粗铜锭表面随机选点钻样系统改造设计*

陈元招

(闽西职业技术学院 智能制造学院,福建 龙岩 364021)

粗铜钻样是选矿厂生产中检查和调整工艺过程的最重要的步骤,钻样就是从大量的物料中采取少量能代表全部物料性质的试样,即采取的试样的矿物组成、化学成分、物理性质应与原料一样[1]。试样量越多,误差越小,因此钻样的工作是十分重要的,要求操作人员在钻样时一定要严格按操作规定的方法和时间去取样,否则就不能使所取的试样具有代表性,也就失去了检测意义,起不到监督生产的作用[2-3]。

随机钻样是按照人工或机器随机钻样选点的方法确定钻样位置,目前某铜业公司对进厂粗铜锭采用人工钻样,钻样地点为粗铜锭堆场,设备为摇臂钻床,样品为钻屑,取样方式为随机选取粗铜锭取样点,即操作人员先观察粗铜锭表面是否有明显问题,再按选点进行钻样,可能导致粗铜锭质量检测问题[4-6]。近年来,随着生产需求增加,某铜业公司进行了40万吨升级改造,对粗铜需求量同步增加,导致粗铜锭钻样工作量大幅增加,且很难保证钻样的随机性。为了保证钻样选点过程的合法合规,防止取样作弊,亟需研发一套粗铜锭表面钻样随机选点系统,实现无人干涉自动化作业,确保进厂粗铜锭质量。

1 人工钻样存在的问题

现有的粗铜锭表面钻样采用人工操作,且在钻样过程中易受到外界因素干扰,存在如下问题。

1)工作效率低。在粗铜锭钻样时,操作人员通过观察判断,每次操作过程需要一定时间选点钻样,导致工作效率低,无法实现大批量钻样。

2)可靠性差。粗铜锭钻样过程完全依靠人力,无法做到实时掌握粗铜锭抽取到钻样的建档、识别、数据记录、跟踪、动态监测以及储存状态、检测记录、试验数据等大数据统计分析,采用人工钻样,参与的人多,且工作量大,出错率高,出现管理混乱,无法实现钻样的系统管理。

3)安全性差。粗铜锭整个钻样过程采用人工操作,存在一定的人为因素概率,很难保证钻样过程的合法合规。

2 粗铜锭表面随机选点钻样系统架构设计

针对粗铜锭表面人工钻样过程存在工作效率低、可靠性及安全性差的问题,为了确保进厂粗铜质量,开发一套由视频模块、AI检测模块、控制模块、结果展示模块、配置模块组成的随机钻样系统。其中,AI检测模块具有视频模块检测后识别粗铜锭,按钻孔个数要求随机选取粗铜锭的钻孔位置,激光指示灯位置/摄像头图片位置校准功能;控制模块通过检测操作控制按钮实现钻孔控制,取样号、钻样号输入模块进行信息录入,进行取样正确/错误判断,选取激光指示灯指示。

2.1 功能性能指标要求

首先钻床能够自动扫描粗铜锭外观,实现自动随机划分区域进行布点钻样。人员根据指示的激光位置进行钻样,若人员没按指定位置进行钻样应立即报警。每次取样都应进行前后照片对比并保存以便事后检测。同时需有一套定制的信息系统,系统用于智能识别和控制现场设备并将信息接入公司生产管控系统进行数据互通。主要性能指标要求如下。

1)实现与公司MES系统信息打通,车辆数据与抽样数据一一对应可查询。

2)实现指定位置上车辆上的粗铜任意平铺AI视觉自动指标标记,激光可准确指示。抽样自动识别标记成功率不低于95%。

3)实现钻样台上粗铜AI视觉自动指标标记,激光可准确指示。抽样自动识别标记成功率不低于95%。

4)系统抽样过程全程可追溯,抽样过程错误可自动报警,账号权限分级管理,审计功能简单便捷。

5)实现移动端现场操作功能。

2.2 实施架构设计

2.2.1 钻孔台现状

堆场现有4个钻孔机(见图1),位置已经设置好,钻孔设备摇臂可以3轴方向移动,支持向下钻孔;样品摆放于木墩上,然后进行取样。取样过程采用多是20个宫格,选取3个宫格位置进行钻孔,然后选取钻样样品进行下一步的检测。

图1 钻孔机

2.2.2 拍摄指示系统部署

在堆场钻样机器正上方布放工业相机,布设位置垂直于钻样台,确保钻样状态稳定,且少人工干涉。摄像头根据安装高度和拍摄尺寸0.5 m×0.5 m～1.2 m×1.2 m,要求摄像头的视场角较小。在安装高度为2.5 m的情况下,视场角在26°以上。目前普通的200 W像素摄像头可以清晰分辨出该尺寸大小的物体的详细信息。

2.2.3 激光指示系统

激光指示灯按照区域进行排布,需要能覆盖整个钻样区域。样品的摆放不能超出钻样区域,以免指示不完全。激光照射位置示意图如图2所示。

图2 激光照射位置示意图

1)AI识别系统部署。

在堆场本地机房布放边缘AI智能服务器,边缘AI智能服务器中部署了AI自动取样算法和系统,对实时获取的监控图片进行AI智能分析,实现如下识别:a.自动抽取钻样位置,并通过激光器指示钻样位置;b.铜锭钻样位置判断,确定是否钻样准确。

2)指示系统部署。

采用壁挂触摸一体机进行指示,显示内容如下:a.显示当前钻孔区内铜锭的位置;b.显示激光指示图示;c.钻样前后对比照片展示;d.开始和结束控制;e.钻孔位置错误提示。

3)留证系统部署。

根据取样号留存照片,照片共3张:钻样前/钻样后/钻样前后重叠照片。其中在客户端显示时,列表显示重叠照片的缩略图,方便直接比对;详情查看时才具体查看3张图片的详细信息。实施方案架构如图3所示。

图3 粗铜锭随机钻样实施架构示意图

3 粗铜表面随机选点钻样系统操作流程设计

在粗铜锭表面随机钻样流程中,需要使用钻床对粗铜锭进行钻样。钻样前应将摇臂移开,使摄像头可以完整拍摄到待钻样的铜锭,并随机取点进行激光照射。钻样后需要再次将摇臂移开,使摄像头可以拍摄到完整的钻孔位置照片。随机钻样点选取流程如图4所示。图4中,虚线框流程表示涉及人工参与或操作,具体流程如下。

图4 粗铜锭表面钻样操作流程图

1)将粗铜锭在钻孔台上放置好后,移开摇臂。

2)在系统中输入取样信息,包括车牌号、取样号(与粗铜锭随机取样号一致,用于标识当前钻样点选取与粗铜锭取样的对应关系)、钻样号(用于区分钻样点选取次数)、钻样数量,操作“开始”按钮,向控制系统下达随机钻样点选取指令。钻样数量默认为3个,可修改。

3)由工业相机拍摄粗铜锭的俯视照片,识别粗铜锭的位置。工业相机识别结果实时展示在屏幕上,将识别出的粗铜锭以绿色线框圈出标识。

4)控制系统根据设定的钻样数量,计算出粗铜锭被选取的钻样点,下发动作指令到激光指示器控制器,控制器打开激光指示器,将指示光束打到被选取的粗铜锭表面。一次性指示所有被选取的钻样点,引导钻样。

5)由人工将被指示光束打到的位置用粉笔圈出,操作钻孔机进行相应操作,操作完成后,操作员再次移开摇臂。

6)人工向控制系统下达钻孔取样结束指令,由工业相机重新进行视觉识别,对取样正确性进行判断,确认钻孔取样是否正确。若出现取样错误情况(钻错/漏钻),则进行声音提示和二次确认,人工处理钻错/漏钻情况后再次向控制系统下达钻孔取样结束指令;若直接确认,则进行下一步。

7)关闭激光指示器,上传钻样前后对比图片,并进行坐标系实时校准。

8)若因异常原因需重新钻样,需登录管理员账号,选择刚刚的钻样记录,操作“重新开始”按钮,输入重新钻样原因后,开始重新选取钻样点,重复步骤3～步骤7。“重新开始”按钮只有管理员有操作权限。

9)若无需重新钻样,则本次钻样结束。

4 粗铜锭随机选取子系统功能架构设计

粗铜锭随机选取子系统整体上分为3层6大功能模块及1个数据库,其中3层分别为接口层、分析层、UI层,而6大功能模块分别为工业相机接口模块、智能激光指示器接口驱动模块、AI检测与分析模块、数据存储模块、安全管理模块、信息展现与操作模块。数据库分别为历史样本数据库、系统配置数据库、用户权限数据库。随机选取子系统功能架构图如图5所示。接口层与UI层的取样触发操作联动,实现基于用户操作的工业相机拍照采样,适配工业相机文件传输接口模式,实时接收相机采集的图像数据,通过该接口将备选取的粗铜锭位置驱动多台指示器指向对应的粗铜锭。分析层通过AI检测模块,实现对采集图像中的粗铜锭的识别与位置标注,并将识别结果实时展现到UI界面,同时保存到数据库中存储,对每一块铜锭或阳极板进行位置坐标计算,并对其进行编号,基于铜锭位置测算与定位模块分析结果,按照铜锭总数的15%随机抽样,采用AI检测算法,判断指示位置上铜锭是否已经被运走,分析实际运走的铜锭与指示铜锭是否对应。UI展现层采用成熟的B/S架构,方便开发、运维。

图5 随机选取子系统功能架构示意图

5 粗铜锭表面随机选点钻样系统应用效果

该系统将直接应用在某铜业公司的金属冶炼配套的相关产品中,实施产业化,不仅能保证取样过程的合法合规,防止取样作弊,而且能够实现粗铜抽样的无人化、自动化作业,确保紫金铜业40万吨升级改造项目顺利实施,持续带来产业化收益。按照该公司现有每年70亿元的粗铜锭采购量,通过这套系统可提高万分之一到千分之一的检验准确性,每年至少可以挽回200万的经济损失。该系统应用进一步提升了公司的智能化水平,通过技术手段杜绝了不法商人与内部人员内外勾结掺假造假的可能,纠正了行业的不良之风,减少了原料造假造成的生产损失,提高了公司的ESG水平,同时对行业也有很好的示范效益。