師華東

1 引言

水泥廠石灰石破碎及輸送車間為水泥生產(chǎn)提供所需的石灰石，是水泥廠非常重要的一個車間。其中，受料坑石灰石超徑堵料問題嚴重制約著生產(chǎn)線的穩(wěn)定運行，已成為水泥企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)的重點。水泥廠常采用液壓破碎錘解決大塊物料堵塞、下料不暢的問題，但在實際操作中，液壓破碎錘的破碎效率并不高，無法有效解決石灰石超徑的問題。

本文通過圖像識別技術(shù)，判斷實際生產(chǎn)中受料坑的大塊物料情況，并及時將信息反饋給礦山開采工作人員，幫助工作人員合理調(diào)整礦山開采階段的爆破行間距、爆破鉆孔直徑等參數(shù)，減少礦山開采時大塊物料出現(xiàn)的頻率。同時，利用識別出的信息也可加強水泥廠石灰石破碎及輸送車間的生產(chǎn)管理，從根本上解決受料坑石灰石超徑的問題，有利于提高石灰石破碎效率，避免石灰石生產(chǎn)工段不必要的停產(chǎn)。

2 受料坑石灰石超徑現(xiàn)狀

2.1 礦山開采

在生產(chǎn)實踐中，自礦山開采的石灰石原料粒徑很難控制及測量，大塊物料較多，對生產(chǎn)影響較大。一直以來，礦山開采往往是靠經(jīng)驗判斷原料的粒度和粒級，其準(zhǔn)確性和可靠性均比較低，無法高效指導(dǎo)生產(chǎn)。有人曾嘗試通過無人機高空攝像來統(tǒng)計礦山爆破后的大塊物料情況，但由于高空識別技術(shù)不成熟、成本過高且僅能測量表層石灰石的粒徑，這項技術(shù)便僅停留在探討階段。

2.2 生產(chǎn)管理

理論上而言，在礦山爆破后，將其中的大塊物料用液壓破碎錘破碎后再進行物料裝載，能夠解決物料超徑的問題，但在生產(chǎn)實際中卻很難操作。這是因為石灰石礦山的爆破開采與水泥生產(chǎn)原料的運輸和使用，一般是由兩家單位分別管理，無法對卡車裝載的石灰石塊粒度進行定量考核。

2.3 石灰石破碎效率

常規(guī)水泥廠石灰石破碎及輸送車間的設(shè)備由受料坑、板式喂料機、破碎機、除塵器及風(fēng)機、膠帶輸送機等組成。進入受料坑的石灰石粒徑與礦山開采、生產(chǎn)管理及石灰石破碎效率有關(guān)。對于卸料至受料坑的石灰石超徑問題，常規(guī)的處理方法多是將受料坑內(nèi)的大塊石灰石進行破碎或?qū)⑵淙〕?。另外，加強卸料管理，禁止卡車司機將大塊石灰石卸入受料坑。以上處理方法均無法從根本上解決石灰石超徑問題。

3 受料坑石灰石超徑治理系統(tǒng)整體設(shè)計方案

礦山開采后，進入受料坑的石灰石粒度合適是保證石灰石圓堆儲量的基礎(chǔ)，同時，受料坑內(nèi)的石灰石粒度數(shù)據(jù)又可反向指導(dǎo)礦山開采。通過礦山開采的礦石粒徑分布實際數(shù)據(jù)，校驗其設(shè)計值，可有效縮小設(shè)計值和實際生產(chǎn)值之間的偏差。另外，破碎機本身也需要滿負荷供料，堵料將影響破碎機生產(chǎn)效率。

有效利用目前成熟的圖像識別技術(shù)，將礦山開采、石灰石破碎、生產(chǎn)管理三者有機結(jié)合，能夠較好地解決受料坑石灰石超徑的問題。受料坑石灰石超徑治理系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 受料坑石灰石超徑治理系統(tǒng)流程

采用圖像識別技術(shù)，通過對受料坑石灰石進行圖像識別，既可算出石灰石的粒徑分布，也能識別出超徑的大塊石灰石，并統(tǒng)計相關(guān)信息反饋給礦山；礦山通過調(diào)整爆破行間距、鉆孔直徑、炮孔深度、裝藥量等參數(shù)，優(yōu)化開采，可避免大塊石灰石的出現(xiàn)。同時，也可將石灰石超徑數(shù)據(jù)反饋給生產(chǎn)管理系統(tǒng)，通過對操作人員進行KPI 考核，避免大塊石灰石裝車并倒入受料坑。

另外，通過圖像識別技術(shù)收集的受料坑石灰石粒徑分布數(shù)據(jù)，還可和破碎機電耗數(shù)據(jù)一起進行統(tǒng)計分析，找出系統(tǒng)生產(chǎn)低能耗、低成本、高效率的最優(yōu)平衡點。理論上講，石灰石粒徑數(shù)據(jù)越小，破碎機做功效率越高，電耗越低，具體需結(jié)合工況進行調(diào)整。生產(chǎn)實際中，結(jié)合爆破行列間距、爆破鉆孔直徑、給料粒度粒級、破碎機與粒徑數(shù)據(jù)等參數(shù)進行整體分析優(yōu)化，可有效平衡爆破成本、破碎機效率、生產(chǎn)量和磨機電耗等各個環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)、效率和均攤成本，找到產(chǎn)量最高、成本最低的經(jīng)濟效益平衡點，發(fā)揮破碎系統(tǒng)的最優(yōu)運行效率。

4 圖像識別系統(tǒng)介紹

4.1 圖像識別系統(tǒng)的組成

圖像識別系統(tǒng)使用工業(yè)級高清相機采集受料坑里的運動石灰石圖像，利用機器視覺、圖像處理技術(shù)及統(tǒng)計分析算法，對受料坑里的石灰石粒度組成及大塊石灰石粒徑進行實時統(tǒng)計，可實現(xiàn)對大、中、小塊石灰石顆粒占比情況、最大石灰石粒徑等參數(shù)的有效在線檢測。

圖像識別系統(tǒng)主要由工業(yè)相機子系統(tǒng)、照明子系統(tǒng)、機械支架子系統(tǒng)、計算機子系統(tǒng)等組成。工業(yè)相機子系統(tǒng)和照明子系統(tǒng)安裝在機械支架子系統(tǒng)上，對準(zhǔn)受料坑?，F(xiàn)場照明及工業(yè)相機子系統(tǒng)的用電由電控柜提供。工業(yè)相機在照明子系統(tǒng)的配合下，實時采集受料坑里的石灰石圖像，同時，潔凈高壓空氣可以吹走鏡頭前方的灰塵，保持采集圖像清晰。石灰石圖像通過網(wǎng)線傳輸?shù)浆F(xiàn)場PLC，現(xiàn)場電控柜內(nèi)裝有光電轉(zhuǎn)換器，可將石灰石圖像信號通過光纖傳至中控室，在遠離現(xiàn)場的中控室也可清楚了解現(xiàn)場石灰石粒徑的情況。中控計算機子系統(tǒng)上的軟件通過處理圖像獲得并顯示石灰石粒度信息。圖像識別系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：實時采集、顯示、分析石灰石粒度圖像，實時展示石灰石圖像的分割效果，用實時曲線展示礦石粒徑組成情況的變化趨勢，實時統(tǒng)計物料運輸車輛中超徑石灰石塊的數(shù)量，存儲數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)接入DCS 或其他智能控制系統(tǒng)。

4.2 圖像識別流程

圖像識別流程如圖2所示，圖像識別畫面如圖3所示。在卡車卸料口處布置對射光柵和紅綠燈，綠燈開啟時，司機利用倒車鏡停車倒料。對射光柵一般采用紅外對射的原理，采用多束紅外光對射，發(fā)射器以“低頻發(fā)射、時分檢測”的方式向接收器發(fā)出紅外光，一旦有卡車擋住了發(fā)射器發(fā)出的任何相鄰兩束以上光線超過30ms 時，接收器立即輸出報警信號。PLC 控制柜接收到對射光柵的報警信號后，開啟圖像識別系統(tǒng)，通過攝像頭記錄卡車的車牌號。圖像識別系統(tǒng)可以對卡車上是否有超徑石灰石塊進行識別并發(fā)出警報，提醒卡車司機不可將超徑石灰石塊倒入受料坑。系統(tǒng)還可以對進入卸車坑的石灰石塊進行粒徑分布統(tǒng)計和超徑識別，并將數(shù)據(jù)反饋給中控室。當(dāng)完成卸料，司機開車離開后，對射光柵信號消失，圖像識別系統(tǒng)關(guān)閉，紅燈開啟。對射光柵、圖像識別系統(tǒng)、紅綠燈相互聯(lián)鎖，完成整個圖像識別過程。遇高強度卸車需求時，圖像識別系統(tǒng)可設(shè)置為連續(xù)性工作方式。

圖2 圖像識別系統(tǒng)流程

圖3 圖像識別畫面

4.3 圖像識別系統(tǒng)的功能及分析方法

圖像識別系統(tǒng)中的石灰石粒度在線分析設(shè)備，可以方便地安裝在受料坑框架上，通過FPGA處理板卡和視頻技術(shù)處理，分級輸出目標(biāo)粒級的個數(shù)。普通粒徑石塊由藍色框線識別，超徑石塊由紅色框線識別。粒度在線分析設(shè)備還可自適應(yīng)卸車時石灰石的運動及粒徑的變化，實時測量石灰石粒度，通過光纖將測得的數(shù)據(jù)傳輸至中控室，使操作人員在中控室即可遠程實時查看受料坑石灰石粒度分割圖像及粒度分布信息，統(tǒng)計超徑石塊并及時進行相應(yīng)操作。

圖像識別系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，可對礦山開采、破碎機運行提供數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)通過高清攝像機在線實時采集每個受料坑的超徑石灰石數(shù)據(jù)，利用視覺識別技術(shù)進行粒度識別計算分析。圖像識別系統(tǒng)的粒度識別分析過程如下：

（1）對比度調(diào)整：增強圖像的對比度。

（2）高過濾處理：銳化顆粒邊界。

（3）低過濾處理：去除背景噪聲，提高顆粒識別水平。

（4）閾值調(diào)整處理：尋找透明顆粒的邊界。

（5）定位顆粒：按照設(shè)計的算法對圖像進行搜索和處理，識別出形成每個顆粒的所有像素，基于遍歷樹算法，對顆粒的像素和其臨近像素依次處理，決定其是否屬于相同的顆粒，最終識別出每個顆粒所屬的像素，保存顆粒的拓撲信息，并逐一進行處理，得到粒度大小和粒形信息。

（6）過程參數(shù)調(diào)整：調(diào)整顆粒圓度、長細比、形狀因子、等效直徑、凹凸度、橢圓度、周長、表面粗糙度、表面積、球形度、最小外接圓、等效面積、外包矩形、長軸、短軸、延長度等。

5 結(jié)語

水泥企業(yè)應(yīng)有效利用圖像識別技術(shù)，將礦山開采、生產(chǎn)管理、石灰石破碎效率三者進行有機結(jié)合，才能有效解決受料坑石灰石超徑問題。通過圖像識別技術(shù)能夠整體優(yōu)化分析爆破成本、破碎機效率、破碎機進出料粒徑等工藝參數(shù)，找到產(chǎn)量最高、成本最低的效益平衡點，從而提高企業(yè)精細化管理水平及經(jīng)濟效益。