引言

球團(tuán)是人造塊狀原料的一種方法,是一個(gè)將粉狀物料變成物理性能和化學(xué)組成能夠滿足下一步加工要求的過程。球團(tuán)礦是一種球形的人造鐵礦石,直徑在8~16mm,是一種用來高爐煉鐵的最理想原料。球團(tuán)系統(tǒng)中造球工藝段是非常重要的環(huán)節(jié),隨著高爐爐料結(jié)構(gòu)中球團(tuán)礦比例日益增加,在綠色冶煉的背景下,提高圓盤造球機(jī)(以下簡稱"造球盤")的生球質(zhì)量合格率勢在必行。許多球團(tuán)廠現(xiàn)有造球盤雖然大多設(shè)置了加水裝置、給料皮帶變頻調(diào)速裝置,但仍然處于單參數(shù)設(shè)定、人工調(diào)節(jié)的較低水平,同時(shí)因?yàn)槿狈τ行У纳驅(qū)崟r(shí)檢測手段,造球生產(chǎn)過程仍然依賴人工監(jiān)控造球過程,包括生球粒級分布、配水布置、給料量、造球盤轉(zhuǎn)速、造球盤傾角等,由操作工憑經(jīng)驗(yàn)和視覺進(jìn)行區(qū)分和調(diào)整。鑒于給料量/配水量波動(dòng)、膨潤土含量不均勻、混合料水分不穩(wěn)定、礦粉粒徑不均勻等實(shí)際問題,操作工需不斷改變配水量、造球盤傾角及轉(zhuǎn)速進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)整,但調(diào)整過程中由于人的參與和物料的變化產(chǎn)生了極大的不確定性,實(shí)際生產(chǎn)過程中存在勞動(dòng)強(qiáng)度大,生球的"質(zhì)"和"量"受主觀因素影響,崗位培訓(xùn)困難,客觀上產(chǎn)能無法得到穩(wěn)定控制等問題。

馬鋼帶式焙燒機(jī)球團(tuán)項(xiàng)目采用的數(shù)字式智能造球系統(tǒng)是基于視覺識別技術(shù)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了生球粒徑實(shí)時(shí)監(jiān)測。系統(tǒng)通過生球粒級變化匹配生產(chǎn)數(shù)據(jù),通過自學(xué)習(xí)算法實(shí)時(shí)匹配各個(gè)功能區(qū)成球效果,PLC根據(jù)模型下發(fā)參數(shù),通過PID控制配水閥門開度和造球盤變頻器輸出實(shí)現(xiàn)智能造球。

1智能造球系統(tǒng)的主要構(gòu)成

智能造球系統(tǒng)主要由粒級分析模塊、控水模塊和工控機(jī)組成,粒級分析模塊通過視覺識別技術(shù)實(shí)時(shí)采集造球盤下方銀篩上的生球信息,通過分析運(yùn)算得出生球粒級分布,并將粒級分布發(fā)送給控水模塊,控水模塊分析粒級數(shù)據(jù)的同時(shí)匹配生產(chǎn)數(shù)據(jù),并根據(jù)粒級波動(dòng)來控制造球盤各個(gè)功能區(qū)配水量。如當(dāng)前工況調(diào)節(jié)配水無良性反饋,系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)前工況調(diào)整造球盤的轉(zhuǎn)速和傾角來維持穩(wěn)定生產(chǎn)。

通過TCP/IP協(xié)議建立通信網(wǎng)絡(luò)一將上位機(jī)引入生產(chǎn)控制環(huán)網(wǎng),如圖1所示。

TCP/IP協(xié)議主要技術(shù)特點(diǎn)如下:

(1)應(yīng)用層。應(yīng)用層是應(yīng)用程序間的溝通平臺(tái)。

(2)傳輸層。傳輸層主要功能是數(shù)據(jù)格式化、數(shù)據(jù)確認(rèn)和丟失重傳等。傳輸層提供了節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳送以及應(yīng)用程序之間的通信服務(wù)。

(3)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層。互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)提供基本的數(shù)據(jù)封包傳送功能,讓每一塊數(shù)據(jù)包都能夠到達(dá)目的主機(jī)。

(4)網(wǎng)絡(luò)接口層。網(wǎng)絡(luò)接口層主要負(fù)責(zé)接收IP數(shù)據(jù)包并進(jìn)行傳輸,從網(wǎng)絡(luò)上接收物理幀,抽取IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)交給下一層,對實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)媒體進(jìn)行管理,定義如何使用實(shí)際網(wǎng)絡(luò)來傳送數(shù)據(jù)。

1.1粒級分析模塊

粒級分析模塊主要由工業(yè)高速相機(jī)、鏡頭、通信網(wǎng)絡(luò)及工控機(jī)構(gòu)成。通過粒級分析模塊實(shí)現(xiàn)造球過程數(shù)字化轉(zhuǎn)化,實(shí)時(shí)拍攝造球盤下方銀篩上的生球圖像,利用光纜將采集到的圖像傳輸給工控機(jī),工控機(jī)運(yùn)行生球粒徑圖像識別算法,實(shí)時(shí)分析和處理圖像畫面,從而獲得單幅圖像的生球粒徑及對應(yīng)粒徑下的生球數(shù)量,如圖2所示,得到當(dāng)前造球盤所生產(chǎn)生球的實(shí)時(shí)粒級數(shù)據(jù),通過對粒級數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,選取目標(biāo)粒徑區(qū)間數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并傳輸給控水模塊。

粒級分析的核心是圖像處理算法,總的來說由4個(gè)步驟組成:圖像預(yù)處理、標(biāo)記點(diǎn)提取、圖像分割和像素標(biāo)定、結(jié)果輸出。首先,通過圖像閾值分割得到生球和背景之間的閾值分割圖像:其次,通過邊緣算子得到生球的邊緣圖像,由于生球和背景對比度較差,因此該邊緣圖像并不一定是生球的準(zhǔn)確邊緣,通過兩次形態(tài)學(xué)重建,結(jié)合閾值分割得到的圖像,可得到生球顆粒標(biāo)記圖像:再次,由生球顆粒標(biāo)記圖像和邊緣提取圖像,得到真實(shí)的生球邊緣點(diǎn),在此基礎(chǔ)上使用圓匹配法計(jì)算得出生球的像素粒徑:最后,根據(jù)工業(yè)相機(jī)標(biāo)定物的尺寸與圖像中標(biāo)定物所占像素點(diǎn)數(shù)量建立的換算關(guān)系式,得出生球的實(shí)際粒徑并輸出結(jié)果。

1.2控水模塊

控水模塊主要由上位機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、PLC、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥等組成。上位機(jī)對粒級分析模塊獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算后發(fā)出指令,通過0PC通信傳送給PLC,PLC對比給定參數(shù)與當(dāng)前參數(shù),通過控制調(diào)節(jié)閥動(dòng)作得到給定的參數(shù)。主要技術(shù)特點(diǎn)如下:

1.2.1自學(xué)習(xí)功能在生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

系統(tǒng)通過自學(xué)習(xí)策略實(shí)時(shí)監(jiān)測生產(chǎn)數(shù)據(jù),通過特定的變量篩選和計(jì)算獲得相應(yīng)的系數(shù),系數(shù)參與整個(gè)配水系統(tǒng)的控制,并根據(jù)物料變化及工況波動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.2通信狀態(tài)監(jiān)測

系統(tǒng)監(jiān)測上位機(jī)實(shí)時(shí)通信狀態(tài),如通信異常,則發(fā)出報(bào)警。

1.2.3智能控制

系統(tǒng)通過對設(shè)定的粒級進(jìn)行監(jiān)控,觸發(fā)相應(yīng)的策略,控水模塊通過0PC通信將相應(yīng)需要調(diào)整的參數(shù)發(fā)送給PLC,由PLC控制相應(yīng)的閥門進(jìn)行調(diào)整,得到給定的參數(shù)。

2造球模型控制內(nèi)容及思路

2.1控制內(nèi)容

從造球影響因素中提取便于數(shù)字化精確控制且短周期內(nèi)可以提高造球效率的因素作為控制手段,如給水量、定量給料機(jī)的給料量(運(yùn)行頻率)和造球盤轉(zhuǎn)速(運(yùn)行頻率)、傾角。

2.2控制思路

(1)提高造球效率:通過判斷粒級數(shù)據(jù)是否合格來對造球盤的生產(chǎn)過程進(jìn)行閉環(huán)控制(給料量無變化為前提)。

(2)穩(wěn)定參與造球的物料總量:當(dāng)模型檢測到參與造球系統(tǒng)的定量給料機(jī)給料量出現(xiàn)異常時(shí),將自動(dòng)補(bǔ)償給料量,將缺少的物料量參數(shù)下發(fā)至正常運(yùn)行的定量給料機(jī),從而瞬時(shí)補(bǔ)償參與造球的物料總量。

(3)優(yōu)化控制策略:引入?yún)⒆兞?配水系數(shù))來解決多因素參與控制導(dǎo)致模型控制復(fù)雜的問題,并減少不確定性工況帶來的影響。

(4)穩(wěn)定成品生球產(chǎn)能:模型計(jì)算系統(tǒng)整體的造球效率及實(shí)際進(jìn)入焙燒機(jī)的生球總量,通過實(shí)際生球入機(jī)量與目標(biāo)生球入機(jī)量對比得到生球產(chǎn)能偏差,從而得到系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)奈锪狭?。同時(shí),將需要補(bǔ)償?shù)奈锪狭烤值礁鱾€(gè)參與系統(tǒng)的造球盤給料量上,從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定整個(gè)造球系統(tǒng)產(chǎn)能的目的。

(5)控制造球盤工作頻率:當(dāng)通過控水無法得到優(yōu)化的粒級數(shù)據(jù)時(shí),模型通過調(diào)整造球盤運(yùn)行頻率和傾角來改變母球生長速率及母球在造球盤的剝離位置,從而得到優(yōu)化的粒級數(shù)據(jù)。

3主控界面功能區(qū)展示及參數(shù)設(shè)定釋義

主控界面展示圖如圖3所示。

3.1參數(shù)顯示

參數(shù)顯示主要為操作者顯示正在運(yùn)行的造球盤基本參數(shù)及即時(shí)粒級百分比。區(qū)域內(nèi)顯示的實(shí)際值為系統(tǒng)采集的儀表反饋?zhàn)兞?設(shè)定值為模型下發(fā)的變量。

3.2投用開關(guān)

投用開關(guān)是每臺(tái)造球盤控水模塊參與控制的觸發(fā)按鈕,當(dāng)系統(tǒng)檢測當(dāng)前具備條件時(shí),方能啟動(dòng)控水模塊(系統(tǒng)檢測返料區(qū)配水系數(shù)是否為零)。

3.3盤幅選擇

盤幅選擇區(qū)域可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊相應(yīng)盤幅分頁按鈕來切換各個(gè)造球盤的控制界面。

3.4人工設(shè)定

當(dāng)不采用智能造球模式時(shí),可以轉(zhuǎn)為人工設(shè)定當(dāng)前造球盤的各種參數(shù),如:

(1)滴水區(qū)設(shè)定水量:生產(chǎn)異常時(shí)人工介入框體,操作者可直接根據(jù)工況在界面中發(fā)指令控水。

(2)霧化區(qū)設(shè)定水量:生產(chǎn)異常時(shí)人工介入框體,操作者可直接根據(jù)工況在界面中發(fā)指令控水。

(3)給定頻率:設(shè)定造球盤的運(yùn)行頻率。

(4)給定料量:設(shè)定定量給料機(jī)的給料量。

當(dāng)上述參數(shù)輸入后,點(diǎn)擊"確認(rèn)"按鈕,模型根據(jù)輸入?yún)?shù)下發(fā)指令給PLC進(jìn)行各項(xiàng)控制。

3.5粒級—時(shí)間曲線

通過粒級一時(shí)間曲線,操作者可以清晰地了解過去1h內(nèi)粒級分布情況。

3.6相機(jī)調(diào)試

通過此按鈕可以實(shí)現(xiàn)打開和關(guān)閉相機(jī)操作,在設(shè)備調(diào)試階段和更換設(shè)備時(shí),不需要重新啟動(dòng)程序就可以調(diào)試相機(jī)。

3.7參數(shù)設(shè)定

在該界面下可設(shè)定以下參數(shù):

(1)8mm球給定值:此參數(shù)定義為小于8mm的生球粒級占比不得大于框體內(nèi)設(shè)定的參數(shù)(百分?jǐn)?shù)),推薦值為10,此參數(shù)設(shè)定區(qū)間為5~15。

(2)16mm球給定值:此參數(shù)定義為大于16mm的生球粒級占比不得大于框體內(nèi)設(shè)定的參數(shù)(百分?jǐn)?shù)),推薦值為10,此參數(shù)設(shè)定區(qū)間為5~15。

(3)合格球百分比:此參數(shù)是造球工藝人員對當(dāng)前物料狀態(tài)綜合評估得出的造球盤產(chǎn)出合格生球的占比,可根據(jù)實(shí)際工況調(diào)整參數(shù),推薦值為85。設(shè)定原則:原礦成球性能良好可上調(diào),成球性能差則下調(diào)。

(4)此外,還可設(shè)定造球盤傾角、成品生球含水率、生球跌落次數(shù)等參數(shù)。

4結(jié)語

本文介紹了數(shù)字化智能造球系統(tǒng),旨在通過圖像識別技術(shù)將造球盤生產(chǎn)過程數(shù)字化,建立數(shù)字化造球模型,通過引入過程參變量來反映實(shí)際造球工況:分析了多種成球因素的影響規(guī)律,系統(tǒng)通過設(shè)置基于機(jī)器視覺的粒級分析裝置,獲取生球粒級數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)調(diào)整給料量、造球盤轉(zhuǎn)速和傾角、給水調(diào)節(jié)閥等,結(jié)合相關(guān)控制模型實(shí)現(xiàn)造球盤生產(chǎn)時(shí)的智能化控制,對于國內(nèi)各類球團(tuán)工藝的造球盤高效成球具有較大的實(shí)用意義,不僅可以減少造球崗位操作工人數(shù)量,還可以有效提高生球產(chǎn)量與質(zhì)量,為提升球團(tuán)生產(chǎn)率、降本增效作出貢獻(xiàn)。后期可以根據(jù)球團(tuán)工藝生產(chǎn)的要求,利用數(shù)字智能技術(shù)進(jìn)一步開發(fā)智能配料功能,減少黏結(jié)劑,預(yù)測并控制來料水分,尤其是通過配水系數(shù)來協(xié)同控制干燥機(jī)燃燒器的熱值及配混過程中的打水量等,從而進(jìn)一步優(yōu)化造球工況。