機器視覺在圓盤造球機自動化控制中的應(yīng)用

王 亞，龐 茜，孫 爽

(天津市三特電子有限公司，天津 436056)

0 引言

目前國內(nèi)球團廠的球團生產(chǎn)線主要采用鏈箅機-回轉(zhuǎn)窯的工藝流程。其中，球團造球生產(chǎn)工藝是生產(chǎn)線的重要工序，穩(wěn)定的造球生產(chǎn)工藝對提高生球質(zhì)量和產(chǎn)量具有重要意義[1]。造球機是球團造球生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵設(shè)備，目前造球機有圓筒造球機和圓盤造球機兩種，其中圓盤造球機應(yīng)用更加廣泛，其主要部件是傾斜的鋼制圓盤[2]。

造球過程的穩(wěn)定精確控制是球團廠經(jīng)濟技術(shù)指標的重要考量因素，因此生產(chǎn)穩(wěn)定且質(zhì)量好的生球成為球團生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。目前造球生產(chǎn)工藝主要參數(shù)仍依靠現(xiàn)場操作人員經(jīng)驗與感覺進行主觀調(diào)整，具有不可靠、不穩(wěn)定、效率低等特點，現(xiàn)有造球機雖大都配備一系列控制裝置，但仍處于低水平的單參數(shù)值人工調(diào)節(jié)。

基于以上情況天津市三特電子有限公司研究與開發(fā)了圓盤造球機自動造球控制系統(tǒng)，運用當前機器視覺的高分辨率硬件采集技術(shù)，準確實時地獲取生球粒徑分布情況。

1 檢測系統(tǒng)組成及流程

1.1 系統(tǒng)組成

生球粒徑檢測系統(tǒng)硬件部分由工業(yè)相機和鏡頭、服務(wù)器、光源、固定架、其他控制器組成，單球盤檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。結(jié)合球盤實際情況，工業(yè)相機選用了高分辨率、高幀率的?？低昅VC-A050-GM相機，鏡頭選用6 mm焦距。光源選用大功率LED光源，降低外界自然光亮度變化明顯的影響，且設(shè)計為雙光源，在相機兩側(cè)打光的方案，消除光照陰影。

圖1 檢測系統(tǒng)示意圖

1.2 流程

機器視覺生球粒徑檢測分析系統(tǒng)利用安裝在圓盤造球機成球區(qū)的工業(yè)相機，實時采集生球圖像，然后利用光纖收發(fā)器將圖像傳輸給服務(wù)器，服務(wù)器上運行的軟件采用圖像識別算法，實時處理與分析，得到的圖像生球粒徑及對應(yīng)區(qū)間分布比例作為后續(xù)自動造球系統(tǒng)模型反饋輸入值，具體工作流程見圖2。安裝完工業(yè)相機及光源等硬件設(shè)備后，調(diào)相機光圈及調(diào)焦至圖像清晰，然后調(diào)曝光時間、幀率、增益等，調(diào)節(jié)圖像亮度至正常，設(shè)置圖像存儲路徑和計算結(jié)果數(shù)據(jù)保存路徑。以上設(shè)置完畢后，運行軟件將進入自動檢測狀態(tài)，依次完成圖像處理及檢測粒度分布等，并與后端控制系統(tǒng)連接，可設(shè)定目標值粒度，進入自動控制模式。

圖2 工作流程圖

2 圖像處理

粒徑檢測的工作流程包含圖像預(yù)處理、生球分割、粒度測定三部分。圖像預(yù)處理采用濾波去噪；生球分割包括圖像分割、生球區(qū)域填充及剔除不完整生球；最后是粒度測定部分，包括計算生球截面積和統(tǒng)計粒度分布。

2.1 圖像預(yù)處理及分割

預(yù)處理及分割的主要過程：①將采集的圖像灰度化，對灰度圖像濾波去噪，圖像增強，增加目標物生球與背景的對比度，將生球邊緣盡可能清晰地顯現(xiàn)出來。②將經(jīng)過預(yù)處理的圖像做閾值分割，得到與真實粒徑具有一致屬性的區(qū)域，填充各區(qū)域的小孔，填充后區(qū)域個數(shù)不變，采用分割算子進行全局閾值分割，得到各像素對應(yīng)的區(qū)域。③將得到的圖像進行腐蝕，腐蝕是刪除對象邊界某些像素，用圓形結(jié)構(gòu)元素將小于設(shè)定半徑的區(qū)域腐蝕掉。④然后把鄰域內(nèi)8連通區(qū)域歸納為一個區(qū)域，后續(xù)感興趣區(qū)域提取提供便利。⑤計算所有輸入?yún)^(qū)域的特征，如果計算的特征在最小和最大值區(qū)間，則將每一個符合要求的區(qū)域或者至少一個符合要求的區(qū)域復(fù)制到最終的區(qū)域中。⑥擴大圓形結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的區(qū)域，使用圓形結(jié)構(gòu)擴展區(qū)域。采用算子用于填充區(qū)域間的空白或分割重疊的區(qū)域，然后利用給定區(qū)域分割圖像。⑦將區(qū)域轉(zhuǎn)化成一個二進制圖像，經(jīng)過圖像形態(tài)學(xué)算法處理的圖像和物料輪廓的圖像做減法運算。

分割后的二值圖像見圖3。

圖3 原圖和分割圖

2.2 生球粒徑檢測

對二值化圖像進行粒徑檢測，檢測流程：①標記圖像。采用區(qū)域標記，對料球區(qū)域邊界跟蹤，將圖像中所有料球區(qū)域的邊界標以不同的序號，然后將每個料球區(qū)域內(nèi)部像素標以區(qū)域邊界相同的標號[3]。②檢測粒徑。標記完成后，統(tǒng)計各料球區(qū)域的邊界像素之和作為該區(qū)域邊界的周長。③求出料球輪廓的圓形度，將圓形度小于設(shè)定值的球團料當作不完整料球剔除。④數(shù)據(jù)計算。假設(shè)圖像中每塊為圓形，得到每塊的表面積后，利用公式S=πr2得到其近似半徑；用計算出來的近似半徑對該塊進行分類，將其歸為某一粒度級別的原料；算出所有塊的粒度后計算平均粒度，即單塊質(zhì)量乘以粒度求和后再除以總質(zhì)量；統(tǒng)計一定時間內(nèi)所有物料塊的平均粒度，并將每一個物料塊的面積值累加到對應(yīng)分布區(qū)間，即可計算出每個分布區(qū)間的百分比。

現(xiàn)場人工篩分的粒度分布與軟件機器測得的粒度分布值進行對比，對比結(jié)果見圖4，誤差小。

圖4 人工與機器篩分數(shù)據(jù)對比

3 無人化控制技術(shù)

將軟件測得的粒度分布檢測結(jié)果實時與后端控制系統(tǒng)連接，可設(shè)定目標值粒度，進入自動控制造球模式。正常生產(chǎn)時，調(diào)完造球機傾角后就固定傾角不再變動，主要調(diào)節(jié)給水量、造球機轉(zhuǎn)速、給料量，這三個動態(tài)可調(diào)是對生球質(zhì)量產(chǎn)生直接影響的因素。

3.1 給水量控制

礦料成球的重要因素之一是水分，控水裝置主要由電磁流量計、電動調(diào)節(jié)閥、備用旁路球閥、滴水裝置構(gòu)成。滴水噴頭及霧水噴頭的數(shù)量及安裝位置依據(jù)實際生產(chǎn)加水精度確定，建議單球盤加水上限在1.0 m3/h左右。

加水使用滴水噴頭或霧水噴頭，滴水噴頭加水速度快、加水量大，能夠較快提升混合物料水分，促進生球形成，加快母球成長速度。但滴水開啟后，容易造成母球數(shù)量過多，在盤內(nèi)時間過短等問題，也會在后續(xù)生產(chǎn)中增加返料量，產(chǎn)生大量顆粒。霧水噴頭加水速度慢、加水量小，且水呈霧狀噴射，細小且分散，對毛細水和重力水有很好的控制，使其處于適宜范圍。一般球團生產(chǎn)同時有滴水和霧水裝置，這就需要有兩套流量計和電動調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)流量計和閥門使水分處于造球水分最優(yōu)值，最優(yōu)值是根據(jù)生球抗壓強度和落下強度決定，不同的原料有不同的造球水分最優(yōu)值。造球過程中，若原料水分低于造球水分最優(yōu)值，則需補加少量的水。造球加減水過程中，當小球占比百分比超過設(shè)定限度或大球占比百分比超過設(shè)定限度時，啟動調(diào)水程序，否則維持水量不變。加減水在每個程序控制周期內(nèi)增加或減少水量。

3.2 造球機轉(zhuǎn)速控制

由于圓盤造球機是圓盤形狀，其轉(zhuǎn)速即圓周的角速度，當圓盤造球機的尺寸確定，且調(diào)完并固定造球機傾角，圓周轉(zhuǎn)速的范圍也就確定，周速不能過小與過大，只能在此范圍內(nèi)浮動調(diào)節(jié)。若周速過小，則物料由于離心力太小而甩不到盤頂部，就使母球區(qū)變空，物料和母球下落，盤面大面積未被使用，利用率低下，影響生產(chǎn)。若周速過大，則物料由于離心力太大而被甩到盤邊，同樣母球區(qū)變空，物料和母球無法根據(jù)粒級大小進行區(qū)分，母球成長過程隨即停止。因此，適宜的轉(zhuǎn)速使物料在盤面正常滾動，且不同粒級有規(guī)律運動。

圓盤開盤后由靜止到轉(zhuǎn)動的過程，隨著轉(zhuǎn)盤速度的提升，造球的生球合格率會出現(xiàn)類似拋物線的趨勢，先增大后減小。不同尺寸球盤的轉(zhuǎn)速最佳值也不同，一般是8～10 r/min，當轉(zhuǎn)速小于轉(zhuǎn)速最佳值時，離心力小，物料能上升到的高度低，因此出料點低，從出球區(qū)出的球粒徑小，含粉末較多。當轉(zhuǎn)速大于轉(zhuǎn)速最佳值時，離心力大，盤內(nèi)易形成無料狀態(tài)。

2臺造球機進行主電機變頻改造，改造后實現(xiàn)圓盤造球機轉(zhuǎn)速可控。轉(zhuǎn)速的設(shè)定由生球粒徑主導(dǎo)，粒徑較大時降低轉(zhuǎn)速，粒徑較小時增大轉(zhuǎn)速。

3.3 給料量控制

該公司合作的球團企業(yè)圓盤傾角為46°，轉(zhuǎn)速8 r/min，鐵精礦水分含量為7.5%，給料量50 t/h，可通過給料設(shè)定控制料量大小。給料機給料量的調(diào)節(jié)主要通過改變刮刀所在的位置和改變圓盤轉(zhuǎn)速。

對2臺造球機4套旋轉(zhuǎn)刮刀進行電機變頻改造，改造后實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)刮刀轉(zhuǎn)速可控，球盤旋轉(zhuǎn)刮刀的作用主要是使盤底保持必要的料層(底料)厚度，并控制球料的運動狀態(tài)。當盤速與刮刀轉(zhuǎn)速匹配不好則會造成盤底不平，異物大塊增多的現(xiàn)象。所以針對不同填充率，上料量和轉(zhuǎn)速需要調(diào)節(jié)大小旋轉(zhuǎn)刮刀的速度來造球。此次自動造球?qū)⒃鹊亩ㄋ俟蔚峨姍C更換為變頻電機，變頻信號進 PLC 控制系統(tǒng)，由自動造球系統(tǒng)進行計算機仿真后生成運動模型，并實時控制調(diào)試匹配球盤轉(zhuǎn)速。

4 應(yīng)用效果

通過生球粒徑檢測方法與多種控制方法相結(jié)合，共同實現(xiàn)了造球機自動造球。系統(tǒng)操作界面見圖5，可設(shè)定出數(shù)據(jù)時間，一般是45 s，實時合格球占比曲線見圖6，自動造球效果非常穩(wěn)定。

圖5 系統(tǒng)控水界面

圖6 數(shù)據(jù)及曲線顯示界面

自2021年5月運行以來，該日產(chǎn)7 600 t的球團生產(chǎn)線已對兩臺圓盤造球機安裝自動造球裝置，正常運行2臺，濕返料50～70 t/h，鏈箅機長60 m寬4.5 m，鏈箅機機速3.5～3.7 m/min，回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈周期70天。自動造球系統(tǒng)能夠滿足球團工藝生產(chǎn)的質(zhì)量及產(chǎn)量要求，合格率持續(xù)穩(wěn)定，比應(yīng)用該系統(tǒng)前人工操作合格率提高10%以上。

5 結(jié)語

本文介紹了機器視覺技術(shù)在造球機中的應(yīng)用，通過視覺圖像分析技術(shù)獲得生球粒徑數(shù)據(jù)，反饋到后端控制系統(tǒng)，調(diào)整給水、給料與轉(zhuǎn)速等參數(shù)，實現(xiàn)自動造球技術(shù)，為球團企業(yè)指導(dǎo)生產(chǎn)解放生產(chǎn)力做出貢獻。