图像识别技术在处置超径石灰石中的应用

2022-06-08师华东

水泥技术 2022年3期

师华东

1 引言

水泥厂石灰石破碎及输送车间为水泥生产提供所需的石灰石，是水泥厂非常重要的一个车间。其中，受料坑石灰石超径堵料问题严重制约着生产线的稳定运行，已成为水泥企业优化生产的重点。水泥厂常采用液压破碎锤解决大块物料堵塞、下料不畅的问题，但在实际操作中，液压破碎锤的破碎效率并不高，无法有效解决石灰石超径的问题。

本文通过图像识别技术，判断实际生产中受料坑的大块物料情况，并及时将信息反馈给矿山开采工作人员，帮助工作人员合理调整矿山开采阶段的爆破行间距、爆破钻孔直径等参数，减少矿山开采时大块物料出现的频率。同时，利用识别出的信息也可加强水泥厂石灰石破碎及输送车间的生产管理，从根本上解决受料坑石灰石超径的问题，有利于提高石灰石破碎效率，避免石灰石生产工段不必要的停产。

2 受料坑石灰石超径现状

2.1 矿山开采

在生产实践中，自矿山开采的石灰石原料粒径很难控制及测量，大块物料较多，对生产影响较大。一直以来，矿山开采往往是靠经验判断原料的粒度和粒级，其准确性和可靠性均比较低，无法高效指导生产。有人曾尝试通过无人机高空摄像来统计矿山爆破后的大块物料情况，但由于高空识别技术不成熟、成本过高且仅能测量表层石灰石的粒径，这项技术便仅停留在探讨阶段。

2.2 生产管理

理论上而言，在矿山爆破后，将其中的大块物料用液压破碎锤破碎后再进行物料装载，能够解决物料超径的问题，但在生产实际中却很难操作。这是因为石灰石矿山的爆破开采与水泥生产原料的运输和使用，一般是由两家单位分别管理，无法对卡车装载的石灰石块粒度进行定量考核。

2.3 石灰石破碎效率

常规水泥厂石灰石破碎及输送车间的设备由受料坑、板式喂料机、破碎机、除尘器及风机、胶带输送机等组成。进入受料坑的石灰石粒径与矿山开采、生产管理及石灰石破碎效率有关。对于卸料至受料坑的石灰石超径问题，常规的处理方法多是将受料坑内的大块石灰石进行破碎或将其取出。另外，加强卸料管理，禁止卡车司机将大块石灰石卸入受料坑。以上处理方法均无法从根本上解决石灰石超径问题。

3 受料坑石灰石超径治理系统整体设计方案

矿山开采后，进入受料坑的石灰石粒度合适是保证石灰石圆堆储量的基础，同时，受料坑内的石灰石粒度数据又可反向指导矿山开采。通过矿山开采的矿石粒径分布实际数据，校验其设计值，可有效缩小设计值和实际生产值之间的偏差。另外，破碎机本身也需要满负荷供料，堵料将影响破碎机生产效率。

有效利用目前成熟的图像识别技术，将矿山开采、石灰石破碎、生产管理三者有机结合，能够较好地解决受料坑石灰石超径的问题。受料坑石灰石超径治理系统流程如图1所示。

图1 受料坑石灰石超径治理系统流程

采用图像识别技术，通过对受料坑石灰石进行图像识别，既可算出石灰石的粒径分布，也能识别出超径的大块石灰石，并统计相关信息反馈给矿山；矿山通过调整爆破行间距、钻孔直径、炮孔深度、装药量等参数，优化开采，可避免大块石灰石的出现。同时，也可将石灰石超径数据反馈给生产管理系统，通过对操作人员进行KPI 考核，避免大块石灰石装车并倒入受料坑。

另外，通过图像识别技术收集的受料坑石灰石粒径分布数据，还可和破碎机电耗数据一起进行统计分析，找出系统生产低能耗、低成本、高效率的最优平衡点。理论上讲，石灰石粒径数据越小，破碎机做功效率越高，电耗越低，具体需结合工况进行调整。生产实际中，结合爆破行列间距、爆破钻孔直径、给料粒度粒级、破碎机与粒径数据等参数进行整体分析优化，可有效平衡爆破成本、破碎机效率、生产量和磨机电耗等各个环节的工艺参数、效率和均摊成本，找到产量最高、成本最低的经济效益平衡点，发挥破碎系统的最优运行效率。

4 图像识别系统介绍

4.1 图像识别系统的组成

图像识别系统使用工业级高清相机采集受料坑里的运动石灰石图像，利用机器视觉、图像处理技术及统计分析算法，对受料坑里的石灰石粒度组成及大块石灰石粒径进行实时统计，可实现对大、中、小块石灰石颗粒占比情况、最大石灰石粒径等参数的有效在线检测。

图像识别系统主要由工业相机子系统、照明子系统、机械支架子系统、计算机子系统等组成。工业相机子系统和照明子系统安装在机械支架子系统上，对准受料坑。现场照明及工业相机子系统的用电由电控柜提供。工业相机在照明子系统的配合下，实时采集受料坑里的石灰石图像，同时，洁净高压空气可以吹走镜头前方的灰尘，保持采集图像清晰。石灰石图像通过网线传输到现场PLC，现场电控柜内装有光电转换器，可将石灰石图像信号通过光纤传至中控室，在远离现场的中控室也可清楚了解现场石灰石粒径的情况。中控计算机子系统上的软件通过处理图像获得并显示石灰石粒度信息。图像识别系统能够实现以下功能：实时采集、显示、分析石灰石粒度图像，实时展示石灰石图像的分割效果，用实时曲线展示矿石粒径组成情况的变化趋势，实时统计物料运输车辆中超径石灰石块的数量，存储数据和传输数据，将数据接入DCS 或其他智能控制系统。

4.2 图像识别流程

图像识别流程如图2所示，图像识别画面如图3所示。在卡车卸料口处布置对射光栅和红绿灯，绿灯开启时，司机利用倒车镜停车倒料。对射光栅一般采用红外对射的原理，采用多束红外光对射，发射器以“低频发射、时分检测”的方式向接收器发出红外光，一旦有卡车挡住了发射器发出的任何相邻两束以上光线超过30ms 时，接收器立即输出报警信号。PLC 控制柜接收到对射光栅的报警信号后，开启图像识别系统，通过摄像头记录卡车的车牌号。图像识别系统可以对卡车上是否有超径石灰石块进行识别并发出警报，提醒卡车司机不可将超径石灰石块倒入受料坑。系统还可以对进入卸车坑的石灰石块进行粒径分布统计和超径识别，并将数据反馈给中控室。当完成卸料，司机开车离开后，对射光栅信号消失，图像识别系统关闭，红灯开启。对射光栅、图像识别系统、红绿灯相互联锁，完成整个图像识别过程。遇高强度卸车需求时，图像识别系统可设置为连续性工作方式。

图2 图像识别系统流程

图3 图像识别画面

4.3 图像识别系统的功能及分析方法

图像识别系统中的石灰石粒度在线分析设备，可以方便地安装在受料坑框架上，通过FPGA处理板卡和视频技术处理，分级输出目标粒级的个数。普通粒径石块由蓝色框线识别，超径石块由红色框线识别。粒度在线分析设备还可自适应卸车时石灰石的运动及粒径的变化，实时测量石灰石粒度，通过光纤将测得的数据传输至中控室，使操作人员在中控室即可远程实时查看受料坑石灰石粒度分割图像及粒度分布信息，统计超径石块并及时进行相应操作。

图像识别系统通过工业以太网进行数据传输，可对矿山开采、破碎机运行提供数据支撑。系统通过高清摄像机在线实时采集每个受料坑的超径石灰石数据，利用视觉识别技术进行粒度识别计算分析。图像识别系统的粒度识别分析过程如下：

（1）对比度调整：增强图像的对比度。

（2）高过滤处理：锐化颗粒边界。

（3）低过滤处理：去除背景噪声，提高颗粒识别水平。

（4）阈值调整处理：寻找透明颗粒的边界。

（5）定位颗粒：按照设计的算法对图像进行搜索和处理，识别出形成每个颗粒的所有像素，基于遍历树算法，对颗粒的像素和其临近像素依次处理，决定其是否属于相同的颗粒，最终识别出每个颗粒所属的像素，保存颗粒的拓扑信息，并逐一进行处理，得到粒度大小和粒形信息。

（6）过程参数调整：调整颗粒圆度、长细比、形状因子、等效直径、凹凸度、椭圆度、周长、表面粗糙度、表面积、球形度、最小外接圆、等效面积、外包矩形、长轴、短轴、延长度等。