基于圖像識別的皮帶糾偏控制方案的研究

冷東鍵

（國能四川華鎣山發(fā)電有限公司，四川 達(dá)州 635214）

0 引言

現(xiàn)如今火力發(fā)電廠或其它自動化工廠，例如化工、制造、煤礦等工業(yè)工廠中，廣泛利用傳送帶輸送機(jī)進(jìn)行物料的傳送和運(yùn)輸，傳送帶一般包括輸煤皮帶、脫水濾布、給料機(jī)皮帶等。在輸送機(jī)工作時，由于傳送帶材質(zhì)厚薄不均勻，張力不一致，及機(jī)械運(yùn)行偏差會導(dǎo)致傳送帶在水平方向上出現(xiàn)橫向錯位，不能保持直線運(yùn)行。若傳送帶偏離正常范圍，其邊沿會脫離滾筒，在電機(jī)的巨大拉力下，邊沿將會發(fā)生折疊，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致傳送帶斷裂，進(jìn)而造成人身和設(shè)備的重大安全問題，傳送帶輸送機(jī)的停滯也將嚴(yán)重影響工廠正常生產(chǎn)流程，帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失。為解決以上問題，工業(yè)中一般采用糾偏控制系統(tǒng)對其傳送帶位置進(jìn)行實(shí)時的檢測和糾正，以保證傳送帶正常運(yùn)行，提高產(chǎn)品質(zhì)量和整個生產(chǎn)線的自動化水平[1]。

糾偏控制系統(tǒng)一般由跑偏檢測器、糾偏控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分構(gòu)成，跑偏檢測器用于檢測傳送帶的跑偏情況，將跑偏信號傳送給糾偏控制器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收控制器信號執(zhí)行糾偏操作。其中，跑偏檢測器位于整個系統(tǒng)的最前端，起到關(guān)鍵性作用。其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性直接影響后續(xù)控制、執(zhí)行情況。針對不同類型的傳送帶及不同使用環(huán)境，采用不同形式的跑偏檢測方法，然而檢測效果層次不齊，不少工廠在特定場合使用的跑偏檢測器還存在一定缺陷，從而影響了整個糾偏控制系統(tǒng)的性能。跑偏檢測器仍有很大的發(fā)展和研究空間[2]。

圖1 機(jī)械式開關(guān)檢測 Fig.1 Mechanical switch detection

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)大多數(shù)工業(yè)場景中，糾偏控制系統(tǒng)采用的是接觸式的機(jī)械式限位開關(guān)，即行程開關(guān)，能夠起到簡單的跑偏檢測作用，對此技術(shù)方法的研究國內(nèi)已做得非常成熟。例如，安徽海螺建材設(shè)計研究院申請的專利《一種大功率膠帶輸送機(jī)的控制方法和系統(tǒng)》（公開號CN111453340A），公開了一種獲取膠帶跑偏位移進(jìn)行報警的方法。國內(nèi)針對非接觸式跑偏檢測也有相應(yīng)的研究，例如，西安帝凡合贏科技發(fā)展有限公司申請的專利《一種防跑偏裝置》（公開號CN111127951A），公開了一種基于位移傳感器的車輛行駛位置的檢測方法。以上專利把跑偏檢測和糾偏方法設(shè)計的非常優(yōu)良，但機(jī)械式跑偏開關(guān)或位移傳感器，不能有效用于惡劣工況環(huán)境下的皮帶糾偏。

國外針對工業(yè)中非接觸式跑偏檢測方法的研究，主要涵蓋了一些傳感器的運(yùn)用，包括紅外線傳感器、磁感應(yīng)傳感器、超聲波傳感器、可見光傳感器等。例如，德國的“E+L”公司、日本的三橋公司、意大利的Selectra公司等研發(fā)的糾偏控制系統(tǒng)采用了傳感器技術(shù)，具有較高的糾偏精度、響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。而進(jìn)口糾偏控制系統(tǒng)有諸多缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不方便，故障率并不低。國內(nèi)對這方面的研究起步較晚，主要采用進(jìn)口糾偏控制系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)也不多。其檢測原理都是通過信號調(diào)理器檢測進(jìn)光量、磁通量或聲波強(qiáng)度，將信號傳輸至控制器進(jìn)行判斷。為了配合信號調(diào)理器檢測功能，傳感器的安裝位置有一定要求，且容易受到環(huán)境干擾產(chǎn)生誤差，亦不適用于惡劣工況環(huán)境[3]。

隨著科技和互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)迅速崛起，人類生活逐漸走向智能化、數(shù)字化。人臉識別等圖像識別技術(shù)在當(dāng)今運(yùn)用非常廣泛，若將圖像傳感器引入糾偏控制系統(tǒng)，替代跑偏檢測器，實(shí)現(xiàn)智能化控制，則將有助于提高國內(nèi)傳送帶輸送機(jī)在惡劣工況環(huán)境下的運(yùn)行效果。下面介紹常見糾偏控制系統(tǒng)與圖像識別糾偏方案的研究及對比。

2 常見糾偏控制系統(tǒng)介紹

2.1 糾偏控制系統(tǒng)原理

前面介紹了糾偏控制系統(tǒng)的構(gòu)成，下面以簡單的給料機(jī)皮帶為例，機(jī)械跑偏開關(guān)既是跑偏檢測器，又是糾偏控制器，用于檢測皮帶的左右偏移，如圖1。皮帶向某一方向偏離后，觸發(fā)相應(yīng)跑偏開關(guān)發(fā)出電信號，控制后端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電信號控制繼電器驅(qū)動壓縮空氣電磁閥動作，電磁閥控制相應(yīng)糾偏氣缸充氣和排氣，改變滾筒水平方向角度，帶動運(yùn)行中的皮帶回正，達(dá)到實(shí)時糾偏的目的，如圖2[4]。

圖2 糾偏執(zhí)行原理Fig.2 Execution principle of deviation correction

2.2 機(jī)械式跑偏開關(guān)的缺點(diǎn)

機(jī)械跑偏開關(guān)一般為角行程式，其觸碰桿直接與皮帶邊沿接觸，摩擦力大，容易產(chǎn)生形變，較為細(xì)長的觸碰桿容易振動和彎曲，造成開關(guān)觸發(fā)不穩(wěn)定。而在脫水車間等高腐蝕環(huán)境下，金屬型觸碰桿容易銹蝕卡澀，同樣會造成開關(guān)拒動或誤動；另外，跑偏開關(guān)在長期使用過程中，機(jī)械的觸發(fā)方式?jīng)Q定了其靈敏度也會逐漸降低。跑偏開關(guān)若發(fā)生失靈，會導(dǎo)致皮帶無法正常糾偏。

2.3 非接觸式開關(guān)的適用性分析

面對上述問題，當(dāng)前工業(yè)一般通過用兩種常見的非接觸式開關(guān)替換機(jī)械式開關(guān)。一是磁感應(yīng)開關(guān)，利用磁感應(yīng)探頭發(fā)出信號進(jìn)行控制，但需要在皮帶上加裝磁鐵或在鐵片，難度較大，一般不具備安裝條件；二是紅外射線開關(guān)，通過檢測紅外線進(jìn)光量的方法進(jìn)行判斷，但由于開關(guān)安裝距離皮帶較近，其漿液、煤粉、粉塵容易堵塞光源和檢測器，造成誤判；另外，超聲波傳感器、可見光傳感器類似于紅外射線開關(guān)，近距離安裝仍有上述弊端，安裝也頗為不便。在工況環(huán)境良好的條件下，非接觸式開關(guān)較機(jī)械開關(guān)具有一定優(yōu)勢，更換周期更長，但是往往皮帶傳輸?shù)墓r環(huán)境極其惡劣，不太適合使用這種近距離的非接觸式開關(guān)。

3 圖像識別控制方案的研究

3.1 圖像方案原理

為解決上述技術(shù)問題，結(jié)合人工智能技術(shù)特點(diǎn)，研究一種基于圖像識別的智能皮帶糾偏控制系統(tǒng)，將監(jiān)控裝置采集到的圖像傳輸至電腦進(jìn)行分析處理，通過特定程序算法，模擬人眼觀察，判斷皮帶位置，發(fā)現(xiàn)皮帶偏離正常范圍之后，配合相關(guān)模塊立即發(fā)出控制信號控制相應(yīng)的機(jī)械傳送裝置進(jìn)行糾偏調(diào)整，使皮帶回歸正常位置。這種遠(yuǎn)距離的檢測控制方式，特別適用于輸煤皮帶機(jī)、脫水皮帶機(jī)等惡劣工況環(huán)境[5]。

3.2 圖像方案硬件結(jié)構(gòu)

整體結(jié)構(gòu)包括：1-控制器；2-光耦隔離繼電器模組；3-監(jiān)控裝置；4-氣動控制箱；5-糾偏氣缸；6-糾偏滾筒；7-皮帶；8-固定端。控制器分別連接監(jiān)控裝置和繼電器模組，控制氣動箱中電磁閥動作，驅(qū)動氣缸伸縮，從而改變滾動角度。各部件連接如圖3。

圖3 各部件安裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the installation structure of each component

實(shí)例中，監(jiān)控裝置采用分辨率達(dá)到720P、幀數(shù)達(dá)到30fps的基于CMOS傳感器的工業(yè)高清攝像頭，同時設(shè)有IR-CUT雙濾光片，具備夜視功能，能夠根據(jù)外部光線的強(qiáng)弱隨之自動切換濾鏡，滿足高、低亮度光線環(huán)境的要求，提高成像質(zhì)量。監(jiān)控裝置安裝在固定端上，與皮帶有一定距離，可避免粉塵、漿液、水汽等附著于攝像頭鏡片，影響成像。固定端可以使圖像采集穩(wěn)定，避免圖像抖動、模糊。控制部分和驅(qū)動糾偏部分安裝于控制箱內(nèi)，降低了工廠中某些惡劣環(huán)境對控制器的影響，有效避免在實(shí)際工況環(huán)境下設(shè)備使用時間較長時，造成驅(qū)動控制靈敏度下降的問題[6]。

控制器采用型號為Raspberry Pi 3b+的樹莓派單板電腦，相對于普通計算機(jī)有功耗優(yōu)勢，對于單片機(jī)又有性能優(yōu)勢，其通用性強(qiáng)，響應(yīng)和處理速度快，具有GPIO接口可直接輸出控制信號。光耦隔離模塊有效隔離強(qiáng)電沖擊，保護(hù)控制器不受損壞。光耦隔離連接繼電器輸出，采用5V低電壓繼電器控制外部電磁閥動作，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。控制部分電路圖如圖4[7]。

圖4 控制部分電路圖Fig.4 Circuit diagram of the control part

控制部分的硬件放于控制箱中，實(shí)物圖如圖5，從左往右分別為工業(yè)攝像頭、光耦隔離繼電器模組、單板電腦。

圖5 控制部分實(shí)物圖 Fig.5 Physical map of the control part

3.3 圖像識別的軟件算法

單板電腦樹莓派安裝好Linux系統(tǒng)及OPENCV運(yùn)行庫，編寫C++或Python代碼并執(zhí)行。程序配置完攝像頭后獲取視頻流，30幀的視頻每秒可以獲取30個畫面，以便更密集和快速地計算；灰化圖像和高斯模糊使圖像黑白化和蛻化，清晰度提高；邊緣檢測是通過設(shè)置黑白的高低閾值提取需要的邊緣信息；邊緣膨脹化可填充凹凸邊緣，使邊緣連貫平滑；遍歷閉合區(qū)域是將所有閉合區(qū)域查找出來，通過設(shè)定區(qū)域面積大小來判斷閉合區(qū)域，可確定并畫出皮帶在畫面中的輪廓；畫標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)是根據(jù)畫面中皮帶的具體位置，人為設(shè)定兩個絕對坐標(biāo)而劃定皮帶跑偏邊界，而判斷坐標(biāo)是否在皮帶輪廓之內(nèi)；分組取值是通過每10個或多個為一組來計算一個標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)落入輪廓的概率，概率在90%及以上且另一個標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)在輪廓外，則判斷皮帶向左或向右跑偏，這樣可以起到軟件消除誤差的作用；GPIO輸出為引腳高低電平輸出至光耦繼電器模組，完成控制。具體算法圖如圖6[8]。

圖6 程序算法圖Fig.6 Program algorithm diagram

以上算法需根據(jù)圖像實(shí)時狀態(tài)和實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)試，設(shè)定各個步驟的相關(guān)參數(shù)，達(dá)到最佳的糾偏動作效果。實(shí)例中，脫水濾布或皮帶識別的輪廓用紅色線填充顯示，左右標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)用黃色填充顯示。識別效果如圖7，濾布向右偏移，左標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)在輪廓外，右標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)在輪廓中，此時控制器判斷濾布向右偏移，發(fā)出向左的糾偏控制信號。糾偏完成后識別圖如圖8，左右標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)均在輪廓之外，控制器不發(fā)出糾偏信號，濾布正常運(yùn)行。

圖7 濾布向右偏移Fig.7 The filter cloth is shifted to the right

圖8 濾布回正Fig.8 Filter cloth back to normal

對于不同皮帶的糾偏識別判斷，通過調(diào)整監(jiān)控裝置至合理位置，改變控制器算法參數(shù)：大面積的識別需要設(shè)大閉合區(qū)域面積，小面積皮帶識別反之亦然，光線變化時調(diào)整灰化、模糊的強(qiáng)度，邊緣檢測的閾值等，則可以達(dá)到相同的識別效果和判斷目的，而不受皮帶面積大小和位置的影響，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

3.4 圖像方案效果

通過新方案的設(shè)計，硬件安裝、軟件調(diào)試和效果驗(yàn)證，本套裝置成本低廉，效果良好，安裝在華鎣山電廠#1脫水皮帶機(jī)上投運(yùn)一年以來，脫水皮帶裝置運(yùn)行可靠性大幅提升，糾偏裝置拒動和誤動風(fēng)險明顯降低。脫水皮帶跑偏開關(guān)問題得到根治，減少了機(jī)械跑偏開關(guān)更換頻率，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了維修和更換濾布的成本，同時減少了檢修人員的維護(hù)工作量，保障了人身和設(shè)備安全。

3.5 方案改進(jìn)與簡化

本方案仍有優(yōu)化和改進(jìn)的空間。在生產(chǎn)車間或室外現(xiàn)場的墻面、固定支架上，通常安裝有高清監(jiān)控攝像頭，工作人員在控制室可通過上位機(jī)顯示器遠(yuǎn)程監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀況。在光線滿足的情況下，或?qū)z像頭更換為IR-CUT雙濾鏡型，將監(jiān)控攝像頭按上述方案調(diào)整安裝位置，正對皮帶運(yùn)行部位，使獲取的圖像滿足識別要求，則無需單獨(dú)加裝專用攝像頭和核心控制器，直接通過監(jiān)控上位機(jī)進(jìn)行糾偏控制。

上位機(jī)遠(yuǎn)程控制的方法進(jìn)一步減少硬件結(jié)構(gòu)和成本，僅需增加控制電纜長度，而高清監(jiān)控設(shè)備通常具有1080P或更高的分辨率和幀率，上位機(jī)微型計算機(jī)亦具有更快的處理速度。此設(shè)計方法更多集中在軟件層面，各廠家的監(jiān)控設(shè)備軟件一般具備開放的API接口和SDK軟件開發(fā)包，方便用戶二次開發(fā)和接入，程序?qū)崿F(xiàn)方法和上述方案一致，糾偏控制效果可進(jìn)一步提升[9]。

4 總結(jié)

圖像糾偏控制方案的研究及應(yīng)用以國家能源集團(tuán)華鎣山電廠為基礎(chǔ)，用以改裝脫水濾布跑偏開關(guān)，提高脫水皮帶運(yùn)行的可靠性和脫水效果，有效杜絕了跑偏開關(guān)拒動和誤動的風(fēng)險。本方案具有判斷精準(zhǔn)，安全智能，使用壽命長，功耗低，成本低的特點(diǎn)。研究成果可用于電廠輸煤皮帶，給料機(jī)皮帶，亦可用于化工、制造、煤礦等行業(yè)的傳送帶糾偏。本方案的改進(jìn)與簡化形式，合理利用現(xiàn)場監(jiān)控裝置，可達(dá)到更高的使用價值和運(yùn)行效果。方案可在糾偏控制系統(tǒng)廠家及相關(guān)工業(yè)企業(yè)進(jìn)行推廣，提高傳送帶糾偏控制系統(tǒng)的運(yùn)維水平。