王晨宇，王高飛，劉小虎，王文琦，韓軍亮，岳耀龍

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司煉鋼作業(yè)部，河北唐山 063200）

0 引言

皮帶輸送系統(tǒng)是煉鋼生產(chǎn)工藝流程中一個較為龐大的公用系統(tǒng)，它輸送物料平穩(wěn)、沒有相對運動，能避免對輸送物的損壞。皮帶輸送機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)方便、輸送量大、效率高、低噪聲、使用可靠等優(yōu)點，是目前大多數(shù)企業(yè)完成物料運輸?shù)倪x擇。

煉鋼工序中，需要將白灰直供到轉(zhuǎn)爐，當(dāng)物料中有金屬或其他尖銳物體時會損傷皮帶、引發(fā)皮帶撕裂。皮帶價格昂貴，造價占到整個皮帶運輸機(jī)的50%以上。目前皮帶的橫向抗拉強(qiáng)度和承載能力已顯著提高，但是縱向抗撕裂強(qiáng)度并沒有明顯改善。在皮帶斷帶故障中，90%的皮帶撕裂均為縱向撕裂，皮帶撕裂會造成物料傾灑、損壞減速器和電機(jī)等設(shè)備，甚至還會損壞機(jī)架結(jié)構(gòu)，因此煉鋼工序中需要安全適用的皮帶質(zhì)量檢測裝置。

1 皮帶輸送系統(tǒng)檢測裝置現(xiàn)狀

目前，基于以下5 種方法的檢測皮帶縱向撕裂裝置及特點有：①沖擊檢測法，檢測皮帶介質(zhì)中沖擊力傳播；②托輥異常受力檢測法，分析托輥受力的異常狀況；③超聲波法，檢測皮帶介質(zhì)中超聲波傳播；④壓敏電阻法，檢測皮帶下方漏料情況；⑤嵌入法，在皮帶中嵌入導(dǎo)電橡膠、光導(dǎo)纖維等。

檢測裝置存在的問題主要有兩個：一是均為接觸式檢測，接觸部件極易磨損導(dǎo)致裝置失效很快；二是裝置的組件很多、安裝復(fù)雜，導(dǎo)致后期維護(hù)非常繁瑣。另外，一些裝置的檢測原理本身也存在一定局限性，只有當(dāng)皮帶撕裂很長后才能檢測到。因此，迫切需要一種及時可靠的皮帶縱向撕裂檢測裝置。

2 皮帶智能缺陷檢測及控制系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)場情況與工藝要求，設(shè)計一套基于機(jī)器視覺的帶式輸送機(jī)智能缺陷檢測及控制系統(tǒng)，主要用于檢測皮帶物料異物、皮帶縱向撕裂、皮帶跑偏。該裝置包括成像單元、檢測單元、報警器、遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊和PLC 電氣自動化模塊等，其中：成像單元用于攝取皮帶圖像和物料圖像；皮帶檢測單元對皮帶圖像和物料圖像進(jìn)行處理，檢測皮帶是否發(fā)生縱向撕裂、物料是否攜帶尖銳異物；如果出現(xiàn)則觸發(fā)報警器發(fā)出聲音和閃爍亮光報警，同時把信號傳送給PLC 電氣自動化模塊并制動、將圖像傳送到監(jiān)控室顯示。

該裝置為非接觸式的檢測方式，檢測設(shè)備不會遭受磨損，并且檢測靈敏高、成本低、設(shè)備組件少，易于安裝與維護(hù)。該系統(tǒng)可以實時掌握皮帶機(jī)的運行狀態(tài)，提前預(yù)警告知上料工故障發(fā)生，在預(yù)警的同時能及時制動皮帶機(jī)，最大限度減少現(xiàn)場損失。

3 皮帶智能缺陷檢測及控制系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

近年來，機(jī)器視覺檢測成為工業(yè)檢測的新方向。該技術(shù)主要利用工業(yè)相機(jī)代替人工采集數(shù)據(jù)，通過龐大的處理器運算，使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的深度學(xué)習(xí)圖像算法，運算、分析、反饋檢測結(jié)果。機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)與生產(chǎn)線自動化PLC 技術(shù)有效結(jié)合，通過圖片采集、識別、反饋等，預(yù)防和避免各類損壞情況。

3.1 圖像采集

圖像采集設(shè)備是該檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集設(shè)備，可實時獲取包含激光線條的皮帶圖像，通過內(nèi)部電路降噪與濾波處理，將采集數(shù)據(jù)經(jīng)千兆以太網(wǎng)絡(luò)傳輸給信號處理傳輸設(shè)備（圖1）。

圖1 圖像采集系統(tǒng)架構(gòu)

本現(xiàn)場的皮帶輸送機(jī)皮帶幅寬為1 m，采用兩臺線陣相機(jī)工作，一臺放置皮帶上方用于識別物料、另一臺放置在皮帶下方用于識別皮帶撕裂，這樣就能完全采集整條皮帶的數(shù)據(jù)（圖2）。

圖2 現(xiàn)場設(shè)備布置

傳輸處理設(shè)備是基于視覺技術(shù)的皮帶撕裂檢測裝置中信號接收轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，其功能類似于中繼站，多臺圖像采集設(shè)備將實時采集數(shù)據(jù)傳輸至信號處理傳輸設(shè)備，每臺設(shè)備每秒捕獲數(shù)據(jù)量110 Mbyte，多臺設(shè)備同時工作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常巨大，一般的以太網(wǎng)絡(luò)難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，而且以太網(wǎng)絡(luò)最大傳輸距離為100 m，所以信號處理傳輸設(shè)備需接受的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成光纖傳輸至中控室內(nèi)的總控制臺。

另外，在防護(hù)設(shè)備和工裝設(shè)計方面，采集設(shè)備需采取有效防塵方式，確保數(shù)據(jù)采集設(shè)備不受現(xiàn)場粉塵影響，防止揚(yáng)塵的堆積。當(dāng)物料進(jìn)入檢測區(qū)域時，傳感器感知物料后，信號通過PLC 技術(shù)傳入檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)可根據(jù)經(jīng)典模型，通過自適應(yīng)調(diào)整姿態(tài)和軌跡以方便于數(shù)據(jù)采集。同理，傳感器感知物料離開檢測范圍后，檢測系統(tǒng)停止檢測。

3.2 皮帶運行溫度檢測

在運行中輸送皮帶自身存在溫度變化，這主要是由皮帶在特定環(huán)境中長期運行摩擦等導(dǎo)致的，通常溫度會隨皮帶運行時間而逐步升高。檢查皮帶的運行溫度，能有效預(yù)防發(fā)生皮帶火災(zāi)。

（1）點式溫度采集系統(tǒng)。點對點溫度傳感技術(shù)的關(guān)鍵是通過溫度傳感器進(jìn)行定點測量和分析，也是目前檢查皮帶運行溫度的主要方法。具體做法為：在帶式輸送機(jī)的上方和下方分別安裝溫度傳感器檢測裝置，收集實時溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至感知算法單元。作為一種長期供電單元，交流電源配有備用電池，以確保采集系統(tǒng)的正常運行。

（2）智能溫度監(jiān)測算法系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)直接從溫度采集系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)信息，分析和組織數(shù)據(jù)，并將其存儲在特定的數(shù)據(jù)存儲庫，同時數(shù)據(jù)被二值化并被發(fā)送到感知算法單元。根據(jù)高溫標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)場電氣自動化設(shè)備，快速發(fā)出聲光警報或停機(jī)命令，防止火災(zāi)發(fā)生。

（3）智能溫度監(jiān)測算法系統(tǒng)的后臺監(jiān)控功能。熱敏元件將監(jiān)測到的溫度實時傳輸?shù)奖O(jiān)測計算機(jī)，并在顯示屏顯示。當(dāng)出現(xiàn)警告溫度時，故障位置將以數(shù)據(jù)的形式保存，可以在現(xiàn)場報警并以文本警告模式顯示。數(shù)據(jù)信息支持以年、月、日等單位進(jìn)行線性或表格表示，并且可以直接采樣和打印。

3.3 皮帶跑偏檢測

皮帶跑偏檢測的基本工作原理是，通過非接觸皮帶的檢測極限來測量皮帶的跑偏，并通過算法來判斷皮帶是否跑偏。該系統(tǒng)可以大大提高發(fā)現(xiàn)皮帶運輸安全隱患的及時性，如果在早期發(fā)現(xiàn)隱患，應(yīng)及時報警、調(diào)查和解決，避免事故發(fā)生；警報定位大大降低了現(xiàn)場人工檢查的水平，使工人在識別隱患時更加直接和高效。

皮帶跑偏識別模塊主要分為3 個部分，分別是輸入圖像、識別算法和針對識別結(jié)果進(jìn)行處理（如報警等）。當(dāng)前識別算法有兩種思路，分別是基于傳統(tǒng)的圖像處理方案和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)方案。

（1）傳統(tǒng)圖像處理方案。核心思路是檢測皮帶邊緣在畫面構(gòu)成的直線，采用傳統(tǒng)圖像算法，通過直線的偏移量來判斷跑偏程度（圖3）。

圖3 傳統(tǒng)圖像方案

（2）深度學(xué)習(xí)方案。擬采用語義分割模型，將皮帶區(qū)域分割出來，然后通過判斷皮帶區(qū)域在畫面中位置判斷是否跑偏。識別算法采用監(jiān)測圖框方案，監(jiān)測皮帶跑偏度，皮帶跑偏模塊則結(jié)合PLC 系統(tǒng)，對跑偏有預(yù)警和報警功能（圖4）。

圖4 深度學(xué)習(xí)方案

3.4 皮帶夾雜物檢測

采用基于Retinex 的圖像增強(qiáng)方法，針對皮帶機(jī)監(jiān)控圖像的特點，設(shè)計相應(yīng)的改進(jìn)方法?；贔PN（Feature Pyramid Network，圖像特征金字塔）的檢測思路，設(shè)計并使用一種新的特征融合方法來實現(xiàn)多尺度目標(biāo)檢測，能支持不同大小夾雜物的檢測識別。該系統(tǒng)可適應(yīng)輸送機(jī)運行環(huán)境中粉塵、水汽較大，光線照度不均勻的現(xiàn)場環(huán)境，識別長條物、塊狀物、其他夾雜物等缺陷，識別準(zhǔn)確率高且算法時間短。結(jié)合PLC 技術(shù)，夾渣物檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)檢測到異物后自動化制動（圖5）。

圖5 皮帶夾雜物檢測

3.5 皮帶撕裂劃痕檢測

基于機(jī)器視覺的皮帶撕裂檢測系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和輔助裝置4 個部分。

檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分主要是圖像采集設(shè)備，安裝在皮帶運輸機(jī)載料皮帶和回程皮帶之間，固定在皮帶運輸機(jī)托輥架上。皮帶撕裂的檢測工作流程為：圖像采集設(shè)備獲取皮帶和物料圖像數(shù)據(jù)→經(jīng)過傳輸處理設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸給總控臺→總控臺利用獨特設(shè)計的皮帶撕裂檢測算法對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得出當(dāng)前皮帶狀況，并將結(jié)果反饋給皮帶機(jī)控制系統(tǒng)（圖6）。

圖6 皮帶撕裂檢測系統(tǒng)

傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法不適用于高速皮帶運行的時效性，缺陷識別算法需要采用前沿的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)方案，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于U-Net 結(jié)構(gòu)設(shè)計。使用語義分割思路，能夠?qū)⑷毕菸恢镁珳?zhǔn)地描繪出來。同時為了適應(yīng)實際生產(chǎn)中皮帶的快速運行，加快處理效率，可以精簡網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，單張圖片計算速度可滿足皮帶運行速度。針對皮帶撕裂、劃痕的檢測，設(shè)置有限寬報警標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)識別缺陷到達(dá)2 m 時自動報警，并且通過PLC 技術(shù)結(jié)合現(xiàn)場電氣自動化，及時對輸送系統(tǒng)進(jìn)行制動。

4 結(jié)束語

本文將皮帶智能檢測方法與現(xiàn)場PLC 技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)了自動啟停工業(yè)相機(jī)采集皮帶和物料圖像。該系統(tǒng)利用傳統(tǒng)圖像處理算法，對圖像進(jìn)行濾波降噪、開閉運算等處理，提高圖像質(zhì)量，并且構(gòu)建卷積深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在硬件算力的支持下，通過大量數(shù)據(jù)不斷的迭代、優(yōu)化，能夠檢測到皮帶的運行溫度、跑偏、物料夾渣物、撕裂劃痕等。另外，在成功識別出缺陷以后，可以能根據(jù)缺陷的危害標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)產(chǎn)線的自動制動。從采集到缺陷照片、到算法計算識別缺陷、到產(chǎn)線制動，可以控制在1 s 的范圍內(nèi)，有效避免進(jìn)一步的現(xiàn)場損壞情況。

該系統(tǒng)采用非接觸式架構(gòu)，檢測設(shè)備不會遭受磨損，硬件設(shè)計可靠、實時性強(qiáng)，檢測靈敏高、易安裝與維護(hù)，能夠為生產(chǎn)提供穩(wěn)定可靠的質(zhì)量保障，減少人力物力成本。同時通過多種渠道，還能向生產(chǎn)管理人員和一線操作人員等不同服務(wù)對象提供實時檢測、信息預(yù)警和輔助決策等信息。