機器視覺在圓盤造球機自動化控制中的應用

王 亞，龐 茜，孫 爽

(天津市三特電子有限公司，天津 436056)

0 引言

目前國內球團廠的球團生產線主要采用鏈箅機-回轉窯的工藝流程。其中，球團造球生產工藝是生產線的重要工序，穩定的造球生產工藝對提高生球質量和產量具有重要意義[1]。造球機是球團造球生產工藝的關鍵設備，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]。

造球過程的穩定精確控制是球團廠經濟技術指標的重要考量因素，因此生產穩定且質量好的生球成為球團生產工藝中的關鍵技術環節。目前造球生產工藝主要參數仍依靠現場操作人員經驗與感覺進行主觀調整，具有不可靠、不穩定、效率低等特點，現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值人工調節。

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

1 檢測系統組成及流程

1.1 系統組成

生球粒徑檢測系統硬件部分由工業相機和鏡頭、服務器、光源、固定架、其他控制器組成，單球盤檢測系統結構示意圖見圖1。結合球盤實際情況，工業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，且設計為雙光源，在相機兩側打光的方案，消除光照陰影。

圖1 檢測系統示意圖

1.2 流程

機器視覺生球粒徑檢測分析系統利用安裝在圓盤造球機成球區的工業相機，實時采集生球圖像，然后利用光纖收發器將圖像傳輸給服務器，服務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區間分布比例作為后續自動造球系統模型反饋輸入值，具體工作流程見圖2。安裝完工業相機及光源等硬件設備后，調相機光圈及調焦至圖像清晰，然后調曝光時間、幀率、增益等，調節圖像亮度至正常，設置圖像存儲路徑和計算結果數據保存路徑。以上設置完畢后，運行軟件將進入自動檢測狀態，依次完成圖像處理及檢測粒度分布等，并與后端控制系統連接，可設定目標值粒度，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處理、生球分割、粒度測定三部分。圖像預處理采用濾波去噪；生球分割包括圖像分割、生球區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計粒度分布。

2.1 圖像預處理及分割

預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出來。②將經過預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域，填充各區域的小孔，填充后區域個數不變，采用分割算子進行全局閾值分割，得到各像素對應的區域。③將得到的圖像進行腐蝕，腐蝕是刪除對象邊界某些像素，用圓形結構元素將小于設定半徑的區域腐蝕掉。④然后把鄰域內8連通區域歸納為一個區域，后續感興趣區域提取提供便利。⑤計算所有輸入區域的特征，如果計算的特征在最小和最大值區間，則將每一個符合要求的區域或者至少一個符合要求的區域復制到最終的區域中。⑥擴大圓形結構基礎的區域，使用圓形結構擴展區域。采用算子用于填充區域間的空白或分割重疊的區域，然后利用給定區域分割圖像。⑦將區域轉化成一個二進制圖像，經過圖像形態學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。采用區域標記，對料球區域邊界跟蹤，將圖像中所有料球區域的邊界標以不同的序號，然后將每個料球區域內部像素標以區域邊界相同的標號[3]。②檢測粒徑。標記完成后，統計各料球區域的邊界像素之和作為該區域邊界的周長。③求出料球輪廓的圓形度，將圓形度小于設定值的球團料當作不完整料球剔除。④數據計算。假設圖像中每塊為圓形，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，即單塊質量乘以粒度求和后再除以總質量；統計一定時間內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分布區間，即可計算出每個分布區間的百分比。

現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，對比結果見圖4，誤差小。

圖4 人工與機器篩分數據對比

3 無人化控制技術

將軟件測得的粒度分布檢測結果實時與后端控制系統連接，可設定目標值粒度，進入自動控制造球模式。正常生產時，調完造球機傾角后就固定傾角不再變動，主要調節給水量、造球機轉速、給料量，這三個動態可調是對生球質量產生直接影響的因素。

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、電動調節閥、備用旁路球閥、滴水裝置構成。滴水噴頭及霧水噴頭的數量及安裝位置依據實際生產加水精度確定，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，容易造成母球數量過多，在盤內時間過短等問題，也會在后續生產中增加返料量，產生大量顆粒。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。一般球團生產同時有滴水和霧水裝置，這就需要有兩套流量計和電動調節閥，調節流量計和閥門使水分處于造球水分最優值，最優值是根據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值。造球過程中，若原料水分低于造球水分最優值，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定限度或大球占比百分比超過設定限度時，啟動調水程序，否則維持水量不變。加減水在每個程序控制周期內增加或減少水量。

3.2 造球機轉速控制

由于圓盤造球機是圓盤形狀，其轉速即圓周的角速度，當圓盤造球機的尺寸確定，且調完并固定造球機傾角，圓周轉速的范圍也就確定，周速不能過小與過大，只能在此范圍內浮動調節。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。若周速過大，則物料由于離心力太大而被甩到盤邊，同樣母球區變空，物料和母球無法根據粒級大小進行區分，母球成長過程隨即停止。因此，適宜的轉速使物料在盤面正常滾動，且不同粒級有規律運動。

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

2臺造球機進行主電機變頻改造，改造后實現圓盤造球機轉速可控。轉速的設定由生球粒徑主導，粒徑較大時降低轉速，粒徑較小時增大轉速。

3.3 給料量控制

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

對2臺造球機4套旋轉刮刀進行電機變頻改造，改造后實現旋轉刮刀轉速可控，球盤旋轉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。當盤速與刮刀轉速匹配不好則會造成盤底不平，異物大塊增多的現象。所以針對不同填充率，上料量和轉速需要調節大小旋轉刮刀的速度來造球。此次自動造球將原先的定速刮刀電機更換為變頻電機，變頻信號進 PLC 控制系統，由自動造球系統進行計算機仿真后生成運動模型，并實時控制調試匹配球盤轉速。

4 應用效果

通過生球粒徑檢測方法與多種控制方法相結合，共同實現了造球機自動造球。系統操作界面見圖5，可設定出數據時間，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定。

圖5 系統控水界面

圖6 數據及曲線顯示界面

自2021年5月運行以來，該日產7 600 t的球團生產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，回轉窯結圈周期70天。自動造球系統能夠滿足球團工藝生產的質量及產量要求，合格率持續穩定，比應用該系統前人工操作合格率提高10%以上。

5 結語

本文介紹了機器視覺技術在造球機中的應用，通過視覺圖像分析技術獲得生球粒徑數據，反饋到后端控制系統，調整給水、給料與轉速等參數，實現自動造球技術，為球團企業指導生產解放生產力做出貢獻。