楊華亮 胡軍 盧健聰 喬富東 方仁德

摘 要：高溫輥道窯因節(jié)能、占地面積小、生產(chǎn)效率高，特別適合燒制建筑陶瓷產(chǎn)品。陶瓷輥棒是輥道窯起承載和傳輸作用的關鍵部件，輥棒能否正常旋轉(zhuǎn)帶動產(chǎn)品運行，并完成產(chǎn)品的正常燒結(jié)，直接影響輥道窯的正常使用以及生產(chǎn)效率，所以實時監(jiān)測輥棒是否正常旋轉(zhuǎn)成為保證窯爐正常使用的關鍵因素之一。本文從輥棒使用廠家的生產(chǎn)難題為落腳點，開發(fā)出了視覺攝像頭與傳感器結(jié)合方式，依靠人工智能圖像識別的軟件算法及傳感器監(jiān)測方法，對每根輥棒進行運行監(jiān)測，可以實現(xiàn)點對點精準無時間間隙的智能監(jiān)測、遠程監(jiān)測及報警、實現(xiàn)響應的功能，與此同時，可對輥棒使用壽命預測和及時更換輥棒提醒、輥棒使用損耗量的計算、輥棒選型的驗證等，實現(xiàn)輥棒管理的數(shù)字化和智能化，減少人力管理成本。

關鍵詞：斷棒;攝像頭;傳感器;壽命管理

1 前 言

陶瓷輥棒是輥道窯起承載和傳輸作用的關鍵部件，使陶瓷產(chǎn)品自窯頭向窯尾行進過程中完成產(chǎn)品的預熱、煅燒和冷卻過程。作為承載和傳輸作用的關鍵部件，輥棒是否正常旋轉(zhuǎn)帶動產(chǎn)品運行，并完成產(chǎn)品的正常燒結(jié)，直接影響輥道窯的正常使用以及生產(chǎn)效率，所以實時監(jiān)測輥棒是否正常旋轉(zhuǎn)成為保證窯爐正常使用的關鍵因素之一[1]。

但是，在實際生產(chǎn)過程中，監(jiān)測輥棒是否正常轉(zhuǎn)動較為困難，原因主要有兩點：一、為了提高產(chǎn)量，增加輥道窯爐爐長或?qū)挾瓤梢允垢嗟漠a(chǎn)品進入窯爐燒結(jié)，還會讓整個窯爐的溫度變化更加平順，提高燒結(jié)產(chǎn)品的品質(zhì)。但是現(xiàn)在較長的窯爐需要更多的輥棒，100 m長輥道窯需要輥棒多達約1000多根，人工監(jiān)測這么多輥棒費時費力;二是每條窯爐的輥棒轉(zhuǎn)速不完全一樣（有快有慢），這也為觀察輥棒旋轉(zhuǎn)狀態(tài)增加了難度。在窯爐燒結(jié)產(chǎn)品的過程中，一旦輥棒發(fā)生斷裂，而此時設備和人員沒有及時監(jiān)測出輥棒異常，則容易出現(xiàn)產(chǎn)品卡在窯爐內(nèi)，影響燒結(jié)效率和品質(zhì)，甚至還會出現(xiàn)輥棒大面積斷裂，最終導致窯爐堵塞和大面積的輥棒受損，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失。

為了保證輥道窯的良好運行狀態(tài)，窯爐工程師及管理者們想了許多辦法進行解決[2]，如工人巡視和鋼絲繩觸發(fā)報警[3]等，但往往達不到預期效果，出現(xiàn)漏報、錯報等現(xiàn)象而帶來較大生產(chǎn)質(zhì)量的損失。

2 斷棒監(jiān)測的現(xiàn)有技術

2.1 拉鋼絲繩

拉鋼絲繩的方法，如圖1所示，在輥棒上方設置相互靠近的鋼絲繩，當輥棒斷裂翹起時觸發(fā)報警，但是如果輥棒斷裂但又沒有翹起，則無法實現(xiàn)報警。該裝置雖然簡單，但無法定位斷裂輥棒的具體位置，還需要窯爐負責人員仔細查看，該方案容易誤報漏報，監(jiān)測效率低。

2.2 巡視法

巡視法，如圖2所示，一般由窯爐負責或相關人員在輥道窯兩邊進行巡視，由于燒成車間溫度較高，巡視人員一般騎自行車進行巡邏，這樣易造成視覺疲勞，出現(xiàn)漏報的現(xiàn)象;而行走方式進行巡邏，勞動強度較大，且對于巡邏的頻率難以科學的預測，全憑相關人員的責任心或公司的規(guī)定，該方法是最傳統(tǒng)的，在少部分陶瓷企業(yè)仍然采納。

3 斷棒監(jiān)測的智能技術

陶瓷行業(yè)的輥棒斷裂智能監(jiān)測一直以來都是客戶管控難點和痛點，目前行業(yè)內(nèi)此類智能監(jiān)測方法尚屬空白領域，市場前景將會很大，具備非常大的潛力。我司合作開發(fā)出兩種智能監(jiān)測技術，視覺攝像頭監(jiān)測技術和傳感器監(jiān)測技術。

3.1 視覺攝像頭技術

采用攝像頭機器視覺的智能監(jiān)測方式進行輥棒轉(zhuǎn)動監(jiān)測。

該方案主要由信息采集系統(tǒng)，視覺處理系統(tǒng)和后臺管理系統(tǒng)三個部分組成。

其中，信息采集系統(tǒng)：主要包括視覺攝像頭硬件及交換機，攝像頭組負責采集工件現(xiàn)場圖片，經(jīng)由交換機傳給視覺處理系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：采用集中服務器作為主控制器，接收交換機傳來的每個攝像頭的工件圖片，監(jiān)測工件是否出現(xiàn)壞掉情況，通過根據(jù)攝像頭標定，定位到具體工件編號。

后臺管理系統(tǒng)：后臺管理系統(tǒng)主要作為數(shù)據(jù)存儲，轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，客戶通過該系統(tǒng)能夠快速查看工件是否有損壞情況。

系統(tǒng)整體框圖架構如圖3所示。

該技術具體實施方法為：

（1） 在輥道高溫窯爐段待監(jiān)測的瓷棒位置前方，根據(jù)待監(jiān)測范圍，布置攝像頭，使攝像頭可以覆蓋待監(jiān)測的瓷棒范圍，并對瓷棒進行排序，使可以根據(jù)序號找到對應瓷棒。

（2） 當輥棒正常運轉(zhuǎn)時，通過一定的機器視覺監(jiān)測算法，該攝像頭可以自動分辨出轉(zhuǎn)動與不轉(zhuǎn)動的瓷棒，且無論瓷棒是否發(fā)生形變，都可以監(jiān)測得出，從而判斷出瓷棒是否發(fā)生斷裂。

（3） 當發(fā)現(xiàn)不轉(zhuǎn)動的瓷棒時，后端的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將發(fā)出報警信號及斷棒的序號，并顯示在用戶手機APP或監(jiān)控顯示器上。

（4） 用戶或監(jiān)測人員可以根據(jù)報警顯示的瓷棒序號，立刻定位找到斷裂的輥棒，及時更換斷裂的瓷棒，從而避免斷棒對整條生產(chǎn)線帶來的進一步損失。

3.2 傳感器監(jiān)測技術

該技術原理為：在正常工作狀態(tài)下，輥棒是在不斷轉(zhuǎn)動的，而當輥棒斷裂后，會導致其被動端無法再繼續(xù)轉(zhuǎn)動，而干簧管傳感器可以感應出安裝在瓷棒上的磁鐵，從而產(chǎn)生電信號，通過監(jiān)測周期性的信號，可以監(jiān)測出工件轉(zhuǎn)動與否，當長時間（輥棒旋轉(zhuǎn)一周）沒收到周期性信號，則可判斷該瓷棒停轉(zhuǎn)，即該輥棒發(fā)生斷裂。

該技術系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與后臺處理系統(tǒng)兩部分組成。

其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由工件本身加監(jiān)測傳感器+IO采集設備組成，每個傳感器監(jiān)測對應工件本身轉(zhuǎn)動情況，并將信號通過以太網(wǎng)技術，傳遞給后臺處理系統(tǒng)進行分析與判斷。

后臺處理系統(tǒng)則由集中服務器組成，其作用為接收前端傳感器發(fā)出的信號，并對傳感器信號進行濾波，監(jiān)測等處理，實時計算判斷有無停轉(zhuǎn)的輥棒，從而監(jiān)測出是否發(fā)生輥棒斷裂的情況。該方案系統(tǒng)框圖如圖4所示。

該方案具體實施方法為：

（1） 安裝及固定干簧管傳感器位置，由于該傳感器為點對點監(jiān)測，故需要在每一根瓷棒的前端下方垂直固定干簧管傳感器。

（2） 干簧管傳感器屬于電磁開關性質(zhì)的傳感器，故還需在每根瓷棒上固定一磁鐵，使干簧管可以監(jiān)測得到電磁信號。

（3） 當輥棒正常運轉(zhuǎn)時，瓷棒上的磁鐵也會隨之周期性旋轉(zhuǎn)，從而干簧管傳感器可以監(jiān)測到周期性的電信號。而當輥棒斷裂后，其端部停止轉(zhuǎn)動，從而會長時間沒有電信號產(chǎn)生或者一直有信號產(chǎn)生，據(jù)此即可判斷該輥棒發(fā)生斷裂。

（4） 當集中式處理器監(jiān)測到輥棒斷裂后，便可發(fā)送報警信號，并且由于傳感器與輥棒是一一對應的關系，因此可以很快定位到具體是哪一根輥棒發(fā)生了斷裂，并可以及時提醒監(jiān)測人員，采取相應措施，從而避免進一步損失。

以上兩種監(jiān)測方案均已通過實驗測試，可以監(jiān)測出輥棒運轉(zhuǎn)時，停轉(zhuǎn)的輥棒，并且及時報警指出，其實驗界面如圖5所示。

已測試情況包括：

單根輥棒停轉(zhuǎn)的情況-在輥棒停轉(zhuǎn)時，可成功監(jiān)測出斷棒并報警;

多根輥棒同時停轉(zhuǎn)的情況-在輥棒停轉(zhuǎn)時，可成功監(jiān)測并依次報警指出停轉(zhuǎn)的輥棒;

停轉(zhuǎn)輥棒恢復轉(zhuǎn)動的情況-當停轉(zhuǎn)輥棒恢復轉(zhuǎn)動后，便可以自動刷新，恢復正常監(jiān)測狀態(tài);

人為遮擋輥棒短時間的情況-由于監(jiān)測停轉(zhuǎn)時間可以人為設定，因此當發(fā)生人為短時間阻擋的情況時（比如路人經(jīng)過輥棒），可以自動過濾該種情況，不發(fā)生誤判。以上測試均多次順利實驗成功，技術方案可行。

4 輥棒使用壽命的管理

根據(jù)以上分析，采用先進智能傳感器及視覺攝像頭的解決方案，使在陶瓷產(chǎn)品的燒制過程中，可以及時準確監(jiān)測出斷裂的陶瓷輥棒，精確監(jiān)測斷裂的陶瓷輥棒的序號并通知給用戶，從而用戶可以快速處理斷裂的陶瓷輥棒，提高生產(chǎn)良品率和能耗效率，避免進一步的經(jīng)濟損失。此外，該解決方案還可以監(jiān)測斷裂的陶瓷輥棒的型號、規(guī)格、使用時間、斷裂時間等輥棒“身份證”，并記錄后傳送至后臺管理系統(tǒng)，進行系統(tǒng)分析，形成大數(shù)據(jù)供輥棒使用者、開發(fā)者進行系統(tǒng)地分析，對不同的窯爐工況下使用不同型號的陶瓷輥棒的使用壽命提出科學的預判，輥棒開發(fā)人員針對用戶的實際工況及斷棒情況進行針對性的改進，以便提供質(zhì)量更好的陶瓷輥棒服務建陶行業(yè)，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和降耗的雙豐收。

5 智能檢測及管理技術的評價

5.1 用戶管理效益

先進的信息系統(tǒng)可以增強企業(yè)的管理能力，通過智能監(jiān)測進行車間輥棒管理，為企業(yè)對內(nèi)管理優(yōu)化，對外快速響應提供了工具和依據(jù)。

5.2 用戶經(jīng)濟效益

通過智能監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時了解現(xiàn)場輥棒斷裂情況，從而可以及時更換斷裂的輥棒，防止整個窯爐塌陷，大大減少經(jīng)濟損失，提高企業(yè)創(chuàng)收能力。

5.3 經(jīng)濟效益分析

該項目產(chǎn)品每200 m長或2000支輥棒安裝智能監(jiān)控系統(tǒng)的成本為20萬元，一條輥道窯（365 m計算）安裝智能監(jiān)控系統(tǒng)不到40萬，且使用壽命較長，并可大幅度降低窯爐堵窯風險及損失，對于企業(yè)的生產(chǎn)制造而言，經(jīng)濟效益是不可估量的。

6 結(jié) 語

目前國家在大力推進智能制造及數(shù)據(jù)上傳云端的互聯(lián)網(wǎng)項目發(fā)展，本技術方案屬于智能制造改造的互聯(lián)網(wǎng)項目范疇，用戶可以向當?shù)卣暾埵褂弥悄芑b備的資金補貼，提高用戶使用智能化裝備的積極性，為該項目產(chǎn)品的推廣提供了政策性保障。金剛企業(yè)本身立足于陶瓷輥棒行業(yè)，一直以服務陶瓷行業(yè)為宗旨，非常了解建陶企業(yè)使用輥棒的痛點所在，為建陶行業(yè)的發(fā)展貢獻自己的力量。

通過該智能監(jiān)控及壽命管理系統(tǒng)可以達到以下功能：

（1）可精準、快速、實時了解現(xiàn)場輥棒斷裂情況，快速換棒，防止堵窯現(xiàn)象產(chǎn)生。

（2）了解一條窯斷棒損耗情況，能判斷是否在一個區(qū)域還是不同區(qū)域斷棒，進行針對性的解決問題。

（3）有利于了解不同型號輥棒在同樣工況下斷棒情況，進行對比研究。

參考文獻

[1] 于 巖 阮玉忠等. 陶瓷輥棒在輥道窯使用過程中晶相結(jié)構與性能變化 [J].結(jié)構化學， 2002， 21（5）： 572-576.

[2] 專家門診 如何避免輥道窯頭堵磚引起斷棒過多的預防措施 [J].佛山陶瓷， 2005，239（8）：73.

[3] 輥道窯斷棒報警裝置 ZL201120373246.5.