歸中科技（上海）有限公司 趙小聰

1 引言

在火力發(fā)電廠中，輸煤作為機(jī)組公用系統(tǒng)，為各個(gè)機(jī)組及其若干煤倉供煤，地位非常重要。為了保證輸煤系統(tǒng)正常運(yùn)行和工作人員人身安全，需要定期檢查輸煤皮帶機(jī)上是否存在異物，并及時(shí)清除這些雜物。本文提出一種基于機(jī)器視覺技術(shù)的輸煤系統(tǒng)非磁性金屬自動(dòng)檢測與挑揀方案。

2 輸煤系統(tǒng)非磁性金屬異物自動(dòng)檢測及挑揀系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

輸煤系統(tǒng)非磁性金屬異物的出現(xiàn)給輸煤工作帶來很大困擾，不僅增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度而且還存在一定安全隱患。煤礦挖掘機(jī)上的不銹鋼斷齒會損傷皮帶、滾筒等設(shè)備，造成生產(chǎn)事故；同時(shí)也會對環(huán)境產(chǎn)生污染。因此，在保證正常輸煤作業(yè)前提下，實(shí)現(xiàn)對輸煤系統(tǒng)中非磁性金屬異物（如螺絲刀、扳手）的自動(dòng)識別和定位具有重要意義。本研究旨在研發(fā)一套高效可靠的輸煤系統(tǒng)非磁性金屬異物自動(dòng)檢測及挑揀系統(tǒng)，為企業(yè)降低成本、提升效率以及保障作業(yè)人員人身安全提供有力支持。在該項(xiàng)目中，提出了一種基于圖像處理技術(shù)的輸煤皮帶上非磁性物體自動(dòng)識別和定位方法。

首先通過高清攝像機(jī)對輸煤皮帶進(jìn)行拍攝并獲取圖像數(shù)據(jù)；然后利用圖像預(yù)處理算法對圖像進(jìn)行去噪、增強(qiáng)等操作以提高后續(xù)處理效果；采用改進(jìn)的Canny邊緣檢測算法提取皮帶邊緣信息，進(jìn)而得到皮帶邊緣輪廓圖；最后結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，將不同類型的非磁性物品與皮帶邊緣輪廓圖中的特征點(diǎn)匹配，實(shí)現(xiàn)對皮帶上非磁性物品的自動(dòng)分類和計(jì)數(shù)[1]。

3 輸煤系統(tǒng)非磁性金屬異物自動(dòng)檢測及挑揀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由傳感器、圖像采集卡和PLC控制單元組成。傳感器負(fù)責(zé)對傳送帶上的物體進(jìn)行掃描并獲取其表面特征信息；圖像采集卡通過USB接口與上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控功能；PLC控制單元?jiǎng)t通過程序控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)動(dòng)作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠、操作方便，能夠有效提高工作效率，減少人工干預(yù)，降低誤報(bào)率。

3.2 系統(tǒng)硬件選型

在設(shè)計(jì)中，選擇了一款性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)大的工業(yè)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)。該計(jì)算機(jī)采用Intel（R）Core（TM）i7-8700K處理器和16GB內(nèi)存，具有較高的計(jì)算速度和數(shù)據(jù)處理能力。同時(shí)，選用了一塊分辨率為4k的高分辨率顯示屏，方便用戶進(jìn)行操作和監(jiān)控。此外，配備了多個(gè)USB接口、網(wǎng)口等通信接口，以滿足檢修調(diào)試與輸煤程控和其他不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換等需求[2]。

3.3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中，各部分之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制指令傳輸?shù)炔僮?，因此選用了高性能、低功耗的單片機(jī)作為主控芯片，同時(shí)為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性還加入了多種保護(hù)措施。

一是主控模塊:采用STC89C52RC型號單片機(jī)，其具有高速運(yùn)算能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合本系統(tǒng)的應(yīng)用需求。此外，該單片機(jī)還配備有豐富的接口資源，可方便地與其他設(shè)備連接通信。

二是信號采集模塊:由于輸煤皮帶上存在大量的異物，如螺絲、鐵屑等，這些物質(zhì)會產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾信號，從而影響到后續(xù)信號處理結(jié)果。為此，專門設(shè)計(jì)了一款抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高的信號采集模塊，能夠有效濾除各種干擾噪聲，提高后續(xù)處理精度。

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分主要包括上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。其中，上位機(jī)采用Visual Studio開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)的處理、顯示以及與PLC控制器之間的通信等功能；下位機(jī)則采用西門子公司生產(chǎn)的S7-1500系列可編程邏輯控制器（PLC）進(jìn)行控制，通過程序語言實(shí)現(xiàn)了對機(jī)械臂、傳送帶、電磁閥等設(shè)備的動(dòng)作控制。在上位機(jī)方面，使用Visual Studio開發(fā)工具中的MFC框架搭建人機(jī)交互界面，并利用OpenCV函數(shù)庫完成圖像的采集、處理和識別工作[3]。

3.5 系統(tǒng)測試

在完成了硬件的安裝和調(diào)試后，進(jìn)行了系統(tǒng)的測試。本次測試主要是驗(yàn)證該系統(tǒng)是否能夠正常工作以及其性能指標(biāo)是否符合要求。具體內(nèi)容包括：一是對于圖像采集部分，需要將攝像頭與計(jì)算機(jī)連接起來，并通過軟件控制攝像頭進(jìn)行拍攝；同時(shí)還需保證攝像頭所采集到的圖像清晰、穩(wěn)定且不存在畸變等問題。經(jīng)過多次測試發(fā)現(xiàn)，以上條件均滿足實(shí)際需求；二是對于電磁干擾部分，采用了信號發(fā)生器來模擬現(xiàn)場可能出現(xiàn)的各種干擾情況，然后觀察該系統(tǒng)是否能夠正確地識別出這些干擾信號并作出相應(yīng)處理。

結(jié)果表明，當(dāng)外界干擾信號較強(qiáng)時(shí)，該系統(tǒng)仍然可以準(zhǔn)確地判斷目標(biāo)物體并給出對應(yīng)的分類結(jié)果。此外，為進(jìn)一步確認(rèn)系統(tǒng)抗干擾能力，增加了一些干擾信號，但試驗(yàn)結(jié)果顯示該系統(tǒng)依然可以保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。

4 輸煤系統(tǒng)非磁性金屬異物自動(dòng)檢測及挑揀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的上位機(jī)采用Visual Studio開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)的處理、顯示以及與下位機(jī)之間的通信等功能；而下位機(jī)則是基于FPGA芯片為核心控制器件來完成具體的操作任務(wù)[4]。

在上位機(jī)方面，使用Visual C++作為主要編程語言，通過調(diào)用OpenCV庫中的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對圖像的采集、預(yù)處理、分割、特征提取以及分類識別等一系列操作。同時(shí)，也可以通過串口將圖像傳輸給下位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

4.2 系統(tǒng)軟件流程

該系統(tǒng)的軟件流程包括圖像采集、圖像預(yù)處理、特征提取和分類識別等模塊。具體流程包括：一是首先對原始圖像進(jìn)行灰度化操作，將RGB格式轉(zhuǎn)換為HSV格式；二是然后通過直方圖均衡化增強(qiáng)對比度，使得圖像更加清晰；三是接著采用高斯濾波去除噪聲干擾，進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量；四是在此基礎(chǔ)上利用閾值分割法獲取目標(biāo)區(qū)域并二值化處理，得到目標(biāo)物體輪廓信息；五是針對不同種類的金屬物品，選取合適的特征參數(shù)作為區(qū)分依據(jù)，例如形狀、顏色、紋理等方面的差異性；六是最后使用SIFT算法或ORB算法完成目標(biāo)物體的匹配與識別，輸出結(jié)果并存儲于數(shù)據(jù)庫中。

此部分為該系統(tǒng)的部分核心程序代碼，其中涉及多個(gè)函數(shù)的調(diào)用以及循環(huán)嵌套結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)還需要結(jié)合實(shí)際情況不斷優(yōu)化調(diào)整各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置，以達(dá)到較好效果。火力發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 火力發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)流程

4.3 系統(tǒng)軟件界面設(shè)計(jì)

主頁面是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，也是最重要的一個(gè)頁面。主頁面包括了所有與該系統(tǒng)相關(guān)的信息，如當(dāng)前時(shí)間、日期、溫度等。此外，主頁面還提供了一些常用功能選項(xiàng)卡，例如“開始”按鈕、“暫停”按鈕、“繼續(xù)”按鈕等。通過這些操作鍵，用戶可以快速進(jìn)入相應(yīng)的功能模塊或者退出系統(tǒng)。

設(shè)備列表頁用于顯示該系統(tǒng)所連接的各種設(shè)備的信息，包括設(shè)備名稱、型號、參數(shù)等。當(dāng)用戶需要查詢某個(gè)設(shè)備時(shí)，只需點(diǎn)擊對應(yīng)的設(shè)備即可查看該設(shè)備的詳細(xì)信息。同時(shí)，設(shè)備列表頁還會實(shí)時(shí)更新該設(shè)備所在位置及其他相關(guān)信息[5]。

5 輸煤系統(tǒng)非磁性金屬異物自動(dòng)檢測及挑揀系統(tǒng)調(diào)試

5.1 系統(tǒng)安裝前準(zhǔn)備工作

一是在進(jìn)行設(shè)備的搬運(yùn)和組裝之前，必須先將地面打掃干凈并保持干燥。如果是在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，需要使用空氣凈化劑等方法來保證空氣質(zhì)量符合要求。

二是對于所選用的各種零部件、材料以及工具等都應(yīng)該按照其特性分類存放好，避免因?yàn)榛煜鴮?dǎo)致誤操作或者損壞設(shè)備。同時(shí)還要做好標(biāo)識，以便后續(xù)的查找與更換。

三是為了確保現(xiàn)場施工人員的安全，所有參與到本次試驗(yàn)中的人員都必須接受相關(guān)培訓(xùn)并考核合格后才能進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)際操作。此外，還需佩戴相應(yīng)的防護(hù)用品，如護(hù)目鏡、手套、鞋套等。

四是在進(jìn)行設(shè)備的安裝過程中，必須嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方案，遵循“先裝大部件再裝小部件”或“由里向外、從上至下”的原則進(jìn)行排列組合。同時(shí)，還要注意各個(gè)部件之間的連接方式是否正確，有無松動(dòng)現(xiàn)象存在。

五是在完成設(shè)備的安裝后，應(yīng)對其整體性能進(jìn)行全面檢查，包括各部分組件之間的配合情況以及運(yùn)行狀態(tài)是否正常等。

5.2 系統(tǒng)安裝

在完成硬件設(shè)備的采購后，需要進(jìn)行相應(yīng)的軟件和機(jī)械部分的安裝。犁煤器、格柵除鐵器等設(shè)備的控制箱應(yīng)該放置于合適位置并固定牢靠；傳感器電纜與PLC輸入/輸出模塊連接時(shí)應(yīng)保證線路整齊規(guī)范，避免交叉打結(jié)或短路現(xiàn)象發(fā)生；其他輔助設(shè)備如照明燈、攝像頭等也應(yīng)按照設(shè)計(jì)要求布置到位。

對于輸送帶上的非磁性金屬異物，通過圖像識別技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測。當(dāng)有金屬物體進(jìn)入相機(jī)視野時(shí)，會觸發(fā)相機(jī)拍攝信號，傳輸至控制器進(jìn)行處理分析；同時(shí)，控制器還會將檢測結(jié)果反饋給上位機(jī)進(jìn)行顯示和存儲。整個(gè)過程無須人工干預(yù)，大大提高了檢測效率和準(zhǔn)確率。

5.3 系統(tǒng)運(yùn)行

在完成硬件安裝和軟件配置后，進(jìn)行了該系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行測試。此處將詳細(xì)介紹其運(yùn)行情況以及對于不同類型的非磁性金屬異物的識別與定位能力。

首先通過實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境下的測試來驗(yàn)證該系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。選取多個(gè)形狀、大小各異的金屬物體作為樣本，分別置于輸送帶上方的兩個(gè)位置處。利用圖像處理技術(shù)獲取這些金屬物體經(jīng)過傳感器時(shí)所產(chǎn)生的光學(xué)信號，計(jì)算出樣本各自所在的距離值。結(jié)果顯示，當(dāng)有一定數(shù)量的金屬異物被誤判為其他雜物而未被及時(shí)剔除時(shí)，會導(dǎo)致后續(xù)工序出現(xiàn)較大誤差甚至停機(jī)現(xiàn)象。因此，該系統(tǒng)需要具備較高的準(zhǔn)確性才能保證正常工作。

6 結(jié)語

本文介紹了一種基于圖像處理技術(shù)的輸煤皮帶上非磁性金屬異物自動(dòng)識別和定位方法。該方法能夠?qū)斆浩系母黝惍愇镞M(jìn)行有效識別，并準(zhǔn)確地在圖像中標(biāo)注出來，為后續(xù)工作提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，本文提出的自動(dòng)挑揀方案可以大大提高工作效率，減少人工干預(yù)，降低誤檢率和漏檢率。