Автоматизация контроля гранулометрического состава агломерата на основе оптико-электронного метода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Селивановских, Вера Витальевна

• Селивановских, Вера Витальевна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Селивановских, Вера Витальевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ КОНТРОЛЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА АГЛОМЕРАТА.

1.1 Анализ существующих методов контроля гранулометрического состава сыпучих материалов в агломерационном производстве.

1.2 Характеристика агломерата как объекта оптического контроля.

1.3 Определение требований к математическому обеспечению оптико-электронного метода контроля гранулометрического состава агломерата

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА АГЛОМЕРАТА.

2.1 Выбор оптимальных параметров оптической схемы.

2.2 Исследование статистических характеристик изображений насыпного слоя агломерата.

2.3 Моделирование изображений насыпного слоя агломерата.

2.4 Методы обработки изображений насыпного слоя агломерата.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ НАСЫПНОГО СЛОЯ АГЛОМЕРАТА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЕГО ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА

3.1 Алгоритм локального динамического порогового разделения.

3.2 Алгоритм адаптивной настройки размера локальной области изображения для определения порогового значения.

3.3 Алгоритм бинарной рекурсивной фильтрации изображения.

3.4 Алгоритмы контурного разделения гранул.

3.5 Алгоритм параметрического анализа.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ПРИМЕНЕНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА АГЛОМЕРАТА.

4.1 Описание экспериментальной оптико-электронной системы.

4.1.1 Основные функциональные элементы и блоки.

4.1.2 Методика настройки алгоритмического обеспечения оптико-электронного метода контроля гранулометрического состава агломерата

4.2 Результаты экспериментальных исследований алгоритмического обеспечения оптико-электронного метода контроля гранулометрического состава агломерата.

4.3. Внедрение и перспективы применения оптико-электронного метода контроля гранулометрического состава агломерата.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация контроля гранулометрического состава агломерата на основе оптико-электронного метода»

Актуальность работы. При производстве и использовании сыпучих материалов возникает необходимость контролировать их гранулометрический состав. Размер частиц сыпучего материала определяет важные технологические характеристики и влияет на эффективность его применения. Так, например, оптимальная крупность кусков агломерата для малых и средних доменных печей составляет от 5 до 40 мм, для крупных и сверхмощных от 15 до 40 мм.

Основные требования, предъявляемые к методам гранулометрического контроля - простота реализации, обеспечение необходимой чувствительности, точности, скорости контроля, наглядность представления получаемой информации. Классическими методами определения гранулометрического состава агломерата являются лабораторный (ситовый) анализ и грохочение. Наряду с ними на некоторых предприятиях используют методы, основанные на измерении энергии первичного дробления материала, механические гранулометры, а также нашли применение оптические методы и реализованные на их основе системы с использованием пробоотборников. Разработка таких методов велась институтом механической обработки и обогащения в Германии (Technischen University Bergakademie Freiberg), фирмой «Нихон коге» в Японии и др. Недостатком существующих методов является отсутствие оперативности, поэтому главной проблемой гранулометрического анализа остается непрерывный контроль непосредственно на линии производственного процесса.

Автоматизация контроля гранулометрического состава агломерата с использованием оптико-электронного метода непосредственно в технологическом потоке позволит своевременно классифицировать агломерат по классам крупности и оценить его прочность, зависящую от многих факторов, таких, как состав исходной шихты, качество ее подготовки, расход топлива на агломерацию, условия спекания и охлаждения, макроструктура и минералогический состав готового продукта.

В связи с этим разработка метода оптико-электронного контроля гранулометрического состава агломерата является весьма актуальной.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной НИР «Разработка методов многофункциональных систем технического зрения» на кафедре «Программное обеспечение ЭВМ» Череповецкого государственного университета.

Цель работы состоит в повышении достоверности и оперативности контроля гранулометрического состава агломерата на основе автоматизированного оптико-электронного метода.

К основным задачам, решаемым в работе относятся:

- анализ зависимости гранулометрического состава агломерата от характеристик технологического процесса; разработка методики оптико-электронного контроля гранулометрического состава агломерата непосредственно в технологическом потоке и определение критериев его эффективности;

- разработка модели изображения насыпного слоя агломерата для тестирования алгоритмического обеспечения метода контроля;

- разработка алгоритмического и программного обеспечения метода контроля гранулометрического состава агломерата;

- экспериментальная проверка предложенных алгоритмов обработки видеоинформации.

Методы исследования.

Для решения поставленных в работе задач использованы методы математического и компьютерного моделирования, цифровой обработки изображений и оптоэлектроники, аппарат теории вероятностей и математической статистики, теория построения алгоритмов и программ.

Научная новизна работы.

1. Разработано алгоритмическое обеспечение, включающее:

- алгоритм локального динамического порогового разделения, основанный на вычислении весовых коэффициентов точек локальных областей и позволяющий повысить точность определения порогового уровня в условиях зашумленных изображений насыпного слоя агломерата;

- алгоритм адаптивной настройки размера локальной области текущего изображения, учитывающий величину гранул различных классов крупности и позволяющий получить максимальное количество бимодальных гистограмм для улучшения качества сегментации.

2. Предложена методика непрерывного оптико-электронного контроля гранулометрического состава агломерата непосредственно в технологическом потоке, позволяющая оперативно оценить его прочностные свойства.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в разработке метода, являющегося основой оптико-электронной системы автоматизированного контроля гранулометрического состава агломерата, которая позволяет повысить оперативность принимаемых решений, обеспечить своевременный анализ технологического процесса.

Реализация результатов работы.

Разработанное математическое и алгоритмическое обеспечение исследовано и проверено на натурных экспериментальных данных агломерационного производства ОАО «Северсталь» и использовано при проектировании оптико-электронной системы контроля гранулометрического состава агломерата. Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях ООО НПП «Кронверк» и ЗАО «Фирма «СТОИК». Результаты научных исследований используются в учебном процессе на кафедре программного обеспечения ЭВМ Череповецкого государственного университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на Международных и Российских научно-технических конференциях:

- «Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках» (г. Тамбов, 2001 г.);

- «Северсталь» - пути к совершенствованию» (г. Череповец, 2001, 2002, 2003 гг.);

- «Информатизация процессов формирования открытых систем на основе СУБД, САПР, АСНИ и искусственного интеллекта» (г. Вологда, 2001 г.);

- «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах» (г. Череповец, 2002, 2005 гг.);

Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (г. Курск, 2003, 2005 гг.);

- «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (г. Череповец, 2003, 2005 гг.);

17-я межвузовская военно-научная конференция г. Череповец, 2006 г.), а также на научно-технических семинарах Череповецкого государственного университета в 2001-2006 гг.

Основные положения, выносимые на защиту.

Алгоритмическое обеспечение метода, включающее алгоритм локального динамического порогового разделения, алгоритм адаптивной настройки размера локальных областей.

Методика непрерывного оптико-электронного контроля гранулометрического состава агломерата непосредственно в технологическом потоке.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 18 работах, в том числе 1 монография и 17 статей (одна из них опубликована в рецензируемом научном журнале, входящем в перечень ВАК).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 87 наименований и приложений. Работа содержит 136 страниц, 52 рисунка и 7 таблиц. Приложения включают 17 страниц.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Селивановских, Вера Витальевна

Результаты работы нашли применение при создании оптико-электронных приборов контроля гранулометрического состава сыпучих материалов металлургического производства в ООО HI 111 «КРОНВЕРК».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Селивановских, Вера Витальевна, 2007 год

1. Kimura, Ryosuke Measurement of particle size and fluid area of the burden in blast furnace = Измерение размеров частиц и зон расплавления шихты в доменной печи Текст. / Ryosuke Kimura, Syuichi Jamamoto //

2. CON'90: 16th Annu. Conf.IEEE Ind. Electron. Soc., Pacific Grove, Calif., Nov.27 30. - 1990. Vol.1. - New York (N.Y.), 1990. - C. 642-647.

3. Moretti, J. M. Mesure optique de la granulomere des matieres charges au haut foumeau = Оптическая гранулометрия материалов, загружаемых в доменную печь Текст. / J. М. Moretti, F. Tondo. // Rev. met. (Fr.). 1990. -№ 12.-С. 1093- 1100.

4. Neuhaus, Walter Optisches Prufsystem untersucht Kunst-stoffgranulat = Оптическая установка для контроля полимерного гранулята Текст. / Neuhaus Walter, Glockler Hans, Sariboga Merolan // Maschinenmarkt 1994. -100, №33. -C.32-33.

5. Reetz, Andreas Entwicklung lines Systems zur automatischen Granulatfestigkutsprufiing = Разработка системы автоматического контроля стойкости гранулята Текст. / Andreas Reetz // Chem.-Ing.-Techn. 1994. -№ 8. -С.1016-1018.

6. А. с. 1539597 СССР, МКИ4 G 01 № 15/02. Устройство для измерения гранулометрического состава Текст. / И. И. Солуянов, Т. П. Дивакова (СССР). № 4299203/23 - 25; заявл. 27.08.87; опубл. 30.01.90, Бюл. № 4.

7. А. с. 1497507 СССР, МКИ4 G 01 № 15/02. Измеритель крупности материалов Текст. / А. Д. Ищенко (СССР). № 4195156/29-25;заявл. 17.02.87; опубл.30.07.89, Бюл. № 28.

8. Автомат для ситового анализа = Vollautomat zur Siebanalyse Текст. // Chem.-Ing.-Techn. 1996. - 68. - № 1- 2. - С.43.

9. Автоматизированные системы управления подготовкой металлургического сырья и доменным переделом Текст. / под ред. докт. техн. наук К. А. Шумилова. М.: Металлургия, 1979. - 182 с.

10. Базилевич, С. В. Агломерация Текст. / С. В. Базилевич, Е. Ф. Вегман. М.: Металлургия, 1967. - 368 с.

11. Базилевич, С. В. Производство агломерата и окатышей Текст.: справочник / С. В. Базилевич, А. Г. Астахов, Г. М. Майзель [и др.]; под ред. Ю. С. Юсфина. М.: Металлургия, 1984. - 213 с.

12. Берштейн, Р. С. Повышение эффективности агломерации. Текст. / Р. С. Берштейн. М.: Металлургия, 1979. - 144 с.

13. Бутаков, Е. А. Обработка изображений на ЭВМ Текст. / Е. А. Бутаков, В. И. Островский. М.: Радио и связь, 1987 - 240 с.

14. Василенко, Г. И. Восстановление изображений Текст. / Г. И. Василенко, А. М. Тараторкин. М.: Радио и связь, 1986 - 304 с.

15. Высокоразрешающий анализ размеров частиц = Hochauflosende Partikelgrobenanalyse Текст. //Verfahrenstechnik. Sonderausg.: ACHEMA Rept. -1991,-С. 108.

16. ГОСТ 17495 80. Руды железные, концентраты, агломераты и окатыши. Методы отбора и подготовки проб для гранулометрического анализа Текст. - Введ. 1980 - 01 - 01. - М.: Гос. ком. по стандартам СССР, 1980.-6 с.

17. Гранулометрический анализ на линии производственного процесса. Возможности современной системы измерения = On-line Rorngrobeanalyse Текст. // Chem.-Anlog. - 1989. -№ 11. - С. 137-138.

18. Дворкович, А. В. Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений Текст. / А. В. Дворкович, В. П. Дворкович [и др.]. М.: Металлургия, 1997. - 209 с.

19. Денисов, Д. А. Сегментация изображений на ЭВМ Текст. / Д. А. Денисов, В. А. Низовкин // Зарубежная радиоэлектроника. 1985. - № 10. -С. 3-30.

20. Денисов, Ю. М. Улучшение показателей доменной плавки путем повышения эффективности отсева мелких фракций агломерата Текст. / Ю. М. Денисов, С. Ф. Бугаев, А. Н. Газизов [и др.] // Черная металлургия. -2003.-№ 11.-С. 35-37.

21. Доменное производство Текст.: справочное издание. в 2т.-Т. 1. Подготовка руд и доменный процесс; под ред. Е. Ф. Вегмана. - М.: Металлургия, 1989. - 496 с.

22. Дуда, Р. Распознавание образов и анализ сцен Текст. / Р. Дуда, П. Харт. М.: Мир, 1976. - 512 с.

23. Дьяконов, В. MATLAB. Обработка сигналов и изображений Текст.: справочник / В. Дьяконов, И. Абраменкова. СПб.: Питер, 2002. -320 с.

24. Дьяконов, В. П. MATLAB 6.0 /6.1 /6.5 +SPl+Simulink 4/5. Обработка сигналов и изображений. Текст. / В. П. Дьяконов. М.: COJIOH-Пресс, 2005.-465 с.

25. Ершов, Е. В. Метод оптико-электронного контроля и алгоритмы выявления поверхностных дефектов жести Текст.: дис. . канд. техн. наук. / Евгений Валентинович Ершов. СПб.: СЗПИ, 1993. - 217с.

26. Жилкин, В. П. Производство агломерата. Технология, оборудование, автоматизация Текст. / В. П. Жилкин, Д.Н. Доронин; под ред. Г. А. Шалаева. Екатеринбург: Уральский центр ПР и рекламы «Марат», 2004.-291с.

27. Заявка 62-149822 Япония, МКИ4 С 22 В 1/20. Способ оценки свойств агломерата Текст. / Окицу Хирото, Судзуки Масаюки, НаганоСэйки; заявитель Ниппон кокан к.к.; заявл. 24. 12. 85; опубл. 03. 07. 87; №60-289395.

28. Исаенко, А. Н. Идентификация модели прогнозирования гранулометрического состава руды на выходе бункеров Текст. / А. Н. Исаенко, Ю. Г. Качан // Тр. Запорож. инж. акад. Металлургия. 2003. - № 8. -С. 15-19.

29. Испытательная лаборатория гранулометрической техники Текст. // Chem.-Ing.-Techn. 1996. - 68. - № 10. - С. 1196.

30. Исследование частиц с помощью видеообработки изображения в микроскопе = Partikelanalyse ger mikroskopische Bild-verarbeitring Текст. / Ruhl Helmut. Lab. Prax. - 1991. -15, № 5. - C.384, 386, 388.

31. Ищенко, А. Д. Статические и динамические свойства агломерационного процесса Текст. / А. Д. Ищенко. М.: Металлургия, 1972.-320 с.

32. Коротич, В. И. Агломерация рудных материалов Текст. / В. И. Коротич, Ю. А. Фролов, Г. Н. Бездежский. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003. - 400 с.

33. Коротич, В. И. Основы теории и технологии подготовки сырья к доменной плавке Текст. / В. И. Коротич. М.: Металлургия, 1978. - 208 с.

34. Коршиков, Г. В. Структура, текстура и механическая прочность агломерата Текст. / Г. В. Коршиков // Изв. вузов. Чер. Металлургия. 1985. -№ 9.-С.32-35.

35. Кухарь, А. С. Производство и качество агломерата Текст. / А. С. Кухарь, В. А. Мартыненко, В. П. Шевченко. М.: Металлургия, 1977. -160 с.

36. Методика узнавания структуры материала по анализу изображений = Analyse d'images et reconnanaissance de formes en materiaux Текст. / Introduction au theme. Jeulin D. Rev.met.(France). 2000. - 97. - № 2, C. 147— 149, V, VII.

37. Морозова, И. В. Морфологический анализ размытых изображений Текст. / И. В. Морозова, А. И. Чуличков // 5-я Междунар. конф. «Распознавание образов и анализ изображений: Новые информационные технологии»: мат. конф. в 2 т. Т. 2. - Самара, 2000. - С. 342.

38. Мяздриков, О. А. Дифференциальные методы гранулометрии Текст. / О. А. Мяздриков. М.: Металлургия, 1974. - 206 с.

39. Павлидис, Т. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений Текст.: пер. с англ. Н. Г. Гуревич: под ред. И. Б. Гуревича / Т. Павлидис. М.: Радио и связь, 1986. - 399 с.

40. Пат 1332160 Канада, МКИ6 В07В04/00. Классификатор для сыпучих материалов = Particle Separator Текст. / Quig G.F.- № 600360; заявл. 23.5.89; опубл.27.9.94.

41. Пат 512407 Устройство для контроля крупности дробленой руды Текст. / Ф. Н. Дегтярев, Г. Г. Буйный, В. И. Лопатин, В. М. Демко // Науч.-иссл. и опытно-констр. ин-т автоматиз. черной металлургии. заявл. 07.09.72 - 1827371/26-25; опубл. 30.04.76.

42. Пат 558199 Гранулометр Текст. / Скнар В. П., Лившиц Б. Я., Донков В. И., Гуцало Л. С., Гармата В. В.; заявитель и патентообладатель Науч.-исслед. и опытно-констр. ин-т автоматиз. черной металлургии. -№ 2154803/25; заявл. 11.07.75; опубл. 15.05.77.

43. Петров, А. А. Алгоритмическое обеспечение информационно-управляющих систем адаптивных роботов (алгоритмы технического зрения) Текст. / А. А. Петров // Итоги науки и техники. Техническая кибернетика-М., 1984-т. 17.-С. 251-294.

44. Писаревский, А. Н. Системы технического зрения (принципиальные основы, аппаратное и математическое обеспечение) Текст. / А. Н. Писаревский, А. Ф. Чернявский, Г. К. Афанасьев [и др.]. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд., 1988. - 424 с.

45. Плевако, В. С. Качество сырья и эффективность доменного производства Текст./В. С. Плевако.-Днепропетровск:«Промшь», 1971.-181 с.

46. Повышение качества окускованных материалов Текст.: сб. статей / Ин-т «Уралмеханобр». Свердловск, 1984.- 95 с.

47. ПР 50.2.009 -1994. Порядок проведения испытаний и утверждения типа средств измерений Текст. Введ. 1994 - 08 - 02. - М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1994. -N 8.

48. Прэтт, У. Цифровая обработка изображений Текст.: Пер. с англ. -Под ред.Д. С. Лебедева в 2 т. / У. Прэтт. - М.: Мир, 1982. -Т. 1. - 312 е., Т.2.-480 с.

49. Путятин, Е. П. Обработка изображений в робототехнике Текст. / Е. П. Путятин, С. И. Аверин. М.: Мир, 1990. - 320 с.

50. Пытьев, Ю. П. Морфологический анализ размытых изображений Текст. /Ю. П. Пытьев // Изв. ДАН СССР.- 1983.- Т. 269. № 5. - С. 1061- 1064.

51. Селивановских, В. В. Оптико-электронный контроль зажигания шихты и гранулометрического состава агломерата Текст. : монография / Е. В. Ершов, О. Г. Ганичева, В. В. Селивановских, Л. Н. Виноградова. -Череповец: ГОУ ВПО ЧГУ, 2007. 204 с.

52. Селивановских, В. В. Анализ размера доменных фракций с использованием оптико-электронного метода Текст. / В. В. Селивановских, Е. В. Ершов, Е.В. Королева // PER ASPERA . Вып. 3: сб. трудов молодых ученых. - Череповец: Марка, 2001. - С. 136.

53. Сигал, А. А. Агломерационный процесс. Текст. / А. А. Сигал, В. А. Шурхал. Киев: Техника, 1969. - 350 с.

54. Сырямкин, В. И. Системы технического зрения Текст.: справочник / В. И. Сырямкин, В. С. Титов, Ю. Г. Якушенков [и др.]. Томск: МГП «Раско», 1993.-367 с.

55. Топчаев, В. П. Совершенствование конструкции гранулометра «ПИК-074» и опыт его использования в различных производствах Текст. / В. П. Топчаев, JI. К. Зинина, М. В. Лапидус // III-й конгресс обогатителей стран СНГ: тез. докл. М: Альтекс, 2001. - С. 204.

56. Учитель, Ф. Д. Концепция формирования характеристик крупности шихтовых материалов аглодоменного производства (сообщ.1) Текст. / Ф. Д. Учитель, В. В. Севернюк, В. И. Большаков, С. В. Лялюк // Металлург, и горноруд. пром-ть. 1999.-№ 1.-С.5-8.

57. Фу, К. Робототехника Текст. : пер. с англ. / К. Фу, Р. Гонсалес, К. Ли.-М.: Мир, 1989.-624 с.

58. Ютака, Ям ад а Использование измерителя зернистости в режиме On-line Текст. / Ямада Ютака, Муро Наоюки // Кэйсо Instrum. and Contr. Eng. 1991.-34.-№ 12.-C.l 14-115.

59. Яншин, В. В. Анализ и обработка изображений: принципы и алгоритмы Текст. / В. В. Яншин. М.: Машиностроение, 1995. - 112 с.

60. Ярославский, Л. П. Цифровая обработка сигналов в оптике и голографии: Введение в цифровую оптику Текст. / Л. П. Ярославский. М.: Радио и связь, 1987. - 296 с.