機(jī)械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)集成，速度快、信息量大、功能多，抗干擾能力強(qiáng)，不受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、不受箕斗運(yùn)行速度、斗箱晃動(dòng)影響，與環(huán)境光無關(guān)，與被檢測(cè)物體沾水、沾礦粉、泥沙無關(guān)。經(jīng)過近半年的投用，完全取得了預(yù)期效果。

3 系統(tǒng)主要部分組成

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

4 功能介紹

本系統(tǒng)可在創(chuàng)建模型時(shí)采用兩種新發(fā)明算法設(shè)定箕斗機(jī)械閉鎖裝置縫隙嚙合程度，利用工業(yè)相機(jī)獲得縫隙的圖像，通過圖像處理，可快速準(zhǔn)確地提取縫隙尺寸，并由工控機(jī)輔助評(píng)判系統(tǒng)給出監(jiān)測(cè)結(jié)論，亦可設(shè)定允許斗箱發(fā)生水平位移幅度，在線監(jiān)測(cè)時(shí)，如有超標(biāo)，系統(tǒng)可通過軟件智能分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類故障并在機(jī)柜顯示屏與操作臺(tái)信息提示屏做出相應(yīng)提示，以便操作人員進(jìn)行故障查詢和故障復(fù)位。

（1）允許掛鉤掛好程度、水平位移程度均可設(shè)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(chuàng)建模型一鍵式設(shè)定簡(jiǎn)單易操作，現(xiàn)場(chǎng)人員可輕松掌握，且模型只需創(chuàng)建一次，完成一次后無論現(xiàn)場(chǎng)斷電或通訊故障，將故障復(fù)位后都可繼續(xù)投用，無須重新創(chuàng)建。

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

Ⅰ類故障：兩側(cè)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(shí)施安全制動(dòng)，發(fā)生后卷揚(yáng)機(jī)工需立即停車，停車后相關(guān)人員可按觸摸屏常見故障分析及處理對(duì)策來檢查與維修。

Ⅱ類故障：?jiǎn)蝹?cè)掛鉤未掛好。

Ⅱ類故障：屬較重故障，若無連續(xù)發(fā)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(xù)發(fā)生則本班人員可按故障提示單元處理對(duì)策留意觀察。

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

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

（5）現(xiàn)場(chǎng)具備外網(wǎng)或WIFI前提下，在手機(jī)端下載云APP，可隨時(shí)隨地監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，歷史故障記錄。

（6）適配光電傳感器在相應(yīng)位置監(jiān)測(cè)是否在卸礦后下放中卡箕斗。

5 應(yīng)用效果

該系統(tǒng)自2019年5月投用至今，共捕捉到箕斗兩側(cè)掛鉤均未能復(fù)位6次，單側(cè)未能復(fù)位25次，箕斗箱體水平位移超標(biāo)數(shù)百次，分析出導(dǎo)向輪松動(dòng)故障3次，單只脫落故障1次，準(zhǔn)確率100%。

這是我國(guó)首套基于機(jī)器視覺技術(shù)的提升機(jī)箕斗機(jī)械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)的成功研發(fā)投用開辟了人工智能技術(shù)在同等場(chǎng)所應(yīng)用的先河，彌補(bǔ)了同類設(shè)備非接觸式實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的空白，在避免重特大設(shè)備事故發(fā)生的同時(shí)，也為應(yīng)急搶修和日常檢修計(jì)劃的制訂提供了有針對(duì)性的可靠依據(jù)。

6 結(jié)語

該裝置不僅能夠準(zhǔn)確地分辨出箕斗掛鉤狀態(tài)，還能監(jiān)測(cè)箕斗導(dǎo)輪進(jìn)入曲軌的狀態(tài)，同時(shí)，也對(duì)箕斗底板密封漏料情況進(jìn)行觀察，及時(shí)掌握箕斗底板密封情況以便于合理安排檢修時(shí)間。

通過應(yīng)用對(duì)比可以看出，基于機(jī)器視覺技術(shù)的提升機(jī)箕斗機(jī)械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)，由于其智能化處理、速度快、精度高、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為在該場(chǎng)所應(yīng)用的最佳選擇，對(duì)同類設(shè)備的安全生產(chǎn)有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義，兼顧了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，完全可在礦山箕斗提升系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。