一種基于光電技術的智能化選礦方案

鄭華平

（中國鋁業股份有限公司廣西分公司礦業公司，廣西 百色 531400）

0 引言

礦產資源屬于不可再生資源，對我國工業發展具有重要作用，秉承可持續發展理念，需要將傳統粗放式選礦轉變為自動化、智能化和綠色精細化選礦。礦山采集出的原礦分為礦石和廢礦兩種，選礦工藝就是將礦石和廢礦進行區分，并且將不同品質的礦石進行劃分。在傳統人工手選選礦中，工人可以通過原礦的顏色、紋理、成分信息等因素完成選礦，但由于原礦中礦石和廢礦的比例約為1:5，并且廢礦的種類較多，包括泥團（二氧化硅含量高）、廢石（如石灰石等，氧化鈣含量高）、樹杈雜物等，使用人工粗選的方式勞動強度較大，無法實現長時間的連續工作，加之目前人力資源成本逐步走高，人工選礦的方式已經不再適用于當今的礦產行業。

應用光電智能分選二氧化硅和氧化鈣技術改造設備后，結合智能化、機械化、自動化技術，可對每一塊礦石（包括泥團、廢石、樹根等混雜物）進行嚴格的掃描、分析判斷，然后快速將其判定為礦石或廢石，再通過人工智能和機械等手段，完全替代人工，實現機器人智能礦石粗選。智能化選礦具有判斷精確、連續工作能力強、工作效率高、選礦品質高等應用優勢，能夠大幅度提升礦石產業的經濟效益。

1 基于光電技術的智能化選礦方案硬件部分

基于光電技術的智能化選礦方案由智能化選礦設備方案（硬件部分）和智能化選礦算法方案（軟件部分）兩個部分構成，其中算法方案主要針對電荷耦合元件（chargeˉcoupled device, CCD）檢測模塊的應用。智能化選礦設備包括震動給料機、傳送帶、視覺檢測模塊（CCD 檢測模塊）3 個部分，能夠將粗放式的來料進行高精度分料，將原礦中的礦石和廢礦進行區分，并按照礦石品質進行分級傳送，智能化選礦設備方案原理如圖1 所示[1]。

圖1 智能化選礦設備方案原理

1.1 震動給料機

震動給料機屬于機械化設備，若工程預算較高，可以應用可編程邏輯控制器將震動給料機與控制設備進行連接，實現自動化。若工程預算較低，可以對震動給料機的機械部分進行調整，進而提高選礦環節的效率。機械部分的調整如下：①將震動給料機的長度延長至1.5 m，總體規格為1.5 m×1 m，從而提升來料的容量，同時兼容來料皮帶的速度均勻性和礦石的薄厚不均。②增大震動給料機的傾斜角度，較大的傾斜角度有助于通過釋放來料的重力來提升下料速度，進而提高選礦速度。③在震動給料機中應用防噪聲材料，震動給料機在運行過程中的噪聲污染較大，不僅不利于節能減排，還會對工作人員的健康造成威脅，使用防噪聲材料能夠減少震動給料機的噪聲污染[2]。

1.2 傳送帶

本文的智能化檢測方案是以CCD 為核心構成的，而CCD 只能對單體原礦進行圖像識別和圖像處理，與震動給料機批量式的輸入方式相沖突，所以需要在震動給料機和CCD 之間增設傳送帶，通過傳送帶將震動給料機灑落的原礦進行差速分離，進而使原礦以單體化的形式進入CCD 檢測模塊。應用在選礦環節的傳送帶分為5 個部分，分別是震動給料機下落區、礦石滾動區、同步傳送區、CCD 拍照區、礦石剔除區[3]。并且傳送帶的設置具有4 點要求：①傳送帶的速度應設置為1.5～2.5 m/s，可以根據震動給料機的速度進行調整，同時滿足不同類型石頭的傳送、拋棄要求。②傳送帶應使用耐磨、耐腐蝕、耐用的礦山專用皮帶，進而延長使用壽命和提升運行穩定性。③傳送帶的動力機構應為變頻器和減速機，對電力波動容忍性大，且運行速度平穩，不會受到石頭下落、數量等影響。④同步傳送區內CCD 拍照應實現采集圖像不失真，進而保證礦石分類分級的一致性和可重復性[4]。

1.3 CCD 檢測模塊

CCD 檢測模塊是智能化選礦方案的核心設備，可以對傳送帶傳送進來的單體化原礦進行成像、處理、分析、判斷等。CCD 檢測模塊的硬件部分包括成像相機和成像光源，成像相機采用雙相機雙光源的方式，單個相機成像視野大小是500 mm，線像素的分辨率是4096，所以單像素的分辨率是0.122 mm/pix，相機采用加拿大DALSA 線掃描相機，采用雙線mini camera link 數據傳輸線和采集卡，滿足100 kHz的線掃描采集速度，在應用前應對相機進行黑白平場矯正，解決鏡頭成像中間亮、兩邊暗的普遍問題；成像光源采用高亮聚光光源，能夠發出高亮度平行光，光亮度為10 000 lux、光帶寬度為30 mm，中心亮度與線掃描中心線重合，平行光對不同形貌礦石的成像效果顯著，礦石前后各分布一條光源，能夠保證礦石前方、后方亮度的一致性[5]。

2 基于光電技術的智能化選礦方案軟件部分

智能化選礦方案軟件部分的主要功能為控制CCD 檢測模塊和控制系統的人機交互，能夠提升成像、處理、分析、判定等工藝環節的協調性和精度。軟件部分包括處理時間、處理算法、軟件界面和控制模塊[6]。

2.1 處理時間

鋁礦采集出的原礦種類較多、規格較為復雜，需要CCD 檢測模塊進行單體化成像，進而保證圖像識別的精度，但這種單流水線檢測方式的效率較低?；诖?，運用多流水線并行檢測方式，并行執行每幀圖像，配合傳送帶均勻運行，能夠在保證檢測精度的同時提升檢測效率。所以在處理時間參數設置中，以1.5 mm/s 速度、0.5 m 距離為例，每幀圖像的處理時間可以設置為330 ms。對檢測精度要求高時，可以適當延長圖像處理時間；若對檢測效率要求較高，可以縮短圖像處理時間[7]。

2.2 處理算法

上述說明的智能化選礦方案為多流水線并行檢測方式，在實際檢測過程中常會出現當前幀中的原礦圖像不完整的問題?；谶@種現象，可以在處理算法中將上一幀、當前幀、下一幀圖像進行拼接，進而形成完整的原礦圖像。具體算法流程分為5 步：第一步需要將上一幀、當前幀和下一幀拼接為完整圖像；第二步將完整圖像二值化，再搜尋連通域；第三步需要篩選當前幀圖像完整Blob 的區域；第四步對Blob進行外形、紋理、灰度分析；第五步根據礦石廢石分類規則進行分類決策，判斷原礦是礦石還是廢礦，礦石廢石分類規則如表1 所示[8]。

表1 礦石廢石分類規則

2.3 軟件界面

智能化選礦方案的軟件界面使用C 語言進行開發，并且應用德國專業圖像處理庫HALCON 12 算法庫，軟件界面及功能如表2 所示。

表2 軟件界面及功能

2.4 控制模塊

智能化選礦方案的控制模塊包括IO 板卡、編碼器采集卡、功率放大板卡、皮帶變頻控制系統和高精度氣閥分離機構。當CDD 檢測模塊給出檢測結果后，結合編碼器采集卡的計數值及先驗知識（距離、速度等）將處理后的結果通過IO 板卡傳出，然后采用功率放大板卡對信號進行功率放大，驅動高精度氣閥的啟動，進而實現礦石廢石的分揀?？刂颇K結構如圖2 所示。

圖2 控制模塊結構

3 智能化選礦方案的創新點

3.1 原礦檢測覆蓋率較高

礦石處理粒度主要受線掃描成像分辨率、運動分辨率、噴嘴分辨率和外部誤差的影響。其中成像分辨率的成像系統采用兩個4K 線掃描相機，像素的分辨率為1000 mm/（4096×2）=0.12 mm/像素；運動方向分辨率系統采用勻速傳送皮帶+編碼器的方式，保證了采集的礦石大小長寬比1:1，不失真（注意：基于自由落體方式采集的圖像會發生失真，影響處理結果），所以運動方向的分辨率=成像分辨率=0.12 mm/像素；噴嘴分辨率系統的噴嘴個數為74 個，單個噴嘴最小的作用力區域為13.5 mm；外部誤差代表石頭運動誤差、形狀抖動誤差累積3.5 mm。所以礦石成像精度為0.12 mm/像素，剔除精度為17 mm，礦石最小可實現17 mm 礦石的分選，經試驗，礦石最大穩定剔除粒徑為100 mm。

3.2 原礦成像精度較高

智能化選礦方案使用專用光學系統，創新應用兩個專業高亮聚光光源，高亮聚光光源為平行光，光源亮度高、不分散，能夠讓礦石成像完整無死角、清晰度強不虛焦，成像質量較高。同時選礦設備中的傳送帶傳送平穩、運動均勻，能夠將運動對成像的影響降到最低。加之多條流水線并行檢測方式能夠讓前后礦石互不干擾、成像精度較高。

3.3 產品分類決策準確

傳統的人工手選選礦方式雖然能夠通過人工進行分類決策，在短期內的決策準確度較高，但在長時間的連續工作下，疲勞導致的注意力集中程度下降不可避免，所以常會出現初期決策準確性較高但整體準確性較低的情況。而使用人工智能技術，通過CCD 成像和具體的原礦分類規則進行決策，能夠在檢測過程中，不斷累積檢測經驗，進而實現檢測精度越來越高的目標。若在智能化選礦方案中應用數據庫技術，然后系統在檢測中儲存訓練數據，累積足夠的訓練經驗后則能夠建立接近真實的分類決策網絡，無須采用參數即可對礦石、廢石進行分選。

4 結語

綜上所述，本文提出一種基于光電技術的智能化選礦方案，硬件部分由震動給料機、傳送帶、CCD檢測模塊構成，并設計出相應的軟件部分進行驅動，實現選礦工藝的智能化、自動化轉型。智能化選礦方案可以避免傳統人工選礦方案中人力資源成本過高、選礦效率低、連續工作能力差的缺點，能夠通過自身高精度的礦石研判能力，實現10～100 mm 規格礦石的全覆蓋處理、專用光學系統的高分辨率成像以及智能化產品分類決策功能，具有較高的應用價值和經濟價值。