基于機器視覺技術的提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統及應用

姜紹軍 王新剛 閆剛 董永智 郝付強

摘要：針對蠶莊金礦采用底卸式雙側掛鉤機械閉鎖出現的箕斗出曲軌后不能準確復位、卡箕斗和導向輪松動移位甚至脫落等故障，設計研發了一種基于機器視覺技術的提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統。詳細介紹了該系統的工作原理、系統組成和主要功能等。現場應用表明：該系統具有處理智能化、速度快、精度高、穩定性好的優點，實現了同類設備非接觸式實時在線監測，對同類設備的安全生產有著極為重要的現實意義，兼顧了經濟效益和社會效益，推廣應用前景較好。

關鍵詞：提升機;箕斗;機械閉鎖裝置;智能化;掛鉤檢測;機器視覺技術

中圖分類號：TD679文章編號：1001-1277（2021）03-0052-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20210310

引言

箕斗提升運輸具有作業效率高、提升量大等優點，是目前國內外大中型礦山普遍采用的一種運輸方式。箕斗在運行過程中，需要掛鉤勾住箱體，確保箱體不會因罐道或滾輪罐耳的影響而發生偏擺，導致箱體內物料傾泄井筒，從而發生嚴重的安全事故。目前，行業內尚無箕斗掛鉤嚙合可靠性的統一標準。招金礦業股份有限公司蠶莊金礦（下稱“蠶莊金礦”）徐家疃礦區位于山東省招遠市蠶莊鎮，明主井箕斗負擔將井下礦（廢）石提升至地面的任務。該提升系統選用JKM4.5×6ZⅢ型多繩摩擦提升機，提升高度為797.5m，單提升容積為24m 3，采用底卸式雙側掛鉤機械閉鎖箕斗，目前在用箕斗自2014年4月10日開始使用，已提升礦（廢）石量達119.65萬t。由于使用時間較長，運行中曾多次出現因落石或箕斗機械閉鎖裝置旋轉軸承磨損及箕斗箱體水平位移超標導致的在出曲軌后不能準確復位、卡箕斗與個別導向輪松動移位甚至脫落等故障，給安全生產帶來極大風險。目前，國內已有多起底卸式箕斗因掛鉤閉鎖不嚴或失效導致礦石傾倒井筒，造成井筒裝備破壞嚴重，直接或間接損失巨大。因此，針對上述問題，蠶莊金礦開發了一種基于機器視覺技術的提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統，取得了較好的應用效果。

1箕斗閉鎖裝置故障原因分析

經過工程技術人員現場踏勘，發現日常生產中，影響箕斗閉鎖機構不到位的原因主要有以下幾種：

1）箕斗導向輪固定螺栓因銹蝕或撞擊導致導向輪變形或脫落。

2）箕斗底部托輪短曲軌處由于礦粉或礦石長時間堆積，導致卸載完畢后不能按原路徑返回完成與掛鉤底板閉鎖的動作。

3）箕斗閉鎖裝置導向輪磨損嚴重或軸承部位底盤變形使其旋轉不靈活，卸載完畢導向輪出曲軌后未能完成卸礦舌板與斗箱閉鎖。

4）箕斗掛鉤靜態部分掛孔有小塊礦石或結塊礦石進入，使得掛鉤動態部分導向輪出曲軌后，靜態動態相結合時，配重輪重力不能將掛孔內礦石碾碎或砸出，長時間累積形成較硬塊狀。

5）箕斗斗箱頂部主軸作為斗箱卸礦或復位時的支撐點，由于潤滑不到位或礦粉進入，當磨損量超標時，亦會造成斗箱傾斜，致使舌板卸載完畢復位時難以準確與掛鉤閉鎖。

上述隱患中，極易形成重大設備事故的是箕斗機械閉鎖裝置失效（出曲軌后掛鉤未能有效復位），掛鉤未能掛住箱體，如繼續高速下放，箕斗擋板可能隨時張開，造成斗箱傾斜，砸壞井筒內電纜、風水管路、鋼梁等;還可能在箕斗裝礦后高速提升時受力變形張開致使礦石掉落于井筒中，使尾繩損傷或斷裂。提升機在高速運動過程中，箕斗將與井筒設施撞擊，提升機電控系統瞬間產生巨大電流，沖擊主電動機和傳動系統，造成重大事故。除此之外，近年來隨著箕斗使用年限的迫近，與箕斗運行相關的機械部分因磨損腐蝕等原因帶來的故障和影響生產效率的現象越來越多。由于這些事故在日常生產中具有突發性、隨機性，如果不能及時發現，及時解決，將對安全生產造成不可估量的損失[1]。

為避免上述情況導致生產事故的發生，近年來各礦山企業陸續采用在相應部位安裝光電開關、磁控開關、麥克風，甚至采用攝像頭由專人觀察等對策，但由于誤差過大，惡劣環境影響，極易損壞，維護量過大和成因的不確定性，經常導致漏判或誤判，效果不甚理想[2-3]。因此，亟需開發一種智能化、精度高、穩定性好的提升機箕斗閉鎖裝置。

2提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統

結合當下成熟的技術手段，創新性引入智能化裝備，開發了基于機器視覺技術的提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統。該系統與提升機運行控制系統連接，替代人工完成對箕斗閉鎖裝置非接觸式在線實時監測，即當兩側掛鉤插入深度未達到容忍度或卡箕斗時立即報警（可接入安全回路）。該系統可同時間接分析箕斗在卸礦出曲軌后，導向輪、卸礦輪的運行狀態及箕斗機械閉鎖裝置的旋轉軸承磨損程度和箕斗擋板上下轉軸與軸套的磨損程度（見圖1）。

2.1工作原理

機器視覺是一門涉及諸多領域的新興學科，涵蓋新興物理學、計算機科學、人工智能、神經生物學、圖像處理和模式識別等內容[4]。它利用物理機器模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取有用信息，加以處理和理解，最后用于工程測量和控制。

傳統意義上的工業機器視覺系統由照明光源、光學成像和圖片捕捉系統、圖像處理模塊、決策判斷系統及機電執行機構組成。

由于蠶莊金礦箕斗卸礦后下放時，發生較大的抖動和運動軌跡偏離、日夜環境光源發生急劇變化和箕斗機械閉鎖裝置本體水漬嚴重等諸多因素使得目前所有機器視覺算法失靈，調試過程中多次誤判、漏判。為此，發明了單相機分時多特征點復目匹配算法和自定義雙坐標修光糾偏除水漬算法。此外，現場灑水、漏礦導致不足8h工業相機鏡頭表面污損過多，無法正常判斷。為防止漏礦、落石堵塞機械閉鎖靜態部分掛孔，研發了防塵機械臂和斗箱防護帽、溜礦槽，將上述4種結構有機結合組成提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統。該系統速度快、信息量大、功能多，抗干擾能力強，不受現場環境、箕斗運行速度、斗箱晃動影響，與環境光源無關，與被檢測物體沾水、礦粉、泥沙無關。經過近半年的投用，取得了預期效果。提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統工作流程為：

1）當箕斗機械閉鎖裝置運動到接近拍攝視野中心時，傳感器向圖像采集控制部分發送信號（觸發脈沖）。

2）圖像采集控制部分根據控制程序，在指定區間分別向相機、光源照明系統和防塵機械臂發出啟動脈沖。

3）其中一個啟動脈沖使相機停止目前的掃描，打開曝光機構或事先在程序中設定曝光時間，然后重新開始新一幀的掃描并輸出。

4）將采集的箕斗運動圖像存儲到工控機內存中。

5）工控機程序對圖像進行實時處理、分析和識別，并輸出監測結果。

2.2系統組成

提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統主要由6個子系統組成：

1）數字圖像處理系統（專用算法軟件）。

2）光學成像與光源照明系統。

3）傳感器與數字視頻系統。

4）DSP自動化控制系統。

5）故障記錄與圖像保存查詢系統。

6）光纖傳導與PLC處理系統[5]。

2.3系統功能

提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統可在創建模型時采用2種新發明算法設定箕斗機械閉鎖裝置縫隙嚙合程度，利用工業相機獲得縫隙圖像，通過圖像處理，可快速準確地提取縫隙尺寸，并由工控機輔助評判系統給出監測結論;亦可設定允許斗箱發生水平位移幅度，在線監測時，如有超標，系統可通過軟件智能分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類故障并在機柜顯示屏與操作臺信息提示屏做出相應提示，以方便操作人員進行故障查詢和故障復位。

1）允許掛鉤掛好程度、水平位移程度均可設定。例如：4.0cm高度掛鉤允許1.5～2.0cm輕微未掛好，6.5cm寬度水平位移允許2.0～3.0cm輕微橫向位移。

2）創建模型一鍵式設定，簡單易操作，現場人員可輕松掌握，且模型只需創建一次，完成一次操作后無論現場斷電或通訊故障，將故障復位后都可繼續投用，無需重新創建。

3）具備完整的“聲光+語音報警”及“故障分析與處理對策”體系，將故障分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，且伴隨相應故障語音提示加聲光報警。①Ⅰ類故障有兩側掛鉤均未掛好、卡箕斗等，屬重故障，需立即實施安全制動，發生后卷揚機工需立即停車，停車后相關人員可按觸摸屏常見故障分析及處理對策進行檢查與維修（見圖2）。②Ⅱ類故障有單側掛鉤未掛好等，屬較重故障，若無連續發生則允許本次提升完畢后停車檢查。③Ⅲ類故障有箕斗位移，屬輕故障，若連續發生則本班人員可按故障提示單元處理對策留意觀察。

各類故障均可選擇性投入卷揚機安全回路。例如：Ⅰ類故障自動停車;Ⅱ類、Ⅲ類僅提示，不參與停車。

歷史報警記錄最多可追溯100d，記錄歷史報警的年/月/日/時/分/秒，以及故障類型、內容，并將箕斗掛鉤報警時的形態以圖片形式存儲至硬盤，以便查詢?，F場具備外網或WIFI前提下，在手機端下載云APP，可隨時隨地監控現場實時運行狀態、查看歷史故障記錄等。適配光電傳感器在相應位置監測提升機是否在卸礦后下放中卡箕斗。

2.4系統應用

基于機器視覺技術的提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統自2020年5月投用至今，共捕捉到箕斗兩側掛鉤均未能復位6次，單側掛鉤未能復位25次，箕斗箱體水平位移超標數百次，分析出導向輪松動故障3次，單只脫落故障1次，準確率100%。

基于機器視覺技術的提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統的成功研發投用實現了同類設備非接觸式實時在線監測，在避免重特大設備事故發生的同時也為應急搶修和日常檢修計劃的制定提供了有針對性的可靠依據。

該裝置不僅能夠準確地分辨出箕斗掛鉤狀態，還能監測到箕斗導向輪進入曲軌的狀態，同時也能對箕斗底板密封漏料情況進行觀察，及時掌握箕斗底板密封情況，便于合理安排檢修時間。

3結語

基于機器視覺技術的提升機箕斗機械閉鎖裝置智能分析系統，由于其處理智能化、速度快、精度高、穩定性好等諸多優點而成為在礦山提升系統中應用的最佳選擇，對同類設備的安全生產有著極為重要的現實意義，兼顧了經濟效益和社會效益，推廣應用前景廣闊。

[參考文獻]

[1]郝彩霞.豎井提升系統危險因素分析及三維風險度評價[D].長沙：中南大學，2008.

[2]秦強.大噸位箕斗曲軌卸載技術研究[J].煤炭工程，2004（1）：64-68.

[3]付本慶.主井箕斗卸載方式的技術改造[J].煤炭機械，2009，30（5）：155-157.

[4]唐宇慧，楊敏，劉其洪.基于機器視覺的機械零件直線邊緣精確檢測[J].機床與液壓，2004（12）：188-189，206.

[5]金武飛.礦井直流提升機電控系統的研究與應用[D].北京：機械科學研究總院，2011.

Abstract：Inviewofthefailurethattheskipcannotbeaccuratelyresetaftergettingoutofthecurvedrail，andthattheskipandtheguidewheelloosensupandshiftsorevenfalloff，whenthebottomunloadingdoublehookmechanicallockingskipisadoptedinCanzhuangGoldMine，anintelligentanalysissystemformechanicallockingdeviceofhoistskipbasedonmachinevisiontechnologyisdesigned.Theworkingprinciple，compositionandmainfunctionsofthesystemareintroducedindetail.Thefieldapplicationshowsthatthesystemhastheadvantagesofintelligentprocessing，highspeed，highprecisionandgoodstability，andrealizesnoncontactrealtimeonlinemonitoringofsimilarequipment，whichisofgreatpracticalsignificancetothesafeproductionofsimilarequipment.Thesystemtakesintoaccountbotheconomicandsocialbenefits，andhasabroadprospectofpromotionandapplication.

Keywords：hoist;skip;mechanicallockingdevice;intellectualization;hookdetection;machinevisiontechnology