粗銅錠表面隨機選點鉆樣系統改造設計*

陳元招

(閩西職業技術學院 智能制造學院,福建 龍巖 364021)

粗銅鉆樣是選礦廠生產中檢查和調整工藝過程的最重要的步驟,鉆樣就是從大量的物料中采取少量能代表全部物料性質的試樣,即采取的試樣的礦物組成、化學成分、物理性質應與原料一樣[1]。試樣量越多,誤差越小,因此鉆樣的工作是十分重要的,要求操作人員在鉆樣時一定要嚴格按操作規定的方法和時間去取樣,否則就不能使所取的試樣具有代表性,也就失去了檢測意義,起不到監督生產的作用[2-3]。

隨機鉆樣是按照人工或機器隨機鉆樣選點的方法確定鉆樣位置,目前某銅業公司對進廠粗銅錠采用人工鉆樣,鉆樣地點為粗銅錠堆場,設備為搖臂鉆床,樣品為鉆屑,取樣方式為隨機選取粗銅錠取樣點,即操作人員先觀察粗銅錠表面是否有明顯問題,再按選點進行鉆樣,可能導致粗銅錠質量檢測問題[4-6]。近年來,隨著生產需求增加,某銅業公司進行了40萬噸升級改造,對粗銅需求量同步增加,導致粗銅錠鉆樣工作量大幅增加,且很難保證鉆樣的隨機性。為了保證鉆樣選點過程的合法合規,防止取樣作弊,亟需研發一套粗銅錠表面鉆樣隨機選點系統,實現無人干涉自動化作業,確保進廠粗銅錠質量。

1 人工鉆樣存在的問題

現有的粗銅錠表面鉆樣采用人工操作,且在鉆樣過程中易受到外界因素干擾,存在如下問題。

1)工作效率低。在粗銅錠鉆樣時,操作人員通過觀察判斷,每次操作過程需要一定時間選點鉆樣,導致工作效率低,無法實現大批量鉆樣。

2)可靠性差。粗銅錠鉆樣過程完全依靠人力,無法做到實時掌握粗銅錠抽取到鉆樣的建檔、識別、數據記錄、跟蹤、動態監測以及儲存狀態、檢測記錄、試驗數據等大數據統計分析,采用人工鉆樣,參與的人多,且工作量大,出錯率高,出現管理混亂,無法實現鉆樣的系統管理。

3)安全性差。粗銅錠整個鉆樣過程采用人工操作,存在一定的人為因素概率,很難保證鉆樣過程的合法合規。

2 粗銅錠表面隨機選點鉆樣系統架構設計

針對粗銅錠表面人工鉆樣過程存在工作效率低、可靠性及安全性差的問題,為了確保進廠粗銅質量,開發一套由視頻模塊、AI檢測模塊、控制模塊、結果展示模塊、配置模塊組成的隨機鉆樣系統。其中,AI檢測模塊具有視頻模塊檢測后識別粗銅錠,按鉆孔個數要求隨機選取粗銅錠的鉆孔位置,激光指示燈位置/攝像頭圖片位置校準功能;控制模塊通過檢測操作控制按鈕實現鉆孔控制,取樣號、鉆樣號輸入模塊進行信息錄入,進行取樣正確/錯誤判斷,選取激光指示燈指示。

2.1 功能性能指標要求

首先鉆床能夠自動掃描粗銅錠外觀,實現自動隨機劃分區域進行布點鉆樣。人員根據指示的激光位置進行鉆樣,若人員沒按指定位置進行鉆樣應立即報警。每次取樣都應進行前后照片對比并保存以便事后檢測。同時需有一套定制的信息系統,系統用于智能識別和控制現場設備并將信息接入公司生產管控系統進行數據互通。主要性能指標要求如下。

1)實現與公司MES系統信息打通,車輛數據與抽樣數據一一對應可查詢。

2)實現指定位置上車輛上的粗銅任意平鋪AI視覺自動指標標記,激光可準確指示。抽樣自動識別標記成功率不低于95%。

3)實現鉆樣臺上粗銅AI視覺自動指標標記,激光可準確指示。抽樣自動識別標記成功率不低于95%。

4)系統抽樣過程全程可追溯,抽樣過程錯誤可自動報警,賬號權限分級管理,審計功能簡單便捷。

5)實現移動端現場操作功能。

2.2 實施架構設計

2.2.1 鉆孔臺現狀

堆場現有4個鉆孔機(見圖1),位置已經設置好,鉆孔設備搖臂可以3軸方向移動,支持向下鉆孔;樣品擺放于木墩上,然后進行取樣。取樣過程采用多是20個宮格,選取3個宮格位置進行鉆孔,然后選取鉆樣樣品進行下一步的檢測。

圖1 鉆孔機

2.2.2 拍攝指示系統部署

在堆場鉆樣機器正上方布放工業相機,布設位置垂直于鉆樣臺,確保鉆樣狀態穩定,且少人工干涉。攝像頭根據安裝高度和拍攝尺寸0.5 m×0.5 m～1.2 m×1.2 m,要求攝像頭的視場角較小。在安裝高度為2.5 m的情況下,視場角在26°以上。目前普通的200 W像素攝像頭可以清晰分辨出該尺寸大小的物體的詳細信息。

2.2.3 激光指示系統

激光指示燈按照區域進行排布,需要能覆蓋整個鉆樣區域。樣品的擺放不能超出鉆樣區域,以免指示不完全。激光照射位置示意圖如圖2所示。

圖2 激光照射位置示意圖

1)AI識別系統部署。

在堆場本地機房布放邊緣AI智能服務器,邊緣AI智能服務器中部署了AI自動取樣算法和系統,對實時獲取的監控圖片進行AI智能分析,實現如下識別:a.自動抽取鉆樣位置,并通過激光器指示鉆樣位置;b.銅錠鉆樣位置判斷,確定是否鉆樣準確。

2)指示系統部署。

采用壁掛觸摸一體機進行指示,顯示內容如下:a.顯示當前鉆孔區內銅錠的位置;b.顯示激光指示圖示;c.鉆樣前后對比照片展示;d.開始和結束控制;e.鉆孔位置錯誤提示。

3)留證系統部署。

根據取樣號留存照片,照片共3張:鉆樣前/鉆樣后/鉆樣前后重疊照片。其中在客戶端顯示時,列表顯示重疊照片的縮略圖,方便直接比對;詳情查看時才具體查看3張圖片的詳細信息。實施方案架構如圖3所示。

圖3 粗銅錠隨機鉆樣實施架構示意圖

3 粗銅表面隨機選點鉆樣系統操作流程設計

在粗銅錠表面隨機鉆樣流程中,需要使用鉆床對粗銅錠進行鉆樣。鉆樣前應將搖臂移開,使攝像頭可以完整拍攝到待鉆樣的銅錠,并隨機取點進行激光照射。鉆樣后需要再次將搖臂移開,使攝像頭可以拍攝到完整的鉆孔位置照片。隨機鉆樣點選取流程如圖4所示。圖4中,虛線框流程表示涉及人工參與或操作,具體流程如下。

圖4 粗銅錠表面鉆樣操作流程圖

1)將粗銅錠在鉆孔臺上放置好后,移開搖臂。

2)在系統中輸入取樣信息,包括車牌號、取樣號(與粗銅錠隨機取樣號一致,用于標識當前鉆樣點選取與粗銅錠取樣的對應關系)、鉆樣號(用于區分鉆樣點選取次數)、鉆樣數量,操作“開始”按鈕,向控制系統下達隨機鉆樣點選取指令。鉆樣數量默認為3個,可修改。

3)由工業相機拍攝粗銅錠的俯視照片,識別粗銅錠的位置。工業相機識別結果實時展示在屏幕上,將識別出的粗銅錠以綠色線框圈出標識。

4)控制系統根據設定的鉆樣數量,計算出粗銅錠被選取的鉆樣點,下發動作指令到激光指示器控制器,控制器打開激光指示器,將指示光束打到被選取的粗銅錠表面。一次性指示所有被選取的鉆樣點,引導鉆樣。

5)由人工將被指示光束打到的位置用粉筆圈出,操作鉆孔機進行相應操作,操作完成后,操作員再次移開搖臂。

6)人工向控制系統下達鉆孔取樣結束指令,由工業相機重新進行視覺識別,對取樣正確性進行判斷,確認鉆孔取樣是否正確。若出現取樣錯誤情況(鉆錯/漏鉆),則進行聲音提示和二次確認,人工處理鉆錯/漏鉆情況后再次向控制系統下達鉆孔取樣結束指令;若直接確認,則進行下一步。

7)關閉激光指示器,上傳鉆樣前后對比圖片,并進行坐標系實時校準。

8)若因異常原因需重新鉆樣,需登錄管理員賬號,選擇剛剛的鉆樣記錄,操作“重新開始”按鈕,輸入重新鉆樣原因后,開始重新選取鉆樣點,重復步驟3～步驟7。“重新開始”按鈕只有管理員有操作權限。

9)若無需重新鉆樣,則本次鉆樣結束。

4 粗銅錠隨機選取子系統功能架構設計

粗銅錠隨機選取子系統整體上分為3層6大功能模塊及1個數據庫,其中3層分別為接口層、分析層、UI層,而6大功能模塊分別為工業相機接口模塊、智能激光指示器接口驅動模塊、AI檢測與分析模塊、數據存儲模塊、安全管理模塊、信息展現與操作模塊。數據庫分別為歷史樣本數據庫、系統配置數據庫、用戶權限數據庫。隨機選取子系統功能架構圖如圖5所示。接口層與UI層的取樣觸發操作聯動,實現基于用戶操作的工業相機拍照采樣,適配工業相機文件傳輸接口模式,實時接收相機采集的圖像數據,通過該接口將備選取的粗銅錠位置驅動多臺指示器指向對應的粗銅錠。分析層通過AI檢測模塊,實現對采集圖像中的粗銅錠的識別與位置標注,并將識別結果實時展現到UI界面,同時保存到數據庫中存儲,對每一塊銅錠或陽極板進行位置坐標計算,并對其進行編號,基于銅錠位置測算與定位模塊分析結果,按照銅錠總數的15%隨機抽樣,采用AI檢測算法,判斷指示位置上銅錠是否已經被運走,分析實際運走的銅錠與指示銅錠是否對應。UI展現層采用成熟的B/S架構,方便開發、運維。

圖5 隨機選取子系統功能架構示意圖

5 粗銅錠表面隨機選點鉆樣系統應用效果

該系統將直接應用在某銅業公司的金屬冶煉配套的相關產品中,實施產業化,不僅能保證取樣過程的合法合規,防止取樣作弊,而且能夠實現粗銅抽樣的無人化、自動化作業,確保紫金銅業40萬噸升級改造項目順利實施,持續帶來產業化收益。按照該公司現有每年70億元的粗銅錠采購量,通過這套系統可提高萬分之一到千分之一的檢驗準確性,每年至少可以挽回200萬的經濟損失。該系統應用進一步提升了公司的智能化水平,通過技術手段杜絕了不法商人與內部人員內外勾結摻假造假的可能,糾正了行業的不良之風,減少了原料造假造成的生產損失,提高了公司的ESG水平,同時對行業也有很好的示范效益。