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    基于计算机视觉的智能加介系统研究与应用

    时间：2023-06-27 13:15:06来源：百花范文网本文已影响人

    陈小霞

    (枣庄矿业集团 付村煤业有限公司选煤厂，山东 济宁 277600)

    在重介质选煤过程中，重介分选系统的自动化、智能化水平是影响分选效果的重要因素。在重介质选煤工艺中，重悬浮液密度稳定性会影响煤炭分选的准确性，而重悬浮液密度的改变是由介耗引起的。影响介耗的因素包括介质本身的性质、入选原煤的性质、磁选设备的性能、介质回收流程等[1]。保证重悬浮液密度稳定，并在合适的时机补充介质是保证选煤效果的关键。传统加介方法加介的整个过程都依靠工人经验，致使加介效果受人为因素影响很大，例如：在使用电磁吸盘将介质吸附到浓介质桶时，操作人员随意选择取介区域，会造成介质堆高低不平，从而导致介质添加效率低下；
    从浓介质桶向合格介质桶添加浓介质的过程中，操作人员凭肉眼判断浓介质桶液位，并手动开启加介阀门，加介量无法准确控制；
    此外，还会造成介质库剩余介质量无法准确估计。人工加介的方法对操作人员经验、操作条件要求较高，很多因素都会造成合格介质密度不稳定，进而对生产造成严重影响[2]。

    计算机视觉技术[3]是研究如何从图像或多维数据中“感知”的技术，利用摄像机和电脑代替人眼对目标进行识别、跟踪和测量，并做进一步图形处理，可获得场景中目标的三维信息。计算机视觉研究起源于20世纪70年代，经过长足发展，目前该技术已经广泛应用于医学图像处理、工业质量检测、军事、交通、公共安全等各个领域，在煤炭行业的应用正处于飞速发展阶段。

    付村煤业有限公司选煤厂是一座生产能力为 3.0 Mt/a 的重介选煤厂，每天的介质补加量约为5 000 kg，而且要多次补加，加介的及时性和准确性是制约重介质分选智能化建设的主要因素。为了实现加介系统的智能化，提高选煤厂的分选精度，付村选煤厂引入计算机视觉技术，研发智能加介系统，以实现介质的智能添加，确保重悬浮液密度的稳定性。

    智能加介系统应用图像识别与边缘计算技术[4]，通过采集加介量、给水量、密度传感器数据、液位传感器数据来实现系统的自动补加介质。当接到重介系统的补加介质任务信息后，总控制器能够自动判别是否需要补加介质，并能自动进行介质补加；
    当在自动补加介质过程中，总控制器能够在合格介质桶内合格介质达到设定的密度和液位时实现自动停止补加介质。智能加介系统控制图如图1所示。

    图1 智能加介系统控制图Fig.1 Control system of the intelligent medium adding system

    在加介过程中，系统可对每次加介量自动称重计量并上传到总控制器保存备查；
    智能加介系统还能够自动识别浓介质桶内浓介质的液位和磁性物含量数据。在实现自动补加介质的同时，智能加介系统还设有手动加介功能，在系统出现问题时能够实现手动加介。智能加介系统上位机控制界面如图2所示。

    图2 智能加介系统上位机控制界面Fig.2 Host computer control interface of the intelligent medium adding system

    2.1 最佳取介点及介质质量的识别

    通过边缘提取、立体匹配、相机标定、三角化和Kmeans算法[5]提取最佳取介点，经过三维模型网络化来估算介质体积和质量。智能加介系统的图像传感器采用双目工业相机，可获得立体视觉图像的深度信息。图3所示为在工业相机下的介质库成像比。

    图3 介质库图像Fig.3 Photos of the medium depot

    立体视觉系统经过图像获取、特征提取、立体匹配获取三维场景点云数据信息。立体视觉三维重建的流程包括[6]：分别获得左右工业相机图像，对两者进行极线校正，经过极线校正的左右图像需要进行立体匹配，从而可以形成视差图；
    基于视差图，使用三角化技术，就可以得到图像的三维模型，即稠密点云，从而进一步得到介质堆的最高点和介质质量信息。

    对采集的图像进行预处理，包括滤波、边缘提取等。立体匹配是三维重建的关键步骤[7]，现有许多匹配算法可以应用，但是无论采用何种算法，都需要遵循一定的约束条件，例如极线约束、相似性约束、唯一性约束、左右一致约束等。这些约束条件的使用将有效降低匹配的难度，并提高立体匹配的速度和精度，从而得到深度图；
    通过深度图可以获得图像上每个点的三维坐标，在获得每个点的三维坐标之后，可以通过旋转矩阵获得该点距离地面的垂直距离；
    采用Kmeans方法将选择的前K个最高点按照距离进行聚类，从而选择合适的点作为抓取介质的点。由于介质堆属于不规则立方体，为了保证介质堆测量的准确性，可将介质库的三维模型进行网格化，先求取每个小网格的体积，再根据小网格体积求得总体积。介质堆信息监测图像处理路线图如图4所示。

    图4 介质堆信息监测图像处理路线图Fig.4 Flowchart of the medium pile monitoring image processing process

    边缘控制器将获得的介质堆影像数据进行处理，可绘制出介质堆的三维立体网格和坐标系，从而确定每一时刻介质堆的最高点和介质总质量，进而根据添加介质量确定介质取料点，并在介质剩余总量低于设定值时进行提醒。基于图像识别的边缘计算和最佳介质拾取点选择如图5所示。

    2.2 加介行车精确定位

    由于加工精度和使用方式的问题，加介行车一直未能实现高精度、高可靠的运行。加介行车精确定位系统采用激光雷达定位技术、编码器技术、变频器线性调频技术[8-10]，将加介行车的大车、小车以及加介电磁铁高度信息定义为X，Y，Z三向坐标，通过电气系统实时读取坐标信息，实现行车的匀加速、匀速、匀减速的精确控制。

    具体执行过程为：系统发出目标坐标点指令后，由电气系统通过变频器驱动大车、小车、加介电磁铁滚筒电机，并通过RS485总线实时获取激光雷达数据；
    根据激光雷达反馈数据，电气系统将线距离值转换为电控信号，使大车、小车、加介电磁铁到达指定坐标点；
    在大车和小车距离目标点30 cm的位置，电气系统启动匀减速驱动，避免大车和小车因惯性造成过冲现象。

    加介行车精确定位大幅提高了行车控制精度和加介电磁铁吸盘取料放料的精准度，实现了无人值守情况下的行车自动运行，避免了人工操作中人为误操作而导致的安全事故，有效降低了操作人员的劳动强度。智能加介系统加介行车现场图如图6所示。

    图6 智能加介系统加介行车现场图Fig.6 On-site view of the intelligent medium adding system running on overhead track

    2.3 行车防摆

    在卷扬式行车系统中，吊物的摇摆在行车运行过程中不可避免。吊物的摇摆除了会造成机械损伤，还会给生产造成极大的安全隐患。行车防摆系统通过安装在加介电磁铁中心点的九轴加速度传感器(三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计)实时获取电磁吸盘与地面的法向夹角及角速度值，并根据各方向矢量数据得出加介电磁铁的运动轨迹及运动趋势，再经过数据拟合曲线获得加介电磁铁摆动的最大夹角、最大瞬时速度及摆动周期。因单摆振幅与吊绳长度高度相关，可由安装于加介电磁铁驱动滚筒的编码器获取当前钟摆长度，通过深度学习，建立动态二次脉冲前馈防摇摆控制数学模型，来实现不同钟摆长度下的摆幅抵消，从而实现防摇摆闭环控制功能。行车的驱动采用可调变频控制技术，大车和小车及加介电磁铁滚筒电机均采用匀加速、匀减速主动防遥摆控制系统。介质库内的加介电磁铁如图7所示。

    图7 介质库内的加介电磁铁Fig.7 The medium adding electric magnet in medium depot

    2.4 浓介质配制到合格介质补加全流程自动化

    加介电磁铁上设置称量传感器[10]，浓介质桶的顶部安装有冲水管，冲水管上安装有电液动阀门和流量计，浓介质桶顶部还设有液位传感器；
    在加介管旁路安装压差密度计，可自循环测量浓介质密度。在生产过程中，控制器采集两个合格介质桶内合格介质密度值，并对实时密度值与设定密度值进行对比，当实时密度值小于设定密度值时，控制器控制加介泵对合格介质桶进行补介，使桶内合格介质密度逐渐上升，直至等于设定密度。

    系统采用PID控制技术对浓介质桶的加水量和介质添加量进行闭环控制[11]；
    通过积分控制调节供水电动阀门，可消除稳态误差，使每次供水均能准确达到设定的液位值；
    在给定加水量的情况下，通过行车自动进行加介操作，由于加介电磁铁的取介量不可调，单次为400 kg左右，因此生产中需通过二次补水解决浓介质的超调现象，使浓介质密度精准达到设定值。

    在重介质选煤工艺中，工艺参数的控制直接关系到分选效果的好坏。利用闭环控制系统对合格介质桶液位和合格介质密度进行控制，默认设置的参数包括合格介质桶最低液位和最高液位以及合格介质密度值。传统的 PID 控制方法存在无法满足控制精度要求的问题，系统采用模糊 PID 解耦控制方法解决了合格介质桶液位与合格介质密度之间的强耦合关系问题[12]，使配制的合格介质密度能够稳定在一个合理的区间内，从而在很大程度上改善了重介质选煤控制系统的控制性能，从而有效地提升了重介质选煤工艺的自动化和智能化程度，避免了人工操作的随意性，并减轻了人工劳动强度[13]。

    3.1 不同模式选择

    智能加介系统可在手动控制、远程控制、智能控制三种模式间转换，满足了生产现场的实际需要。

    (1)手动控制。在介质库通过触摸屏或者就地控制箱对加介系统进行控制，适用于生产现场设备调试和检修工况。

    (2)远程控制。在集控室实现对加介系统的单机或联机控制，在该模式下智能加介系统与阀门和泵存在一定的联锁或闭锁关系，使加介过程和密度控制联锁，当浓介质桶液位超高或者阀门故障时进行报警，提醒操作人员及时处理。

    (3)智能控制。根据合格介质的密度和合格介质桶液位等信息判断主厂房的加介需求，并编写 PLC程序。当需要添加介质时，自动控制加介系统执行加介操作，当合格介质桶液位满足生产需求后停止加介。

    3.2 计量功能

    智能加介系统通过安装于行车的称重传感器能够准确测量单次介质添加量，并由PLC进行数据采集并汇总至后台数据库。计量功能解决了以往人工统计造成的误差，消除了因人为误差造成的不确定性，实现了加水量、加介量的闭环控制[14-16]，为合格介质密度的精确控制提供了保障。

    3.3 自诊断报警功能

    智能加介系统中主要电气设备均具有动作超时报警、温度报警、电流过载报警功能，保障了系统运行的可靠性。

    3.4 数据统计功能

    智能加介系统可通过上位机组态软件对系统中重要参数进行统计汇总，并可按班次、天、月、年进行单项统计，有效提高了生产管理效率。

    基于计算机视觉的智能加介系统将现代电子技术、深度学习技术、计算机视觉及网络技术与电气系统相结合，将选煤厂介质添加工艺与生产自动控制、生产管理有机地融合在一起。智能加介系统成功投运后，每班可减少加介岗位工1人；
    可最大程度地减少介质的浪费和损失，经测算，应用智能加介系统可将加介、备介过程中产生的介耗降低50% ，年介耗可降低120 t，每年可减少介质支出5%；
    实现了从浓介质配制到合格介质补加的全流程自动化，有效稳定了分选密度，使精煤产率提高了0.6个百分点。按照每人年收入10万元计算，每班减少加介工1 人，年可节省人工成本30万元；
    介质价格按照1 105元/t计算，年可节约介质费用13.26万元；
    按照全年入选原煤270 万t，精煤利润360元/t计算，年可增加经济收益为360×270×0.6%=583.2万元。综上三项，应用智能加介系统后年可增加经济效益为30+13.26+583.2=626.46万元。

    目前，智能加介系统在付村煤业有限公司选煤厂已成功运行1年，系统运行稳定可靠，具备加介量自动计量、自动制备浓介质、自动加介的功能，实现了从浓介质配制到合格介质补加全流程的自动化和加介岗位无人值守。智能加介系统使介质添加方式从落后的人工控制转变为高效稳定的智能控制，进一步推动了以计算机视觉为核心的人工智能技术在选煤生产领域的应用与推广。

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