輸煤棧橋煤渣自動沖洗系統

王文慶 許良 張憧憬 徐玉朋

摘? 要：輸煤棧橋積煤積粉對生產環境造成嚴重污染，目前主要采用人工沖洗或清理的方式處理，該方式不僅費力，浪費水源，且存在較大的安全風險。輸煤棧橋自動沖洗系統，由自動沖洗子系統和機器視覺控制子系統組成。自動沖洗子系統采用分區域、分組布置，通過分批次開啟實現對棧橋地面的沖洗，可在較少耗水量的條件下，達到更有效的沖洗效果;機器視覺控制子系統通過相機拍攝，然后將照片傳回電腦，利用獨自開發的程序軟件識別現場情況來判斷是否開啟噴頭，實現無人化作業;所開發的自動沖洗系統顛覆了傳統的棧橋積煤積粉清理方式，在對解放人力、降低風險和經濟環保等方面均取得較好的實用效果。

關鍵詞：輸煤棧橋? 自動沖洗? 機器視覺? 經濟環保

中圖分類號： TB492? ? ?文獻標識碼： 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

國家電投集團協鑫發電有限公司8號皮帶機輸煤棧橋長度超過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，皮帶機在運輸煤的過程中有大量粉塵煤渣不斷地落在棧橋上，對環境造成嚴重污染[1]。火力發電廠輸煤棧橋上目前對粉塵煤渣的治理方式大多數為從源頭上和沿程上進行治理。從源頭上，九江發電有限公司[2]在輸煤系統中安裝新型DSX雙旋流水膜除塵器和新型DSF負壓吸塵導料槽相結合的方式來抑制煤渣和粉塵;鞍山師范學院[3]設計了一種可編程控制器，對輸煤棧橋中產生的粉塵進行“堵、吸、送”，實現全自動控制;浩良河化肥廠[4]將原碎煤機更換為密封性能好、鼓風量小的環錘式碎煤機，各轉運點的導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、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節，該文研制了一套自動沖洗系統，該系統于2021年5月正式調試投入使用，取得了良好的效果。

1? 方案設計

在保留原有人工沖洗系統的基礎上，新增一套自動沖洗子系統和機器視覺控制子系統。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]，既費力又浪費水源，并且存在一定的安全風險，為了解決此問題，新增自動沖洗系統。

1.1? 自動沖洗子系統

整個棧橋車間分為皮帶機下面棧橋區域和皮帶機兩側臺階區域，皮帶機下面安裝噴嘴和皮帶機兩側安裝噴嘴分別對應于圖1所示的棧橋區域和圖2所示的臺階區域。

臺階及棧橋沖洗模塊時，采用分區域、分組布置，并對各區域分組進行編號，在自動控制系統的控制下，分批次開啟分別對各臺階及棧橋區域對棧橋地面進行沖洗。

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

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

棧橋沿程每隔3 m布置一個水沖洗支管，每個直管上設置控制閥，以控制各直管開啟和關閉。分別對各支管進行分組，分為A、B、C、D這4組，由自動控制系統控制其分批次開啟。即皮帶機啟動后，執行以下預設流程（間隔時間10 min（可調）后）：（1）開啟A組沖洗0.5 min（可調）隨后關閉;（2）A組關閉的同時，開啟B組沖洗0.5 min（可調）隨后關閉;（3）B組關閉的同時，開啟C組沖洗0.5min（可調）隨后關閉;（4）C組關閉的同時，開啟D組沖洗0.5 min（可調）隨后關閉;循環3個周期（可調）后進入間隔時間10 min。實際調試過程中，根據棧橋的沖洗效果，對各參數進行調整?？刂屏鞒倘鐖D5所示。

在自動沖洗子系統中安裝了激光對射傳感器，當有人進入正在工作的沖洗區域時，傳感器就會檢測到人的出現，反饋給PLC，從而實現系統暫時的關閉，保護了工人的安全。實現自動沖洗子系統噴嘴啟停的方法有兩種：

（1）當皮帶機輸煤開始一段時間后，自動沖洗子系統會自動開啟，按沖洗流程進行整個棧橋車間的沖洗，皮帶機開始輸煤到自動沖洗子系統開啟的間隔時間和系統噴嘴啟停通過PLC進行控制，PLC型號為西門子S7-200SMART，圖6為PLC的程序段。

（2）遠程控制分為輸煤程控控制和移動設備小程序控制兩種模式，兩種模式可相互兼容。在連網狀態下，可在移動設備上實現無線遠程控制，且可實現棧橋上某一支路噴嘴的啟?？刂疲瑢崿F局部沖洗。操作界面如圖6所示。

1.2? 機器視覺控制子系統

機器視覺控制子系統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域，該系統由1臺相機和1臺電腦連接組成，電腦安裝機器視覺軟件來分析相機所拍攝的照片。

通過視覺軟件識別現場的工況和標準工況的圖像差異進行噴嘴的調節、關斷等控制，因此此系統可實現無人化作業，通過攝像機自動定時拍攝現場圖片并傳回電腦來自動辨別現場場地有無煤渣，可以自動啟停噴嘴。實施方式：通過光源對檢測區域照明，相機對該區域進行拍攝，機器視覺軟件通過AI算法，將沖干凈區域與有煤渣區域進行判定，并把結果輸出給PLC，PLC來控制噴嘴開關。圖7 為攝像機拍攝區域。

機器視覺控制子系統的核心為機器視覺軟件系統，該系統包括以定位、測量為主的傳統機器視覺算法和以深度學習為主的檢測算法。

1.2.1機器視覺底層算法庫的開發

（1）基于幾何特征的高性能模板匹配。

（2）強干擾環境中的直線、圓檢測算法。

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準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數過零點位置，如：Laplace算法，其中是濾波函數。

（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，具體計算步驟如下：

（4）圖像中的邊緣提取算法。

1.2.2基于深度學習的產品外觀缺陷檢測算法

現有的基于卷積神經網絡的圖像分割算法以及圖像檢測算法在低分辨率（像素面積小于100萬）的圖像上都取得了不錯的效果，但是現有網絡的參數巨大，硬件資源有限，無法直接在高分辨的圖像上應用。高分辨圖像的缺陷檢測是迫切解決的問題，為此該文提出了一種基于粗檢測—細分割兩階段的缺陷檢測算法。

粗檢測—細分割整體的算法結構如圖8所示，此算法一共包含兩個階段：第一階段，將高分辨率的缺陷圖片輸入到小而精的目標檢測網絡進行粗檢測得到圖像的缺陷區域塊。第二階段，將得到的圖像缺陷塊送入強大的分割網絡，進行像素級別的分割。小而精的檢測網絡，可以適用于高分辨率的圖像，分割網絡可以提高檢測的精度。

噴嘴是否開啟的判定標準具體如下。

（1）視覺軟件通過深度學習方式，將地板本身不良區域和未沖干凈區域區分。

（2）對于煤渣造成的地板顏色變深，軟件通過對比灰度參數進行判斷，用戶可針對實際情況調整參數，當地板顏色超過自己的設定值時噴嘴自動打開。

（3）檢測精度理論上2 mm×2 mm的面積軟件都可有效檢測，用戶也可針對面積大小過濾的方式進行調整。

2沖洗試驗及效果分析

2.1試驗方案

該試驗所用試驗儀器為計時器、流量表等。采用人工沖洗和自動沖洗系統相互對比的試驗方法，對改造前后的時間、勞動力、水資源、安全性等因素進行了試驗研究。

（1）用計時器進行計時進行整個棧橋車間的沖洗對比試驗，第一步，工人用水管進行整個棧橋車間的沖洗，并進行計時;第二步，在移動設備小程序控制界面上開啟沖洗系統，按流程對整個棧橋車間進行沖洗，并進行計時，以上試驗重復3次。（2）用流量計進行整個棧橋車間的沖洗對比試驗，第一步，工人用水管進行整個棧橋車間的沖洗，并讀取流量;第二步，在移動設備小程序控制界面上開啟沖洗系統，按流程對整個車間進行沖洗，并讀取流量，以上試驗重復3次;并對每次試驗的實驗效果進行拍照記錄。

2.2 效果及分析

（1）通過計時器可得，人工沖洗一次棧橋所用時間為3小時左右，自動沖洗系統為21 min，節約了2 h39 min。

（2）通過流量計可得，人工沖洗一次棧橋所用流量為12 960～29 360 L，自動沖洗系統為4177 L左右，節約了8 000～25 000 L左右。

（3）1個工人只能沖洗1座棧橋車間，安裝自動沖洗系統后1個工人通過移動設備小程序能同時沖洗5座棧橋，節約勞動力，提高了工作效率。

（4）安裝自動沖洗系統后，可實現無人化作業，工人不用待在有粉塵的環境中，保證了工人健康提高了安全性。

2結論

（1）設計并且安裝完成自動沖洗子系統和視覺控制子系統并完成了相關的試驗研究。

（2）安裝自動沖洗子系統可完全替代人工沖洗，節約了時間、勞動力、水資源以及提高了安全性能。

（3）機器視覺控制子系統通過深度學習判斷，對重點積煤積粉區域進行更加針對性的清洗，進行智能化控制，實現無人化作業。

參考文獻

[1] 熊斌.火力發電廠輸煤棧橋粉塵綜合治理的應用[C]// 2018年江西省電機工程學會年會論文集.南昌：江西省電機工程學會，2019：3.

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[3] 李章成.新型長距離保溫模塊式輸煤棧橋的建造難點及解決方案[J].煤炭加工與綜合利用，2019（8）：71-73.

[4] 張澤川.關于輸煤棧橋粉塵治理方案的實施探索[J].科學風，2020（23）：109-110.

[5] 楊歆雨，肖鋒.超聲霧化噴嘴的設計[J].汽車實用技術，2019（5）：152-153.

[6] 王俊.不同粒徑煤塵理化特性及降塵實驗研究[D].徐州：中國礦業大學，2019.