一種基于光電技術(shù)的智能化選礦方案

鄭華平

（中國鋁業(yè)股份有限公司廣西分公司礦業(yè)公司，廣西 百色 531400）

0 引言

礦產(chǎn)資源屬于不可再生資源，對我國工業(yè)發(fā)展具有重要作用，秉承可持續(xù)發(fā)展理念，需要將傳統(tǒng)粗放式選礦轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊⒅悄芑途G色精細(xì)化選礦。礦山采集出的原礦分為礦石和廢礦兩種，選礦工藝就是將礦石和廢礦進(jìn)行區(qū)分，并且將不同品質(zhì)的礦石進(jìn)行劃分。在傳統(tǒng)人工手選選礦中，工人可以通過原礦的顏色、紋理、成分信息等因素完成選礦，但由于原礦中礦石和廢礦的比例約為1:5，并且廢礦的種類較多，包括泥團(tuán)（二氧化硅含量高）、廢石（如石灰石等，氧化鈣含量高）、樹杈雜物等，使用人工粗選的方式勞動強(qiáng)度較大，無法實(shí)現(xiàn)長時間的連續(xù)工作，加之目前人力資源成本逐步走高，人工選礦的方式已經(jīng)不再適用于當(dāng)今的礦產(chǎn)行業(yè)。

應(yīng)用光電智能分選二氧化硅和氧化鈣技術(shù)改造設(shè)備后，結(jié)合智能化、機(jī)械化、自動化技術(shù)，可對每一塊礦石（包括泥團(tuán)、廢石、樹根等混雜物）進(jìn)行嚴(yán)格的掃描、分析判斷，然后快速將其判定為礦石或廢石，再通過人工智能和機(jī)械等手段，完全替代人工，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能礦石粗選。智能化選礦具有判斷精確、連續(xù)工作能力強(qiáng)、工作效率高、選礦品質(zhì)高等應(yīng)用優(yōu)勢，能夠大幅度提升礦石產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 基于光電技術(shù)的智能化選礦方案硬件部分

基于光電技術(shù)的智能化選礦方案由智能化選礦設(shè)備方案（硬件部分）和智能化選礦算法方案（軟件部分）兩個部分構(gòu)成，其中算法方案主要針對電荷耦合元件（chargeˉcoupled device, CCD）檢測模塊的應(yīng)用。智能化選礦設(shè)備包括震動給料機(jī)、傳送帶、視覺檢測模塊（CCD 檢測模塊）3 個部分，能夠?qū)⒋址攀降膩砹线M(jìn)行高精度分料，將原礦中的礦石和廢礦進(jìn)行區(qū)分，并按照礦石品質(zhì)進(jìn)行分級傳送，智能化選礦設(shè)備方案原理如圖1 所示[1]。

圖1 智能化選礦設(shè)備方案原理

1.1 震動給料機(jī)

震動給料機(jī)屬于機(jī)械化設(shè)備，若工程預(yù)算較高，可以應(yīng)用可編程邏輯控制器將震動給料機(jī)與控制設(shè)備進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)自動化。若工程預(yù)算較低，可以對震動給料機(jī)的機(jī)械部分進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而提高選礦環(huán)節(jié)的效率。機(jī)械部分的調(diào)整如下：①將震動給料機(jī)的長度延長至1.5 m，總體規(guī)格為1.5 m×1 m，從而提升來料的容量，同時兼容來料皮帶的速度均勻性和礦石的薄厚不均。②增大震動給料機(jī)的傾斜角度，較大的傾斜角度有助于通過釋放來料的重力來提升下料速度，進(jìn)而提高選礦速度。③在震動給料機(jī)中應(yīng)用防噪聲材料，震動給料機(jī)在運(yùn)行過程中的噪聲污染較大，不僅不利于節(jié)能減排，還會對工作人員的健康造成威脅，使用防噪聲材料能夠減少震動給料機(jī)的噪聲污染[2]。

1.2 傳送帶

本文的智能化檢測方案是以CCD 為核心構(gòu)成的，而CCD 只能對單體原礦進(jìn)行圖像識別和圖像處理，與震動給料機(jī)批量式的輸入方式相沖突，所以需要在震動給料機(jī)和CCD 之間增設(shè)傳送帶，通過傳送帶將震動給料機(jī)灑落的原礦進(jìn)行差速分離，進(jìn)而使原礦以單體化的形式進(jìn)入CCD 檢測模塊。應(yīng)用在選礦環(huán)節(jié)的傳送帶分為5 個部分，分別是震動給料機(jī)下落區(qū)、礦石滾動區(qū)、同步傳送區(qū)、CCD 拍照區(qū)、礦石剔除區(qū)[3]。并且傳送帶的設(shè)置具有4 點(diǎn)要求：①傳送帶的速度應(yīng)設(shè)置為1.5～2.5 m/s，可以根據(jù)震動給料機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整，同時滿足不同類型石頭的傳送、拋棄要求。②傳送帶應(yīng)使用耐磨、耐腐蝕、耐用的礦山專用皮帶，進(jìn)而延長使用壽命和提升運(yùn)行穩(wěn)定性。③傳送帶的動力機(jī)構(gòu)應(yīng)為變頻器和減速機(jī)，對電力波動容忍性大，且運(yùn)行速度平穩(wěn)，不會受到石頭下落、數(shù)量等影響。④同步傳送區(qū)內(nèi)CCD 拍照應(yīng)實(shí)現(xiàn)采集圖像不失真，進(jìn)而保證礦石分類分級的一致性和可重復(fù)性[4]。

1.3 CCD 檢測模塊

CCD 檢測模塊是智能化選礦方案的核心設(shè)備，可以對傳送帶傳送進(jìn)來的單體化原礦進(jìn)行成像、處理、分析、判斷等。CCD 檢測模塊的硬件部分包括成像相機(jī)和成像光源，成像相機(jī)采用雙相機(jī)雙光源的方式，單個相機(jī)成像視野大小是500 mm，線像素的分辨率是4096，所以單像素的分辨率是0.122 mm/pix，相機(jī)采用加拿大DALSA 線掃描相機(jī)，采用雙線mini camera link 數(shù)據(jù)傳輸線和采集卡，滿足100 kHz的線掃描采集速度，在應(yīng)用前應(yīng)對相機(jī)進(jìn)行黑白平場矯正，解決鏡頭成像中間亮、兩邊暗的普遍問題；成像光源采用高亮聚光光源，能夠發(fā)出高亮度平行光，光亮度為10 000 lux、光帶寬度為30 mm，中心亮度與線掃描中心線重合，平行光對不同形貌礦石的成像效果顯著，礦石前后各分布一條光源，能夠保證礦石前方、后方亮度的一致性[5]。

2 基于光電技術(shù)的智能化選礦方案軟件部分

智能化選礦方案軟件部分的主要功能為控制CCD 檢測模塊和控制系統(tǒng)的人機(jī)交互，能夠提升成像、處理、分析、判定等工藝環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)性和精度。軟件部分包括處理時間、處理算法、軟件界面和控制模塊[6]。

2.1 處理時間

鋁礦采集出的原礦種類較多、規(guī)格較為復(fù)雜，需要CCD 檢測模塊進(jìn)行單體化成像，進(jìn)而保證圖像識別的精度，但這種單流水線檢測方式的效率較低。基于此，運(yùn)用多流水線并行檢測方式，并行執(zhí)行每幀圖像，配合傳送帶均勻運(yùn)行，能夠在保證檢測精度的同時提升檢測效率。所以在處理時間參數(shù)設(shè)置中，以1.5 mm/s 速度、0.5 m 距離為例，每幀圖像的處理時間可以設(shè)置為330 ms。對檢測精度要求高時，可以適當(dāng)延長圖像處理時間；若對檢測效率要求較高，可以縮短圖像處理時間[7]。

2.2 處理算法

上述說明的智能化選礦方案為多流水線并行檢測方式，在實(shí)際檢測過程中常會出現(xiàn)當(dāng)前幀中的原礦圖像不完整的問題。基于這種現(xiàn)象，可以在處理算法中將上一幀、當(dāng)前幀、下一幀圖像進(jìn)行拼接，進(jìn)而形成完整的原礦圖像。具體算法流程分為5 步：第一步需要將上一幀、當(dāng)前幀和下一幀拼接為完整圖像；第二步將完整圖像二值化，再搜尋連通域；第三步需要篩選當(dāng)前幀圖像完整Blob 的區(qū)域；第四步對Blob進(jìn)行外形、紋理、灰度分析；第五步根據(jù)礦石廢石分類規(guī)則進(jìn)行分類決策，判斷原礦是礦石還是廢礦，礦石廢石分類規(guī)則如表1 所示[8]。

表1 礦石廢石分類規(guī)則

2.3 軟件界面

智能化選礦方案的軟件界面使用C 語言進(jìn)行開發(fā)，并且應(yīng)用德國專業(yè)圖像處理庫HALCON 12 算法庫，軟件界面及功能如表2 所示。

表2 軟件界面及功能

2.4 控制模塊

智能化選礦方案的控制模塊包括IO 板卡、編碼器采集卡、功率放大板卡、皮帶變頻控制系統(tǒng)和高精度氣閥分離機(jī)構(gòu)。當(dāng)CDD 檢測模塊給出檢測結(jié)果后，結(jié)合編碼器采集卡的計數(shù)值及先驗(yàn)知識（距離、速度等）將處理后的結(jié)果通過IO 板卡傳出，然后采用功率放大板卡對信號進(jìn)行功率放大，驅(qū)動高精度氣閥的啟動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦石廢石的分揀。控制模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 控制模塊結(jié)構(gòu)

3 智能化選礦方案的創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 原礦檢測覆蓋率較高

礦石處理粒度主要受線掃描成像分辨率、運(yùn)動分辨率、噴嘴分辨率和外部誤差的影響。其中成像分辨率的成像系統(tǒng)采用兩個4K 線掃描相機(jī)，像素的分辨率為1000 mm/（4096×2）=0.12 mm/像素；運(yùn)動方向分辨率系統(tǒng)采用勻速傳送皮帶+編碼器的方式，保證了采集的礦石大小長寬比1:1，不失真（注意：基于自由落體方式采集的圖像會發(fā)生失真，影響處理結(jié)果），所以運(yùn)動方向的分辨率=成像分辨率=0.12 mm/像素；噴嘴分辨率系統(tǒng)的噴嘴個數(shù)為74 個，單個噴嘴最小的作用力區(qū)域?yàn)?3.5 mm；外部誤差代表石頭運(yùn)動誤差、形狀抖動誤差累積3.5 mm。所以礦石成像精度為0.12 mm/像素，剔除精度為17 mm，礦石最小可實(shí)現(xiàn)17 mm 礦石的分選，經(jīng)試驗(yàn)，礦石最大穩(wěn)定剔除粒徑為100 mm。

3.2 原礦成像精度較高

智能化選礦方案使用專用光學(xué)系統(tǒng)，創(chuàng)新應(yīng)用兩個專業(yè)高亮聚光光源，高亮聚光光源為平行光，光源亮度高、不分散，能夠讓礦石成像完整無死角、清晰度強(qiáng)不虛焦，成像質(zhì)量較高。同時選礦設(shè)備中的傳送帶傳送平穩(wěn)、運(yùn)動均勻，能夠?qū)⑦\(yùn)動對成像的影響降到最低。加之多條流水線并行檢測方式能夠讓前后礦石互不干擾、成像精度較高。

3.3 產(chǎn)品分類決策準(zhǔn)確

傳統(tǒng)的人工手選選礦方式雖然能夠通過人工進(jìn)行分類決策，在短期內(nèi)的決策準(zhǔn)確度較高，但在長時間的連續(xù)工作下，疲勞導(dǎo)致的注意力集中程度下降不可避免，所以常會出現(xiàn)初期決策準(zhǔn)確性較高但整體準(zhǔn)確性較低的情況。而使用人工智能技術(shù)，通過CCD 成像和具體的原礦分類規(guī)則進(jìn)行決策，能夠在檢測過程中，不斷累積檢測經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測精度越來越高的目標(biāo)。若在智能化選礦方案中應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，然后系統(tǒng)在檢測中儲存訓(xùn)練數(shù)據(jù)，累積足夠的訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)后則能夠建立接近真實(shí)的分類決策網(wǎng)絡(luò)，無須采用參數(shù)即可對礦石、廢石進(jìn)行分選。

4 結(jié)語

綜上所述，本文提出一種基于光電技術(shù)的智能化選礦方案，硬件部分由震動給料機(jī)、傳送帶、CCD檢測模塊構(gòu)成，并設(shè)計出相應(yīng)的軟件部分進(jìn)行驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)選礦工藝的智能化、自動化轉(zhuǎn)型。智能化選礦方案可以避免傳統(tǒng)人工選礦方案中人力資源成本過高、選礦效率低、連續(xù)工作能力差的缺點(diǎn)，能夠通過自身高精度的礦石研判能力，實(shí)現(xiàn)10～100 mm 規(guī)格礦石的全覆蓋處理、專用光學(xué)系統(tǒng)的高分辨率成像以及智能化產(chǎn)品分類決策功能，具有較高的應(yīng)用價值和經(jīng)濟(jì)價值。