动态多物料模糊识

1、2 摘摘 要要:本文介绍韶钢开发应用的一种基于图像识别控制的动态多物料皮带秤计量系统，该系统能够在线自动识别和分别计量同一皮带输送线上3-4类不同类物料，解决长期以来韶钢原料直供高炉的球团、块矿、焦碳等物料无法分别计量的难题，实现入炉物料精细化计量管理，为原料平衡和成本核算提供计量依据。 关键词：关键词：计量物料在线自动识别电子皮带秤CAN总线3长期以来，韶钢从原料直供炼铁系统的球团、块矿、焦碳等物料依靠皮带输送线运输，这些物料的计量依赖于安装在皮带输送线的常规电子皮带秤进行混合总量计量或理论结算，无法实现球团、块矿等入炉物料的分别计量。经过多年的论证探索，结合目前国内最先进的技术，我们认为利

2、用图像识别信息和一秤多物料计量技术可以解决这一难题。 4 基于这一思路，在韶钢炼铁系统皮带运输计量改造工程中，我们与中国科学院沈阳自动化研究所、长沙湘计自控系统有限公司合作开发了基于图像识别控制的动态多物料皮带秤计量系统，该系统经过半年的试运行后，性能稳定，现已正式投入使用，为原料平衡和炼铁系统成本核算提供可靠的计量数据。5 本文首先详细介绍了整个系统的构成；然后具体说明系统所应用的一项关键技术物料识别方法的基本原理；最后对本文作一小结。6皮带输送机输送球团、块矿、焦碳全悬浮秤架皮带秤多物料识别控制器皮带秤仪表WPC2000皮带输送机智能多物料智能识别相机焦碳球团块矿数据采集操作子站韶钢数据采

3、集管理系统微机监控操作站图1系统结构框图7 如图1所示，基于图像识别的动态多物料皮带秤计量系统主要由三部份组成：（1）物料识别控制系统，包括工业彩色智能相机和同步光源构成的图像识别模块、多物料识别控制器及微机监控操作站；（2）一秤多物料计量电子皮带秤，包括全悬浮六托辊秤架、下压式平托辊轴装式脉冲信号速度传感器和多物料计量仪表（WPC2000CAN）；（3）CAN通讯模式构成的数据采集操作子站。8 动态多物料图像识别控制系统的功能是对同一皮带输送线的不同物料如焦碳、球团矿、块矿能够稳定识别并输出相对应的无源开关量控制信号，其硬件系统主要由德国Vision Components公司工业智能相机VC

4、2065/E/C 、图像处理工业镜头、图像处理工业专用光源、多物料识别控制器和现场防护设备等构成。软件系统由运行于智能相机的图像识别软件和运行于微机监控站的数据管理软件构成。 9图像识别模块主要由工业智能相机(VC2065/E/C)、镜头和专用光源等组成，主要完成图像的采集和处理。VC2065/E/C是一款工业智能彩色相机，其内部集成一块TMS320C6211 DSP处理器，它不仅能够在专用光源的同步照明下获取稳定、可靠、一致的物料彩色图像，而且运行着图像识别软件，能够直接完成图像的处理和识别，然后将识别结果通过PLC接口输出。该相机实际上是一套完整的小型计算机视觉系统。10 多物料识别控制器

5、的功能是为相机和同步光源提供稳定的相应电源，接受工业智能相机输出的物料控制信号并进行光电隔离后输出控制信号给电子皮带秤仪表；同时，因皮带输送机为间断送料设备，送料时存在空转情况，为延长相机及光源设备的使用寿命，系统由皮带秤仪表的皮带启动停止信号（开关信号，无源）触发信号控制运行。 11主要性能指标如下： 能使用现场具备的22030伏50H交流电源； 输入量：接受皮带启动停止信号（开关信号，无源）的触发信号控制运行； 输出量：输出识别的 3种物料（焦碳、球团矿、块矿、备用物料）以上的对应光电隔离且具有保持功能的无源开关量信号。12 微机监控操作站安装于送料操作室内，其功能为监控和自动（无需人工干

6、预）存贮识别系统的采集图像（按采集时间、物料类别、送料始止时间分组存贮），以供查询监控之用，不参与识别系统的现场控制采集。容量（存贮识别系统的采集图像）为15天（每天送料约为810小时）以上。13 一秤多物料计量电子皮带秤是在传统的计量电子皮带秤改进的，它的检测一次元件仍为全悬浮秤架，速度传感器为国内首次采用的平托辊轴装式脉冲信号传感器，二次仪表（称重显示控制器）为WPC2000CAN通讯的多物料计量仪表。14 （1）全悬浮秤架是目前国内外先进的计量皮带秤秤架，该种形式的秤架采用四个传感器结构，利用皮带输送机的机架支撑秤架悬架，将称量框架用四个S型传感器连接于秤架悬架下面，整个秤体类似于静态平

7、台秤一样全悬浮于皮带输送机的机架上，整个秤体没有簧片或绞链支点，能够全面有效地传递垂直重力（物料重力和皮带重力），为尽量克服皮带张力及皮带跑偏引起的侧向力，秤体应保证有足够的自重和6托辊以上的长度，秤体的托辊的槽形倾斜角与输送机的托辊应保持一致，采用原输送机的托辊是最佳选择。因此，我们在考虑现场的技术要求后对秤体选型如下：采用原输送机型号的6组托辊全悬浮式秤架，采用TEDEA616S型高精度传感器，为增加秤体自重和减少。 15这样的秤架结构有如下优点： 全悬浮式秤架因为无支点及传力杠杆，重量传送至称重传感器更直接，更有效，减少了由于支点、簧片连接带来的力传送误差，计量性能更稳定可靠； 由于称重

8、有效长度增长，皮带在运行过程中零点和示值的稳点性增强，有效地克服簧片变型、皮带跑偏和托辊摩擦造成的误差。 抗干扰能力相对较强，由于长度大，托辊组增多，秤架自身比较重，对外界的振动和物料块度大小不均的干扰等能力较强。 S型称重传感器与称重框架采用关节轴承联接，能有效地消除侧向力的影响。16 （2）平托辊轴装式脉冲信号速度传感器。计量皮带秤速度传感器的结构形式也是决定电子皮带秤精度的重要环节，国内各类计量秤的速度传感器大都采用小车式结构，只是不同厂家小车式结构有所区别，大部采用双轮结构和加重小车重量以图克服单轮测速侧向偏转的测量误差，但对皮带跳动引起的空跳和测速轮磨损引起的使用误差没有改善，为此，

9、我们从下行皮带支承托辊得到启发，自行设计一种新的轴装式速度传感器，即专门要求厂家制作一根下行皮带支承托辊（与皮带输送机支架等宽）后铸胶处理，两端装轴承座，将装轴承座固定于输送机的机架下方，整条托辊压紧下行皮带，在方便检修的一侧轴承座轴心开孔安装轴装式光电速度传感器，这种结构的速度传感器能够准确检测到皮带运行速度，克服测速侧向偏转的测量误差，托辊铸胶处理能增加摩擦力，保证速度传感器线速度与皮带运行速度一致，同时，铸胶经久耐用，减少测量误差。17 （3）多物料计量仪表由计量控制主板、通讯接口板、输入输出控制接口板、显示控制卡组成，主要特色功能是： 在仪表输入输出控制板中设置物料4个识别开关，按14

10、号开关优先级设置，当1号开关常闭时，24号开关无效，同理依次类推，能同时实现14种物料的瞬时、累积流量显示、存储，这样，只要选择闭合任一种物料开关，就能实现在能该种物料的在线计量。 仪表（WPC2000CAN通讯）热备RS-485、RS-422接口，选择CAN(Controller Area Network)通讯方式将实时数据传输到数据采集操作子站。 18 CAN总线是一种有效支持分布式控制的串行通信网络。较之我们原来的基于R线构建的RS-485通讯采集系统而言， CAN总线的通讯采集系统在以下方面具有明显的优越性： 首先，CAN控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决

11、于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS-485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差； 19 其次，CAN总线的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在RS-485网络中，当系统有错误，出现多节点同时向总线发

12、送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，保证不会出现因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。 而且， CAN总线是具有通信速率高、通信距离长（韶钢环境可达2千米以上）、对通讯线（国产的双绞线即可无误码传输）要求较低等诸多特点，降低系统的投资。 20 韶钢在炼铁系统皮带运输计量改造工程中，共改造8台计量秤（其中4台为多物料计量），由于各检测点较为分散，尽管CAN通讯可同时挂接8台（理论更多）WPC2000仪表，但考虑到系统的可靠性和线路维护的经济性，我们采用就地、就近的原则改造3个皮带秤数据

13、采集子站，组网方式如图221WPC20001WPC20002WPC20003WPC20004WPC20005WPC20006WPC20007WPC20004WPC20004WPC20008图2CAN总线电子皮带秤数据采集组网方式22通过处理和分析相机实时获取的物料图像，以确定当前输送带上输送的物料类别，即基于图像的物料分类识别方法，是本系统应用的关键方法。 该方法主要分为两步：(1) 图像特征提取；(2) 图像识别。 23 图3-6为现场获取的物料图像，分别为块矿、球矿、焦炭和皮带空载。由图像分析可知，不同的物料图像具有不同的颜色特征和纹理特征，因此选择这两类特征作为图像分类识别的主要依据。2

14、4 图3 块矿图4 球团矿25 图5 焦碳图6空载26RGB彩色模型是数字图像处理中最通用的面向硬件的彩色模型，在该模型中，所表示的图像由R、G、B3个图像分量组成，每一个分量图像都是其原色图像。RGB模型基于笛卡儿坐标系统，所考虑的彩色子空间是图7所示的立方体。为方便起见，假定所有的颜色值都归一化，即所有的R、G、B值都在0，1范围内取值。图中，R、G、B位于3个坐标轴所在顶点上，青、深红和黄位于另外3个顶点上，黑色在原点处，白色位于离原点最远的顶点。不同的颜色处于立方体上或其内部，并可用从原点出发的向量来定义，黑白两点连线上的颜色点为黑白灰度颜色。 27图7 RGB彩色模型 28 经过大量

15、实验分析得到，尽管各类物料图像之间颜色存在差别，但是同类物料图像之间也存在较大差别，即一致性不好，单纯利用物料的颜色很难区分各类待识别物料。但是，我们发现，各类物料图像接近黑白灰度图像的程度不同，特别是焦炭的彩色图像更接近黑白灰度图像，因此定义一个物理量图像上所有采样点到RGB模型中黑白连线上的平均距离来表征这一特性。29各类物料具有不同的几何形态，如球矿是较规则的球形；块矿是不太规则的块状；焦炭虽然同为块状，但是较块矿的体积大；而皮带空载时为一平滑的表面或者是由于物料在皮带上运输形成的规则条纹。这些特征反映在图像上就是各类物料图像具有不同的纹理。纹理是表征图像的一个重要特征，它广泛存在于各类

16、图像中，一幅图像可以看作是由许多不同纹理区域拼凑而成，其纹理反映了图像基元的灰度分布规律，包含着图像的重要信息，常被看作图像的某种区域性质或是对局部区域中像素间关系的一种度量，可用来对图像中的空间信息进行一定程度的定量描述，通过对纹理图像进行分析可获得许多有用的宏观和微观信息。纹理特征提取得主要目的是将随机纹理或几何纹理的空间差异转化为特征灰度值的差异，用一些数学模型来描述图像的纹理信息，包括图像区域的平滑、稀疏和规则性等。提取方法主要分为统计法、结构法和频谱法。30 频谱法基于傅里叶频谱特性，主要用于通过识别频谱中高能量的窄波峰寻找图像中的整体周期性。在直观上，图像的纹理和其傅里叶变换幅度谱

17、存在显见的关系：图像中的线条纹理在幅度谱平面上产生通过直流中心的的谱线，而谱线的方向垂直于原图像中线条的方向；同时，尽管纹理中的条纹有各种方向，并且位置分布是随机的，但是在变换域的幅度谱中，空间域同一方向的条纹不论其位置如何，它们的贡献会被叠加在一起，共同形成通过频谱中心，与原方向垂直的谱线。这意味着空间域里全部的纹理信息在频域里进行了重新分布，这种重新分布只基于纹理单元的走向和疏密程度等因素，而与其位置信息无关。31图8 块矿图像频谱图 图9球矿图像频谱图32图 10焦炭图像频谱图 图11 空载图像频谱图33 图8-11分别给出图36的傅里叶变换幅度谱，在这里主要考虑对纹理描述有用的傅里叶频

18、谱的3个特征：（1）频谱中凸起的尖峰给出了纹理模式的主要方向；（2）在频率平面中尖峰的位置给出了模式的基本空间周期；（3）通过过滤除去所有周期性的部分，而留下非周期性的图像元素，然后，利用统计方法描述这些剩下的元素。34 频谱特征的检测和解释通常使用函数的极坐标表达，其中，是频谱函数，和是坐标系中的变量。对于每个方向，可以看作一维函数；对每个频率，也是一个一维函数。对固定的值分析，可得到沿着自原点的辐射方向上的频谱所表现的特性；反之，分析固定值的，可得到沿着以原点为圆心的圆形的特性。更具有整体性的描述通过对下列函数进行积分得到：35 （1） （2） 其中，公式（2）中的R0是以原点为圆心的圆半径。公式（1）和（2）的结果为每对坐标(r,)组成一对值s(r),s()。通过变换坐标，可以生成两个一维函数s(r)和s() ，从而对研究的整幅图像纹理构成一种频谱-能量描述。图11-14分别给出各类物料图像频谱对应的s(r)和s()曲线。)()(0rSrS)()(01RrrSS36)(rS)(S图12 块矿图像频谱的s(r)和s() 曲线37图13 球矿图像频谱的s(r)和s() 曲线38图14