机器视觉在圆盘造球机自动化控制中的应用

王 亚，庞 茜，孙 爽

(天津市三特电子有限公司，天津 436056)

0 引言

目前国内球团厂的球团生产线主要采用链箅机-回转窑的工艺流程。其中，球团造球生产工艺是生产线的重要工序，稳定的造球生产工艺对提高生球质量和产量具有重要意义[1]。造球机是球团造球生产工艺的关键设备，目前造球机有圆筒造球机和圆盘造球机两种，其中圆盘造球机应用更加广泛，其主要部件是倾斜的钢制圆盘[2]。

造球过程的稳定精确控制是球团厂经济技术指标的重要考量因素，因此生产稳定且质量好的生球成为球团生产工艺中的关键技术环节。目前造球生产工艺主要参数仍依靠现场操作人员经验与感觉进行主观调整，具有不可靠、不稳定、效率低等特点，现有造球机虽大都配备一系列控制装置，但仍处于低水平的单参数值人工调节。

基于以上情况天津市三特电子有限公司研究与开发了圆盘造球机自动造球控制系统，运用当前机器视觉的高分辨率硬件采集技术，准确实时地获取生球粒径分布情况。

1 检测系统组成及流程

1.1 系统组成

生球粒径检测系统硬件部分由工业相机和镜头、服务器、光源、固定架、其他控制器组成，单球盘检测系统结构示意图见图1。结合球盘实际情况，工业相机选用了高分辨率、高帧率的海康威视MVC-A050-GM相机，镜头选用6 mm焦距。光源选用大功率LED光源，降低外界自然光亮度变化明显的影响，且设计为双光源，在相机两侧打光的方案，消除光照阴影。

图1 检测系统示意图

1.2 流程

机器视觉生球粒径检测分析系统利用安装在圆盘造球机成球区的工业相机，实时采集生球图像，然后利用光纤收发器将图像传输给服务器，服务器上运行的软件采用图像识别算法，实时处理与分析，得到的图像生球粒径及对应区间分布比例作为后续自动造球系统模型反馈输入值，具体工作流程见图2。安装完工业相机及光源等硬件设备后，调相机光圈及调焦至图像清晰，然后调曝光时间、帧率、增益等，调节图像亮度至正常，设置图像存储路径和计算结果数据保存路径。以上设置完毕后，运行软件将进入自动检测状态，依次完成图像处理及检测粒度分布等，并与后端控制系统连接，可设定目标值粒度，进入自动控制模式。

图2 工作流程图

2 图像处理

粒径检测的工作流程包含图像预处理、生球分割、粒度测定三部分。图像预处理采用滤波去噪；生球分割包括图像分割、生球区域填充及剔除不完整生球；最后是粒度测定部分，包括计算生球截面积和统计粒度分布。

2.1 图像预处理及分割

预处理及分割的主要过程：①将采集的图像灰度化，对灰度图像滤波去噪，图像增强，增加目标物生球与背景的对比度，将生球边缘尽可能清晰地显现出来。②将经过预处理的图像做阈值分割，得到与真实粒径具有一致属性的区域，填充各区域的小孔，填充后区域个数不变，采用分割算子进行全局阈值分割，得到各像素对应的区域。③将得到的图像进行腐蚀，腐蚀是删除对象边界某些像素，用圆形结构元素将小于设定半径的区域腐蚀掉。④然后把邻域内8连通区域归纳为一个区域，后续感兴趣区域提取提供便利。⑤计算所有输入区域的特征，如果计算的特征在最小和最大值区间，则将每一个符合要求的区域或者至少一个符合要求的区域复制到最终的区域中。⑥扩大圆形结构基础的区域，使用圆形结构扩展区域。采用算子用于填充区域间的空白或分割重叠的区域，然后利用给定区域分割图像。⑦将区域转化成一个二进制图像，经过图像形态学算法处理的图像和物料轮廓的图像做减法运算。

分割后的二值图像见图3。

图3 原图和分割图

2.2 生球粒径检测

对二值化图像进行粒径检测，检测流程：①标记图像。采用区域标记，对料球区域边界跟踪，将图像中所有料球区域的边界标以不同的序号，然后将每个料球区域内部像素标以区域边界相同的标号[3]。②检测粒径。标记完成后，统计各料球区域的边界像素之和作为该区域边界的周长。③求出料球轮廓的圆形度，将圆形度小于设定值的球团料当作不完整料球剔除。④数据计算。假设图像中每块为圆形，得到每块的表面积后，利用公式S=πr2得到其近似半径；用计算出来的近似半径对该块进行分类，将其归为某一粒度级别的原料；算出所有块的粒度后计算平均粒度，即单块质量乘以粒度求和后再除以总质量；统计一定时间内所有物料块的平均粒度，并将每一个物料块的面积值累加到对应分布区间，即可计算出每个分布区间的百分比。

现场人工筛分的粒度分布与软件机器测得的粒度分布值进行对比，对比结果见图4，误差小。

图4 人工与机器筛分数据对比

3 无人化控制技术

将软件测得的粒度分布检测结果实时与后端控制系统连接，可设定目标值粒度，进入自动控制造球模式。正常生产时，调完造球机倾角后就固定倾角不再变动，主要调节给水量、造球机转速、给料量，这三个动态可调是对生球质量产生直接影响的因素。

3.1 给水量控制

矿料成球的重要因素之一是水分，控水装置主要由电磁流量计、电动调节阀、备用旁路球阀、滴水装置构成。滴水喷头及雾水喷头的数量及安装位置依据实际生产加水精度确定，建议单球盘加水上限在1.0 m3/h左右。

加水使用滴水喷头或雾水喷头，滴水喷头加水速度快、加水量大，能够较快提升混合物料水分，促进生球形成，加快母球成长速度。但滴水开启后，容易造成母球数量过多，在盘内时间过短等问题，也会在后续生产中增加返料量，产生大量颗粒。雾水喷头加水速度慢、加水量小，且水呈雾状喷射，细小且分散，对毛细水和重力水有很好的控制，使其处于适宜范围。一般球团生产同时有滴水和雾水装置，这就需要有两套流量计和电动调节阀，调节流量计和阀门使水分处于造球水分最优值，最优值是根据生球抗压强度和落下强度决定，不同的原料有不同的造球水分最优值。造球过程中，若原料水分低于造球水分最优值，则需补加少量的水。造球加减水过程中，当小球占比百分比超过设定限度或大球占比百分比超过设定限度时，启动调水程序，否则维持水量不变。加减水在每个程序控制周期内增加或减少水量。

3.2 造球机转速控制

由于圆盘造球机是圆盘形状，其转速即圆周的角速度，当圆盘造球机的尺寸确定，且调完并固定造球机倾角，圆周转速的范围也就确定，周速不能过小与过大，只能在此范围内浮动调节。若周速过小，则物料由于离心力太小而甩不到盘顶部，就使母球区变空，物料和母球下落，盘面大面积未被使用，利用率低下，影响生产。若周速过大，则物料由于离心力太大而被甩到盘边，同样母球区变空，物料和母球无法根据粒级大小进行区分，母球成长过程随即停止。因此，适宜的转速使物料在盘面正常滚动，且不同粒级有规律运动。

圆盘开盘后由静止到转动的过程，随着转盘速度的提升，造球的生球合格率会出现类似抛物线的趋势，先增大后减小。不同尺寸球盘的转速最佳值也不同，一般是8～10 r/min，当转速小于转速最佳值时，离心力小，物料能上升到的高度低，因此出料点低，从出球区出的球粒径小，含粉末较多。当转速大于转速最佳值时，离心力大，盘内易形成无料状态。

2台造球机进行主电机变频改造，改造后实现圆盘造球机转速可控。转速的设定由生球粒径主导，粒径较大时降低转速，粒径较小时增大转速。

3.3 给料量控制

该公司合作的球团企业圆盘倾角为46°，转速8 r/min，铁精矿水分含量为7.5%，给料量50 t/h，可通过给料设定控制料量大小。给料机给料量的调节主要通过改变刮刀所在的位置和改变圆盘转速。

对2台造球机4套旋转刮刀进行电机变频改造，改造后实现旋转刮刀转速可控，球盘旋转刮刀的作用主要是使盘底保持必要的料层(底料)厚度，并控制球料的运动状态。当盘速与刮刀转速匹配不好则会造成盘底不平，异物大块增多的现象。所以针对不同填充率，上料量和转速需要调节大小旋转刮刀的速度来造球。此次自动造球将原先的定速刮刀电机更换为变频电机，变频信号进 PLC 控制系统，由自动造球系统进行计算机仿真后生成运动模型，并实时控制调试匹配球盘转速。

4 应用效果

通过生球粒径检测方法与多种控制方法相结合，共同实现了造球机自动造球。系统操作界面见图5，可设定出数据时间，一般是45 s，实时合格球占比曲线见图6，自动造球效果非常稳定。

图5 系统控水界面

图6 数据及曲线显示界面

自2021年5月运行以来，该日产7 600 t的球团生产线已对两台圆盘造球机安装自动造球装置，正常运行2台，湿返料50～70 t/h，链箅机长60 m宽4.5 m，链箅机机速3.5～3.7 m/min，回转窑结圈周期70天。自动造球系统能够满足球团工艺生产的质量及产量要求，合格率持续稳定，比应用该系统前人工操作合格率提高10%以上。

5 结语

本文介绍了机器视觉技术在造球机中的应用，通过视觉图像分析技术获得生球粒径数据，反馈到后端控制系统，调整给水、给料与转速等参数，实现自动造球技术，为球团企业指导生产解放生产力做出贡献。