粗銅錠表面隨機(jī)選點(diǎn)鉆樣系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)*

陳元招

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院,福建 龍巖 364021)

粗銅鉆樣是選礦廠生產(chǎn)中檢查和調(diào)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(zhì)的試樣,即采取的試樣的礦物組成、化學(xué)成分、物理性質(zhì)應(yīng)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(shí)一定要嚴(yán)格按操作規(guī)定的方法和時(shí)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(jiān)督生產(chǎn)的作用[2-3]。

隨機(jī)鉆樣是按照人工或機(jī)器隨機(jī)鉆樣選點(diǎn)的方法確定鉆樣位置,目前某銅業(yè)公司對(duì)進(jìn)廠粗銅錠采用人工鉆樣,鉆樣地點(diǎn)為粗銅錠堆場,設(shè)備為搖臂鉆床,樣品為鉆屑,取樣方式為隨機(jī)選取粗銅錠取樣點(diǎn),即操作人員先觀察粗銅錠表面是否有明顯問題,再按選點(diǎn)進(jìn)行鉆樣,可能導(dǎo)致粗銅錠質(zhì)量檢測問題[4-6]。近年來,隨著生產(chǎn)需求增加,某銅業(yè)公司進(jìn)行了40萬噸升級(jí)改造,對(duì)粗銅需求量同步增加,導(dǎo)致粗銅錠鉆樣工作量大幅增加,且很難保證鉆樣的隨機(jī)性。為了保證鉆樣選點(diǎn)過程的合法合規(guī),防止取樣作弊,亟需研發(fā)一套粗銅錠表面鉆樣隨機(jī)選點(diǎn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)無人干涉自動(dòng)化作業(yè),確保進(jìn)廠粗銅錠質(zhì)量。

1 人工鉆樣存在的問題

現(xiàn)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(shí),操作人員通過觀察判斷,每次操作過程需要一定時(shí)間選點(diǎn)鉆樣,導(dǎo)致工作效率低,無法實(shí)現(xiàn)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(shí)時(shí)掌握粗銅錠抽取到鉆樣的建檔、識(shí)別、數(shù)據(jù)記錄、跟蹤、動(dòng)態(tài)監(jiān)測以及儲(chǔ)存狀態(tài)、檢測記錄、試驗(yàn)數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,采用人工鉆樣,參與的人多,且工作量大,出錯(cuò)率高,出現(xiàn)管理混亂,無法實(shí)現(xiàn)鉆樣的系統(tǒng)管理。

3)安全性差。粗銅錠整個(gè)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(guī)。

2 粗銅錠表面隨機(jī)選點(diǎn)鉆樣系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)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(jìn)廠粗銅質(zhì)量,開發(fā)一套由視頻模塊、AI檢測模塊、控制模塊、結(jié)果展示模塊、配置模塊組成的隨機(jī)鉆樣系統(tǒng)。其中,AI檢測模塊具有視頻模塊檢測后識(shí)別粗銅錠,按鉆孔個(gè)數(shù)要求隨機(jī)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(zhǔn)功能;控制模塊通過檢測操作控制按鈕實(shí)現(xiàn)鉆孔控制,取樣號(hào)、鉆樣號(hào)輸入模塊進(jìn)行信息錄入,進(jìn)行取樣正確/錯(cuò)誤判斷,選取激光指示燈指示。

2.1 功能性能指標(biāo)要求

首先鉆床能夠自動(dòng)掃描粗銅錠外觀,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)隨機(jī)劃分區(qū)域進(jìn)行布點(diǎn)鉆樣。人員根據(jù)指示的激光位置進(jìn)行鉆樣,若人員沒按指定位置進(jìn)行鉆樣應(yīng)立即報(bào)警。每次取樣都應(yīng)進(jìn)行前后照片對(duì)比并保存以便事后檢測。同時(shí)需有一套定制的信息系統(tǒng),系統(tǒng)用于智能識(shí)別和控制現(xiàn)場設(shè)備并將信息接入公司生產(chǎn)管控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)互通。主要性能指標(biāo)要求如下。

1)實(shí)現(xiàn)與公司MES系統(tǒng)信息打通,車輛數(shù)據(jù)與抽樣數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)可查詢。

2)實(shí)現(xiàn)指定位置上車輛上的粗銅任意平鋪AI視覺自動(dòng)指標(biāo)標(biāo)記,激光可準(zhǔn)確指示。抽樣自動(dòng)識(shí)別標(biāo)記成功率不低于95%。

3)實(shí)現(xiàn)鉆樣臺(tái)上粗銅AI視覺自動(dòng)指標(biāo)標(biāo)記,激光可準(zhǔn)確指示。抽樣自動(dòng)識(shí)別標(biāo)記成功率不低于95%。

4)系統(tǒng)抽樣過程全程可追溯,抽樣過程錯(cuò)誤可自動(dòng)報(bào)警,賬號(hào)權(quán)限分級(jí)管理,審計(jì)功能簡單便捷。

5)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端現(xiàn)場操作功能。

2.2 實(shí)施架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 鉆孔臺(tái)現(xiàn)狀

堆場現(xiàn)有4個(gè)鉆孔機(jī)(見圖1),位置已經(jīng)設(shè)置好,鉆孔設(shè)備搖臂可以3軸方向移動(dòng),支持向下鉆孔;樣品擺放于木墩上,然后進(jìn)行取樣。取樣過程采用多是20個(gè)宮格,選取3個(gè)宮格位置進(jìn)行鉆孔,然后選取鉆樣樣品進(jìn)行下一步的檢測。

圖1 鉆孔機(jī)

2.2.2 拍攝指示系統(tǒng)部署

在堆場鉆樣機(jī)器正上方布放工業(yè)相機(jī),布設(shè)位置垂直于鉆樣臺(tái),確保鉆樣狀態(tài)穩(wěn)定,且少人工干涉。攝像頭根據(jù)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?cái)z像頭可以清晰分辨出該尺寸大小的物體的詳細(xì)信息。

2.2.3 激光指示系統(tǒng)

激光指示燈按照區(qū)域進(jìn)行排布,需要能覆蓋整個(gè)鉆樣區(qū)域。樣品的擺放不能超出鉆樣區(qū)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(shí)別系統(tǒng)部署。

在堆場本地機(jī)房布放邊緣AI智能服務(wù)器,邊緣AI智能服務(wù)器中部署了AI自動(dòng)取樣算法和系統(tǒng),對(duì)實(shí)時(shí)獲取的監(jiān)控圖片進(jìn)行AI智能分析,實(shí)現(xiàn)如下識(shí)別:a.自動(dòng)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(zhǔn)確。

2)指示系統(tǒng)部署。

采用壁掛觸摸一體機(jī)進(jìn)行指示,顯示內(nèi)容如下:a.顯示當(dāng)前鉆孔區(qū)內(nèi)銅錠的位置;b.顯示激光指示圖示;c.鉆樣前后對(duì)比照片展示;d.開始和結(jié)束控制;e.鉆孔位置錯(cuò)誤提示。

3)留證系統(tǒng)部署。

根據(jù)取樣號(hào)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(shí),列表顯示重疊照片的縮略圖,方便直接比對(duì);詳情查看時(shí)才具體查看3張圖片的詳細(xì)信息。實(shí)施方案架構(gòu)如圖3所示。

圖3 粗銅錠隨機(jī)鉆樣實(shí)施架構(gòu)示意圖

3 粗銅表面隨機(jī)選點(diǎn)鉆樣系統(tǒng)操作流程設(shè)計(jì)

在粗銅錠表面隨機(jī)鉆樣流程中,需要使用鉆床對(duì)粗銅錠進(jìn)行鉆樣。鉆樣前應(yīng)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(jī)取點(diǎn)進(jìn)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(jī)鉆樣點(diǎn)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(tái)上放置好后,移開搖臂。

2)在系統(tǒng)中輸入取樣信息,包括車牌號(hào)、取樣號(hào)(與粗銅錠隨機(jī)取樣號(hào)一致,用于標(biāo)識(shí)當(dāng)前鉆樣點(diǎn)選取與粗銅錠取樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系)、鉆樣號(hào)(用于區(qū)分鉆樣點(diǎn)選取次數(shù))、鉆樣數(shù)量,操作“開始”按鈕,向控制系統(tǒng)下達(dá)隨機(jī)鉆樣點(diǎn)選取指令。鉆樣數(shù)量默認(rèn)為3個(gè),可修改。

3)由工業(yè)相機(jī)拍攝粗銅錠的俯視照片,識(shí)別粗銅錠的位置。工業(yè)相機(jī)識(shí)別結(jié)果實(shí)時(shí)展示在屏幕上,將識(shí)別出的粗銅錠以綠色線框圈出標(biāo)識(shí)。

4)控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的鉆樣數(shù)量,計(jì)算出粗銅錠被選取的鉆樣點(diǎn),下發(fā)動(dòng)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(diǎn),引導(dǎo)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(jī)進(jìn)行相應(yīng)操作,操作完成后,操作員再次移開搖臂。

6)人工向控制系統(tǒng)下達(dá)鉆孔取樣結(jié)束指令,由工業(yè)相機(jī)重新進(jìn)行視覺識(shí)別,對(duì)取樣正確性進(jìn)行判斷,確認(rèn)鉆孔取樣是否正確。若出現(xiàn)取樣錯(cuò)誤情況(鉆錯(cuò)/漏鉆),則進(jìn)行聲音提示和二次確認(rèn),人工處理鉆錯(cuò)/漏鉆情況后再次向控制系統(tǒng)下達(dá)鉆孔取樣結(jié)束指令;若直接確認(rèn),則進(jìn)行下一步。

7)關(guān)閉激光指示器,上傳鉆樣前后對(duì)比圖片,并進(jìn)行坐標(biāo)系實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。

8)若因異常原因需重新鉆樣,需登錄管理員賬號(hào),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(diǎn),重復(fù)步驟3～步驟7?！爸匦麻_始”按鈕只有管理員有操作權(quán)限。

9)若無需重新鉆樣,則本次鉆樣結(jié)束。

4 粗銅錠隨機(jī)選取子系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

粗銅錠隨機(jī)選取子系統(tǒng)整體上分為3層6大功能模塊及1個(gè)數(shù)據(jù)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(yè)相機(jī)接口模塊、智能激光指示器接口驅(qū)動(dòng)模塊、AI檢測與分析模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、安全管理模塊、信息展現(xiàn)與操作模塊。數(shù)據(jù)庫分別為歷史樣本數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫、用戶權(quán)限數(shù)據(jù)庫。隨機(jī)選取子系統(tǒng)功能架構(gòu)圖如圖5所示。接口層與UI層的取樣觸發(fā)操作聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)基于用戶操作的工業(yè)相機(jī)拍照采樣,適配工業(yè)相機(jī)文件傳輸接口模式,實(shí)時(shí)接收相機(jī)采集的圖像數(shù)據(jù),通過該接口將備選取的粗銅錠位置驅(qū)動(dòng)多臺(tái)指示器指向?qū)?yīng)的粗銅錠。分析層通過AI檢測模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)采集圖像中的粗銅錠的識(shí)別與位置標(biāo)注,并將識(shí)別結(jié)果實(shí)時(shí)展現(xiàn)到UI界面,同時(shí)保存到數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ),對(duì)每一塊銅錠或陽極板進(jìn)行位置坐標(biāo)計(jì)算,并對(duì)其進(jìn)行編號(hào),基于銅錠位置測算與定位模塊分析結(jié)果,按照銅錠總數(shù)的15%隨機(jī)抽樣,采用AI檢測算法,判斷指示位置上銅錠是否已經(jīng)被運(yùn)走,分析實(shí)際運(yùn)走的銅錠與指示銅錠是否對(duì)應(yīng)。UI展現(xiàn)層采用成熟的B/S架構(gòu),方便開發(fā)、運(yùn)維。

圖5 隨機(jī)選取子系統(tǒng)功能架構(gòu)示意圖

5 粗銅錠表面隨機(jī)選點(diǎn)鉆樣系統(tǒng)應(yīng)用效果

該系統(tǒng)將直接應(yīng)用在某銅業(yè)公司的金屬冶煉配套的相關(guān)產(chǎn)品中,實(shí)施產(chǎn)業(yè)化,不僅能保證取樣過程的合法合規(guī),防止取樣作弊,而且能夠?qū)崿F(xiàn)粗銅抽樣的無人化、自動(dòng)化作業(yè),確保紫金銅業(yè)40萬噸升級(jí)改造項(xiàng)目順利實(shí)施,持續(xù)帶來產(chǎn)業(yè)化收益。按照該公司現(xiàn)有每年70億元的粗銅錠采購量,通過這套系統(tǒng)可提高萬分之一到千分之一的檢驗(yàn)準(zhǔn)確性,每年至少可以挽回200萬的經(jīng)濟(jì)損失。該系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)一步提升了公司的智能化水平,通過技術(shù)手段杜絕了不法商人與內(nèi)部人員內(nèi)外勾結(jié)摻假造假的可能,糾正了行業(yè)的不良之風(fēng),減少了原料造假造成的生產(chǎn)損失,提高了公司的ESG水平,同時(shí)對(duì)行業(yè)也有很好的示范效益。