動態(tài)多物料模糊識

1、2 摘摘 要要:本文介紹韶鋼開發(fā)應(yīng)用的一種基于圖像識別控制的動態(tài)多物料皮帶秤計量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在線自動識別和分別計量同一皮帶輸送線上3-4類不同類物料，解決長期以來韶鋼原料直供高爐的球團、塊礦、焦碳等物料無法分別計量的難題，實現(xiàn)入爐物料精細化計量管理，為原料平衡和成本核算提供計量依據(jù)。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：計量物料在線自動識別電子皮帶秤CAN總線3長期以來，韶鋼從原料直供煉鐵系統(tǒng)的球團、塊礦、焦碳等物料依靠皮帶輸送線運輸，這些物料的計量依賴于安裝在皮帶輸送線的常規(guī)電子皮帶秤進行混合總量計量或理論結(jié)算，無法實現(xiàn)球團、塊礦等入爐物料的分別計量。經(jīng)過多年的論證探索，結(jié)合目前國內(nèi)最先進的技術(shù)，我們認為利

2、用圖像識別信息和一秤多物料計量技術(shù)可以解決這一難題。 4 基于這一思路，在韶鋼煉鐵系統(tǒng)皮帶運輸計量改造工程中，我們與中國科學院沈陽自動化研究所、長沙湘計自控系統(tǒng)有限公司合作開發(fā)了基于圖像識別控制的動態(tài)多物料皮帶秤計量系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)過半年的試運行后，性能穩(wěn)定，現(xiàn)已正式投入使用，為原料平衡和煉鐵系統(tǒng)成本核算提供可靠的計量數(shù)據(jù)。5 本文首先詳細介紹了整個系統(tǒng)的構(gòu)成；然后具體說明系統(tǒng)所應(yīng)用的一項關(guān)鍵技術(shù)物料識別方法的基本原理；最后對本文作一小結(jié)。6皮帶輸送機輸送球團、塊礦、焦碳全懸浮秤架皮帶秤多物料識別控制器皮帶秤儀表WPC2000皮帶輸送機智能多物料智能識別相機焦碳球團塊礦數(shù)據(jù)采集操作子站韶鋼數(shù)據(jù)采

3、集管理系統(tǒng)微機監(jiān)控操作站圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖7 如圖1所示，基于圖像識別的動態(tài)多物料皮帶秤計量系統(tǒng)主要由三部份組成：（1）物料識別控制系統(tǒng)，包括工業(yè)彩色智能相機和同步光源構(gòu)成的圖像識別模塊、多物料識別控制器及微機監(jiān)控操作站；（2）一秤多物料計量電子皮帶秤，包括全懸浮六托輥秤架、下壓式平托輥軸裝式脈沖信號速度傳感器和多物料計量儀表（WPC2000CAN）；（3）CAN通訊模式構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集操作子站。8 動態(tài)多物料圖像識別控制系統(tǒng)的功能是對同一皮帶輸送線的不同物料如焦碳、球團礦、塊礦能夠穩(wěn)定識別并輸出相對應(yīng)的無源開關(guān)量控制信號，其硬件系統(tǒng)主要由德國Vision Components公司工業(yè)智能相機VC

4、2065/E/C 、圖像處理工業(yè)鏡頭、圖像處理工業(yè)專用光源、多物料識別控制器和現(xiàn)場防護設(shè)備等構(gòu)成。軟件系統(tǒng)由運行于智能相機的圖像識別軟件和運行于微機監(jiān)控站的數(shù)據(jù)管理軟件構(gòu)成。 9圖像識別模塊主要由工業(yè)智能相機(VC2065/E/C)、鏡頭和專用光源等組成，主要完成圖像的采集和處理。VC2065/E/C是一款工業(yè)智能彩色相機，其內(nèi)部集成一塊TMS320C6211 DSP處理器，它不僅能夠在專用光源的同步照明下獲取穩(wěn)定、可靠、一致的物料彩色圖像，而且運行著圖像識別軟件，能夠直接完成圖像的處理和識別，然后將識別結(jié)果通過PLC接口輸出。該相機實際上是一套完整的小型計算機視覺系統(tǒng)。10 多物料識別控制器

5、的功能是為相機和同步光源提供穩(wěn)定的相應(yīng)電源，接受工業(yè)智能相機輸出的物料控制信號并進行光電隔離后輸出控制信號給電子皮帶秤儀表；同時，因皮帶輸送機為間斷送料設(shè)備，送料時存在空轉(zhuǎn)情況，為延長相機及光源設(shè)備的使用壽命，系統(tǒng)由皮帶秤儀表的皮帶啟動停止信號（開關(guān)信號，無源）觸發(fā)信號控制運行。 11主要性能指標如下： 能使用現(xiàn)場具備的22030伏50H交流電源； 輸入量：接受皮帶啟動停止信號（開關(guān)信號，無源）的觸發(fā)信號控制運行； 輸出量：輸出識別的 3種物料（焦碳、球團礦、塊礦、備用物料）以上的對應(yīng)光電隔離且具有保持功能的無源開關(guān)量信號。12 微機監(jiān)控操作站安裝于送料操作室內(nèi)，其功能為監(jiān)控和自動（無需人工干

6、預(yù)）存貯識別系統(tǒng)的采集圖像（按采集時間、物料類別、送料始止時間分組存貯），以供查詢監(jiān)控之用，不參與識別系統(tǒng)的現(xiàn)場控制采集。容量（存貯識別系統(tǒng)的采集圖像）為15天（每天送料約為810小時）以上。13 一秤多物料計量電子皮帶秤是在傳統(tǒng)的計量電子皮帶秤改進的，它的檢測一次元件仍為全懸浮秤架，速度傳感器為國內(nèi)首次采用的平托輥軸裝式脈沖信號傳感器，二次儀表（稱重顯示控制器）為WPC2000CAN通訊的多物料計量儀表。14 （1）全懸浮秤架是目前國內(nèi)外先進的計量皮帶秤秤架，該種形式的秤架采用四個傳感器結(jié)構(gòu)，利用皮帶輸送機的機架支撐秤架懸架，將稱量框架用四個S型傳感器連接于秤架懸架下面，整個秤體類似于靜態(tài)平

7、臺秤一樣全懸浮于皮帶輸送機的機架上，整個秤體沒有簧片或絞鏈支點，能夠全面有效地傳遞垂直重力（物料重力和皮帶重力），為盡量克服皮帶張力及皮帶跑偏引起的側(cè)向力，秤體應(yīng)保證有足夠的自重和6托輥以上的長度，秤體的托輥的槽形傾斜角與輸送機的托輥應(yīng)保持一致，采用原輸送機的托輥是最佳選擇。因此，我們在考慮現(xiàn)場的技術(shù)要求后對秤體選型如下：采用原輸送機型號的6組托輥全懸浮式秤架，采用TEDEA616S型高精度傳感器，為增加秤體自重和減少。 15這樣的秤架結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點： 全懸浮式秤架因為無支點及傳力杠桿，重量傳送至稱重傳感器更直接，更有效，減少了由于支點、簧片連接帶來的力傳送誤差，計量性能更穩(wěn)定可靠； 由于稱重

8、有效長度增長，皮帶在運行過程中零點和示值的穩(wěn)點性增強，有效地克服簧片變型、皮帶跑偏和托輥摩擦造成的誤差。 抗干擾能力相對較強，由于長度大，托輥組增多，秤架自身比較重，對外界的振動和物料塊度大小不均的干擾等能力較強。 S型稱重傳感器與稱重框架采用關(guān)節(jié)軸承聯(lián)接，能有效地消除側(cè)向力的影響。16 （2）平托輥軸裝式脈沖信號速度傳感器。計量皮帶秤速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式也是決定電子皮帶秤精度的重要環(huán)節(jié)，國內(nèi)各類計量秤的速度傳感器大都采用小車式結(jié)構(gòu)，只是不同廠家小車式結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，大部采用雙輪結(jié)構(gòu)和加重小車重量以圖克服單輪測速側(cè)向偏轉(zhuǎn)的測量誤差，但對皮帶跳動引起的空跳和測速輪磨損引起的使用誤差沒有改善，為此，

9、我們從下行皮帶支承托輥得到啟發(fā)，自行設(shè)計一種新的軸裝式速度傳感器，即專門要求廠家制作一根下行皮帶支承托輥（與皮帶輸送機支架等寬）后鑄膠處理，兩端裝軸承座，將裝軸承座固定于輸送機的機架下方，整條托輥壓緊下行皮帶，在方便檢修的一側(cè)軸承座軸心開孔安裝軸裝式光電速度傳感器，這種結(jié)構(gòu)的速度傳感器能夠準確檢測到皮帶運行速度，克服測速側(cè)向偏轉(zhuǎn)的測量誤差，托輥鑄膠處理能增加摩擦力，保證速度傳感器線速度與皮帶運行速度一致，同時，鑄膠經(jīng)久耐用，減少測量誤差。17 （3）多物料計量儀表由計量控制主板、通訊接口板、輸入輸出控制接口板、顯示控制卡組成，主要特色功能是： 在儀表輸入輸出控制板中設(shè)置物料4個識別開關(guān)，按14

10、號開關(guān)優(yōu)先級設(shè)置，當1號開關(guān)常閉時，24號開關(guān)無效，同理依次類推，能同時實現(xiàn)14種物料的瞬時、累積流量顯示、存儲，這樣，只要選擇閉合任一種物料開關(guān)，就能實現(xiàn)在能該種物料的在線計量。 儀表（WPC2000CAN通訊）熱備RS-485、RS-422接口，選擇CAN(Controller Area Network)通訊方式將實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集操作子站。 18 CAN總線是一種有效支持分布式控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。較之我們原來的基于R線構(gòu)建的RS-485通訊采集系統(tǒng)而言， CAN總線的通訊采集系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性： 首先，CAN控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)(取決

11、于報文標識符)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進行，系統(tǒng)的實時性、可靠性較差； 19 其次，CAN總線的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會出現(xiàn)象在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)

12、送數(shù)據(jù)時，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，保證不會出現(xiàn)因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。 而且， CAN總線是具有通信速率高、通信距離長（韶鋼環(huán)境可達2千米以上）、對通訊線（國產(chǎn)的雙絞線即可無誤碼傳輸）要求較低等諸多特點，降低系統(tǒng)的投資。 20 韶鋼在煉鐵系統(tǒng)皮帶運輸計量改造工程中，共改造8臺計量秤（其中4臺為多物料計量），由于各檢測點較為分散，盡管CAN通訊可同時掛接8臺（理論更多）WPC2000儀表，但考慮到系統(tǒng)的可靠性和線路維護的經(jīng)濟性，我們采用就地、就近的原則改造3個皮帶秤數(shù)據(jù)

13、采集子站，組網(wǎng)方式如圖221WPC20001WPC20002WPC20003WPC20004WPC20005WPC20006WPC20007WPC20004WPC20004WPC20008圖2CAN總線電子皮帶秤數(shù)據(jù)采集組網(wǎng)方式22通過處理和分析相機實時獲取的物料圖像，以確定當前輸送帶上輸送的物料類別，即基于圖像的物料分類識別方法，是本系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵方法。 該方法主要分為兩步：(1) 圖像特征提??；(2) 圖像識別。 23 圖3-6為現(xiàn)場獲取的物料圖像，分別為塊礦、球礦、焦炭和皮帶空載。由圖像分析可知，不同的物料圖像具有不同的顏色特征和紋理特征，因此選擇這兩類特征作為圖像分類識別的主要依據(jù)。2

14、4 圖3 塊礦圖4 球團礦25 圖5 焦碳圖6空載26RGB彩色模型是數(shù)字圖像處理中最通用的面向硬件的彩色模型，在該模型中，所表示的圖像由R、G、B3個圖像分量組成，每一個分量圖像都是其原色圖像。RGB模型基于笛卡兒坐標系統(tǒng)，所考慮的彩色子空間是圖7所示的立方體。為方便起見，假定所有的顏色值都歸一化，即所有的R、G、B值都在0，1范圍內(nèi)取值。圖中，R、G、B位于3個坐標軸所在頂點上，青、深紅和黃位于另外3個頂點上，黑色在原點處，白色位于離原點最遠的頂點。不同的顏色處于立方體上或其內(nèi)部，并可用從原點出發(fā)的向量來定義，黑白兩點連線上的顏色點為黑白灰度顏色。 27圖7 RGB彩色模型 28 經(jīng)過大量

15、實驗分析得到，盡管各類物料圖像之間顏色存在差別，但是同類物料圖像之間也存在較大差別，即一致性不好，單純利用物料的顏色很難區(qū)分各類待識別物料。但是，我們發(fā)現(xiàn)，各類物料圖像接近黑白灰度圖像的程度不同，特別是焦炭的彩色圖像更接近黑白灰度圖像，因此定義一個物理量圖像上所有采樣點到RGB模型中黑白連線上的平均距離來表征這一特性。29各類物料具有不同的幾何形態(tài)，如球礦是較規(guī)則的球形；塊礦是不太規(guī)則的塊狀；焦炭雖然同為塊狀，但是較塊礦的體積大；而皮帶空載時為一平滑的表面或者是由于物料在皮帶上運輸形成的規(guī)則條紋。這些特征反映在圖像上就是各類物料圖像具有不同的紋理。紋理是表征圖像的一個重要特征，它廣泛存在于各類

16、圖像中，一幅圖像可以看作是由許多不同紋理區(qū)域拼湊而成，其紋理反映了圖像基元的灰度分布規(guī)律，包含著圖像的重要信息，常被看作圖像的某種區(qū)域性質(zhì)或是對局部區(qū)域中像素間關(guān)系的一種度量，可用來對圖像中的空間信息進行一定程度的定量描述，通過對紋理圖像進行分析可獲得許多有用的宏觀和微觀信息。紋理特征提取得主要目的是將隨機紋理或幾何紋理的空間差異轉(zhuǎn)化為特征灰度值的差異，用一些數(shù)學模型來描述圖像的紋理信息，包括圖像區(qū)域的平滑、稀疏和規(guī)則性等。提取方法主要分為統(tǒng)計法、結(jié)構(gòu)法和頻譜法。30 頻譜法基于傅里葉頻譜特性，主要用于通過識別頻譜中高能量的窄波峰尋找圖像中的整體周期性。在直觀上，圖像的紋理和其傅里葉變換幅度譜

17、存在顯見的關(guān)系：圖像中的線條紋理在幅度譜平面上產(chǎn)生通過直流中心的的譜線，而譜線的方向垂直于原圖像中線條的方向；同時，盡管紋理中的條紋有各種方向，并且位置分布是隨機的，但是在變換域的幅度譜中，空間域同一方向的條紋不論其位置如何，它們的貢獻會被疊加在一起，共同形成通過頻譜中心，與原方向垂直的譜線。這意味著空間域里全部的紋理信息在頻域里進行了重新分布，這種重新分布只基于紋理單元的走向和疏密程度等因素，而與其位置信息無關(guān)。31圖8 塊礦圖像頻譜圖 圖9球礦圖像頻譜圖32圖 10焦炭圖像頻譜圖 圖11 空載圖像頻譜圖33 圖8-11分別給出圖36的傅里葉變換幅度譜，在這里主要考慮對紋理描述有用的傅里葉頻

18、譜的3個特征：（1）頻譜中凸起的尖峰給出了紋理模式的主要方向；（2）在頻率平面中尖峰的位置給出了模式的基本空間周期；（3）通過過濾除去所有周期性的部分，而留下非周期性的圖像元素，然后，利用統(tǒng)計方法描述這些剩下的元素。34 頻譜特征的檢測和解釋通常使用函數(shù)的極坐標表達，其中，是頻譜函數(shù)，和是坐標系中的變量。對于每個方向，可以看作一維函數(shù)；對每個頻率，也是一個一維函數(shù)。對固定的值分析，可得到沿著自原點的輻射方向上的頻譜所表現(xiàn)的特性；反之，分析固定值的，可得到沿著以原點為圓心的圓形的特性。更具有整體性的描述通過對下列函數(shù)進行積分得到：35 （1） （2） 其中，公式（2）中的R0是以原點為圓心的圓半徑。公式（1）和（2）的結(jié)果為每對坐標(r,)組成一對值s(r),s()。通過變換坐標，可以生成兩個一維函數(shù)s(r)和s() ，從而對研究的整幅圖像紋理構(gòu)成一種頻譜-能量描述。圖11-14分別給出各類物料圖像頻譜對應(yīng)的s(r)和s()曲線。)()(0rSrS)()(01RrrSS36)(rS)(S圖12 塊礦圖像頻譜的s(r)和s() 曲線37圖13 球礦圖像頻譜的s(r)和s() 曲線38圖14