王文慶 許良 張憧憬 徐玉朋

摘? 要：輸煤棧橋積煤積粉對(duì)生產(chǎn)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，目前主要采用人工沖洗或清理的方式處理，該方式不僅費(fèi)力，浪費(fèi)水源，且存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。輸煤棧橋自動(dòng)沖洗系統(tǒng)，由自動(dòng)沖洗子系統(tǒng)和機(jī)器視覺(jué)控制子系統(tǒng)組成。自動(dòng)沖洗子系統(tǒng)采用分區(qū)域、分組布置，通過(guò)分批次開(kāi)啟實(shí)現(xiàn)對(duì)棧橋地面的沖洗，可在較少耗水量的條件下，達(dá)到更有效的沖洗效果;機(jī)器視覺(jué)控制子系統(tǒng)通過(guò)相機(jī)拍攝，然后將照片傳回電腦，利用獨(dú)自開(kāi)發(fā)的程序軟件識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)判斷是否開(kāi)啟噴頭，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化作業(yè);所開(kāi)發(fā)的自動(dòng)沖洗系統(tǒng)顛覆了傳統(tǒng)的棧橋積煤積粉清理方式，在對(duì)解放人力、降低風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)環(huán)保等方面均取得較好的實(shí)用效果。

關(guān)鍵詞：輸煤棧橋? 自動(dòng)沖洗? 機(jī)器視覺(jué)? 經(jīng)濟(jì)環(huán)保

中圖分類號(hào)： TB492? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

Abstract： Coal powder accumulated on trestle bridge causes serious pollution to the production environment. At present， it is mainly treated by manual washing or cleaning， which not only wastes manpower and water， but also has great safety risk. The automatic washing system of coal conveying trestle consists of automatic washing subsystem and machine vision control subsystem. The automatic washing subsystem is divided into regions and groups， and the trestle floor can be washed by opening it in batches， which can achieve more effective washing effect under the condition of less water consumption. The machine vision control subsystem shoots through the camera， and then sends the photos back to the computer， using the independently developed program software to identify the scene to determine whether to open the nozzle， to achieve unmanned operation; The developed automatic washing system overturns the traditional way of cleaning coal and powder on trestle， and achieves good practical effects in terms of liberating manpower， reducing risks and economic and environmental protection.

Key Words： Coal transport trestle; Automatic washing; Machine vision; Economic and environmen

國(guó)家電投集團(tuán)協(xié)鑫發(fā)電有限公司8號(hào)皮帶機(jī)輸煤棧橋長(zhǎng)度超過(guò)100 m，寬8.6 m，頭尾部高低差近20 m，棧橋上安裝A/B兩路皮帶機(jī)，皮帶機(jī)在運(yùn)輸煤的過(guò)程中有大量粉塵煤渣不斷地落在棧橋上，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1]。火力發(fā)電廠輸煤棧橋上目前對(duì)粉塵煤渣的治理方式大多數(shù)為從源頭上和沿程上進(jìn)行治理。從源頭上，九江發(fā)電有限公司[2]在輸煤系統(tǒng)中安裝新型DSX雙旋流水膜除塵器和新型DSF負(fù)壓吸塵導(dǎo)料槽相結(jié)合的方式來(lái)抑制煤渣和粉塵;鞍山師范學(xué)院[3]設(shè)計(jì)了一種可編程控制器，對(duì)輸煤棧橋中產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行“堵、吸、送”，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制;浩良河化肥廠[4]將原碎煤機(jī)更換為密封性能好、鼓風(fēng)量小的環(huán)錘式碎煤機(jī)，各轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)的導(dǎo)煤槽加裝增濕霧化噴嘴，這些措施只能從源頭限制一定量粉塵，仍然會(huì)有大量粉塵煤渣落入輸煤棧橋。從輸煤棧橋沿程上，目前常用的清除方式為工人用水管沖洗，此方式耗時(shí)、耗水、耗人力，并且清除效果不佳[5]。為了解決沿程上存在的薄弱環(huán)節(jié)，該文研制了一套自動(dòng)沖洗系統(tǒng)，該系統(tǒng)于2021年5月正式調(diào)試投入使用，取得了良好的效果。

1? 方案設(shè)計(jì)

在保留原有人工沖洗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，新增一套自動(dòng)沖洗子系統(tǒng)和機(jī)器視覺(jué)控制子系統(tǒng)。人工沖洗就是工人手持水管從輸煤棧橋的最高端依次沖洗到最低端的排水溝[6]，既費(fèi)力又浪費(fèi)水源，并且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，為了解決此問(wèn)題，新增自動(dòng)沖洗系統(tǒng)。

1.1? 自動(dòng)沖洗子系統(tǒng)

整個(gè)棧橋車間分為皮帶機(jī)下面棧橋區(qū)域和皮帶機(jī)兩側(cè)臺(tái)階區(qū)域，皮帶機(jī)下面安裝噴嘴和皮帶機(jī)兩側(cè)安裝噴嘴分別對(duì)應(yīng)于圖1所示的棧橋區(qū)域和圖2所示的臺(tái)階區(qū)域。

臺(tái)階及棧橋沖洗模塊時(shí)，采用分區(qū)域、分組布置，并對(duì)各區(qū)域分組進(jìn)行編號(hào)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制下，分批次開(kāi)啟分別對(duì)各臺(tái)階及棧橋區(qū)域?qū)虻孛孢M(jìn)行沖洗。

圖3為A路臺(tái)階及棧橋沖洗模塊布管局部圖。各分支管分別進(jìn)行編號(hào)，A路皮帶沖洗系統(tǒng)，布管分為3個(gè)區(qū)域，A1和A3區(qū)域分別沖洗旁邊的臺(tái)階和中間臺(tái)階，其中A3布管在B路中間架上固定，從B路皮帶方向往A路皮帶沖洗中間臺(tái)階，將煤渣沖入皮帶下方棧橋內(nèi)。沖洗3個(gè)區(qū)域的沖洗順序是A1、A3、A2。

從圖4可以看出，B路皮帶沖洗系統(tǒng)，布管分為3個(gè)區(qū)域，B1和B3區(qū)域分別沖洗旁邊的臺(tái)階和中間臺(tái)階，其中B3布管在A路中間架上固定，從A路皮帶方向往B路皮帶沖洗中間臺(tái)階，將煤渣沖入皮帶下方棧橋內(nèi)。沖洗3個(gè)區(qū)域的沖洗順序是B1、B3、B2。

棧橋沿程每隔3 m布置一個(gè)水沖洗支管，每個(gè)直管上設(shè)置控制閥，以控制各直管開(kāi)啟和關(guān)閉。分別對(duì)各支管進(jìn)行分組，分為A、B、C、D這4組，由自動(dòng)控制系統(tǒng)控制其分批次開(kāi)啟。即皮帶機(jī)啟動(dòng)后，執(zhí)行以下預(yù)設(shè)流程（間隔時(shí)間10 min（可調(diào)）后）：（1）開(kāi)啟A組沖洗0.5 min（可調(diào)）隨后關(guān)閉;（2）A組關(guān)閉的同時(shí)，開(kāi)啟B組沖洗0.5 min（可調(diào)）隨后關(guān)閉;（3）B組關(guān)閉的同時(shí)，開(kāi)啟C組沖洗0.5min（可調(diào)）隨后關(guān)閉;（4）C組關(guān)閉的同時(shí)，開(kāi)啟D組沖洗0.5 min（可調(diào)）隨后關(guān)閉;循環(huán)3個(gè)周期（可調(diào)）后進(jìn)入間隔時(shí)間10 min。實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，根據(jù)棧橋的沖洗效果，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整?？刂屏鞒倘鐖D5所示。

在自動(dòng)沖洗子系統(tǒng)中安裝了激光對(duì)射傳感器，當(dāng)有人進(jìn)入正在工作的沖洗區(qū)域時(shí)，傳感器就會(huì)檢測(cè)到人的出現(xiàn)，反饋給PLC，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)暫時(shí)的關(guān)閉，保護(hù)了工人的安全。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖洗子系統(tǒng)噴嘴啟停的方法有兩種：

（1）當(dāng)皮帶機(jī)輸煤開(kāi)始一段時(shí)間后，自動(dòng)沖洗子系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，按沖洗流程進(jìn)行整個(gè)棧橋車間的沖洗，皮帶機(jī)開(kāi)始輸煤到自動(dòng)沖洗子系統(tǒng)開(kāi)啟的間隔時(shí)間和系統(tǒng)噴嘴啟停通過(guò)PLC進(jìn)行控制，PLC型號(hào)為西門(mén)子S7-200SMART，圖6為PLC的程序段。

（2）遠(yuǎn)程控制分為輸煤程控控制和移動(dòng)設(shè)備小程序控制兩種模式，兩種模式可相互兼容。在連網(wǎng)狀態(tài)下，可在移動(dòng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程控制，且可實(shí)現(xiàn)棧橋上某一支路噴嘴的啟?？刂疲瑢?shí)現(xiàn)局部沖洗。操作界面如圖6所示。

1.2? 機(jī)器視覺(jué)控制子系統(tǒng)

機(jī)器視覺(jué)控制子系統(tǒng)用于棧橋上堆積粉塵煤渣比較多且一次性難沖洗干凈的區(qū)域，該系統(tǒng)由1臺(tái)相機(jī)和1臺(tái)電腦連接組成，電腦安裝機(jī)器視覺(jué)軟件來(lái)分析相機(jī)所拍攝的照片。

通過(guò)視覺(jué)軟件識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)的工況和標(biāo)準(zhǔn)工況的圖像差異進(jìn)行噴嘴的調(diào)節(jié)、關(guān)斷等控制，因此此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)人化作業(yè)，通過(guò)攝像機(jī)自動(dòng)定時(shí)拍攝現(xiàn)場(chǎng)圖片并傳回電腦來(lái)自動(dòng)辨別現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地有無(wú)煤渣，可以自動(dòng)啟停噴嘴。實(shí)施方式：通過(guò)光源對(duì)檢測(cè)區(qū)域照明，相機(jī)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行拍攝，機(jī)器視覺(jué)軟件通過(guò)AI算法，將沖干凈區(qū)域與有煤渣區(qū)域進(jìn)行判定，并把結(jié)果輸出給PLC，PLC來(lái)控制噴嘴開(kāi)關(guān)。圖7 為攝像機(jī)拍攝區(qū)域。

機(jī)器視覺(jué)控制子系統(tǒng)的核心為機(jī)器視覺(jué)軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括以定位、測(cè)量為主的傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)算法和以深度學(xué)習(xí)為主的檢測(cè)算法。

1.2.1機(jī)器視覺(jué)底層算法庫(kù)的開(kāi)發(fā)

（1）基于幾何特征的高性能模板匹配。

（2）強(qiáng)干擾環(huán)境中的直線、圓檢測(cè)算法。

邊緣濾波算法主要分為一階濾波和二階濾波算法。一階濾波算法的判斷標(biāo)準(zhǔn)是選擇梯度幅值極大值的位置，如：sobel算法;二階濾波算法是選擇導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)位置，如：Laplace算法，其中是濾波函數(shù)。

（3）邊緣保持的濾波算法。

該文提出一種高效的邊緣保持的圖像濾波算法，在去噪的同時(shí)保持原始特征邊緣位置，將濾波造成的匹配精度影響減小，具體計(jì)算步驟如下：

（4）圖像中的邊緣提取算法。

1.2.2基于深度學(xué)習(xí)的產(chǎn)品外觀缺陷檢測(cè)算法

現(xiàn)有的基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像分割算法以及圖像檢測(cè)算法在低分辨率（像素面積小于100萬(wàn)）的圖像上都取得了不錯(cuò)的效果，但是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)巨大，硬件資源有限，無(wú)法直接在高分辨的圖像上應(yīng)用。高分辨圖像的缺陷檢測(cè)是迫切解決的問(wèn)題，為此該文提出了一種基于粗檢測(cè)—細(xì)分割兩階段的缺陷檢測(cè)算法。

粗檢測(cè)—細(xì)分割整體的算法結(jié)構(gòu)如圖8所示，此算法一共包含兩個(gè)階段：第一階段，將高分辨率的缺陷圖片輸入到小而精的目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行粗檢測(cè)得到圖像的缺陷區(qū)域塊。第二階段，將得到的圖像缺陷塊送入強(qiáng)大的分割網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行像素級(jí)別的分割。小而精的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，可以適用于高分辨率的圖像，分割網(wǎng)絡(luò)可以提高檢測(cè)的精度。

噴嘴是否開(kāi)啟的判定標(biāo)準(zhǔn)具體如下。

（1）視覺(jué)軟件通過(guò)深度學(xué)習(xí)方式，將地板本身不良區(qū)域和未沖干凈區(qū)域區(qū)分。

（2）對(duì)于煤渣造成的地板顏色變深，軟件通過(guò)對(duì)比灰度參數(shù)進(jìn)行判斷，用戶可針對(duì)實(shí)際情況調(diào)整參數(shù)，當(dāng)?shù)匕孱伾^(guò)自己的設(shè)定值時(shí)噴嘴自動(dòng)打開(kāi)。

（3）檢測(cè)精度理論上2 mm×2 mm的面積軟件都可有效檢測(cè)，用戶也可針對(duì)面積大小過(guò)濾的方式進(jìn)行調(diào)整。

2沖洗試驗(yàn)及效果分析

2.1試驗(yàn)方案

該試驗(yàn)所用試驗(yàn)儀器為計(jì)時(shí)器、流量表等。采用人工沖洗和自動(dòng)沖洗系統(tǒng)相互對(duì)比的試驗(yàn)方法，對(duì)改造前后的時(shí)間、勞動(dòng)力、水資源、安全性等因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

（1）用計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)進(jìn)行整個(gè)棧橋車間的沖洗對(duì)比試驗(yàn)，第一步，工人用水管進(jìn)行整個(gè)棧橋車間的沖洗，并進(jìn)行計(jì)時(shí);第二步，在移動(dòng)設(shè)備小程序控制界面上開(kāi)啟沖洗系統(tǒng)，按流程對(duì)整個(gè)棧橋車間進(jìn)行沖洗，并進(jìn)行計(jì)時(shí)，以上試驗(yàn)重復(fù)3次。（2）用流量計(jì)進(jìn)行整個(gè)棧橋車間的沖洗對(duì)比試驗(yàn)，第一步，工人用水管進(jìn)行整個(gè)棧橋車間的沖洗，并讀取流量;第二步，在移動(dòng)設(shè)備小程序控制界面上開(kāi)啟沖洗系統(tǒng)，按流程對(duì)整個(gè)車間進(jìn)行沖洗，并讀取流量，以上試驗(yàn)重復(fù)3次;并對(duì)每次試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行拍照記錄。

2.2 效果及分析

（1）通過(guò)計(jì)時(shí)器可得，人工沖洗一次棧橋所用時(shí)間為3小時(shí)左右，自動(dòng)沖洗系統(tǒng)為21 min，節(jié)約了2 h39 min。

（2）通過(guò)流量計(jì)可得，人工沖洗一次棧橋所用流量為12 960～29 360 L，自動(dòng)沖洗系統(tǒng)為4177 L左右，節(jié)約了8 000～25 000 L左右。

（3）1個(gè)工人只能沖洗1座棧橋車間，安裝自動(dòng)沖洗系統(tǒng)后1個(gè)工人通過(guò)移動(dòng)設(shè)備小程序能同時(shí)沖洗5座棧橋，節(jié)約勞動(dòng)力，提高了工作效率。

（4）安裝自動(dòng)沖洗系統(tǒng)后，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人化作業(yè)，工人不用待在有粉塵的環(huán)境中，保證了工人健康提高了安全性。

2結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)并且安裝完成自動(dòng)沖洗子系統(tǒng)和視覺(jué)控制子系統(tǒng)并完成了相關(guān)的試驗(yàn)研究。

（2）安裝自動(dòng)沖洗子系統(tǒng)可完全替代人工沖洗，節(jié)約了時(shí)間、勞動(dòng)力、水資源以及提高了安全性能。

（3）機(jī)器視覺(jué)控制子系統(tǒng)通過(guò)深度學(xué)習(xí)判斷，對(duì)重點(diǎn)積煤積粉區(qū)域進(jìn)行更加針對(duì)性的清洗，進(jìn)行智能化控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化作業(yè)。

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