UTILIZAREA IMAGINILOR ÎN CONDUCEREA ŞI MONITORIZAREA SISTEMELOR DE EXTRAGERE
Dănuţ GRECEA1, Marin Silviu NAN2
Rezumat
Lucrarea abordează problema acurateţei şi transmiterii în timp real a informaţiilor asupra mediului de lucru şi a utilajelor miniere. Aspectul este esenţial pentru siguranţa, productivitatea şi automatizarea utilajelor. În aceste condiţii utilizarea camerelor de luat vederi în conducerea şi monitorizarea proceselor, pentru scanarea şi afişarea contururilor de teren şi localizarea oamenilor şi echipamentelor, sunt necesare vizând creşterea siguranţei şi securităţii în condiţiile dificile ale industriei miniere.
Cuvinte şi expresii cheie: excavator cu rotor, conducere, monitorizare, inspecţie vizuală
Abstract
This paper addresses the problem of accuracy and real-time transmission of information on the work environment and mining machinery. The appearance is essential for safety, productivity and automation equipment. In these circumstances the use of cameras in the management and monitoring processes for scanning and displaying contours of land and location of people and equipment are needed to increase safety and security in harsh mining industry.
Keywords and phrases: bucket-wheel excavator, management, monitoring, visual inspection
- Introducere
Cererea globală de resurse naturale este în continuă creştere, astfel nevoia pentru o producţie crescută de resurse creşte în mod similar. Cărbunele reprezintă o sursă de energie deosebită în condiţiile în care majoritatea ţărilor europene sunt nevoite să recurgă la importuri pentru a satisface necesarul de energie. Obţinerea unui preţ competitiv al energiei produse prin utilizarea cărbunelui este dependentă de performanţele tehnologiei adoptate. Presiunea costurilor precum şi dorinţa de schimbare sunt motorul introducerii tehnicilor moderne. Acestea depind de viteza cu care se culeg informaţiile necesare pentru a putea lua decizii bine fundamentate în vederea creşterii productivităţii şi a reducerii costurilor.
- Stadiul actual si tendinţe
Prin utilizarea tehnologiei informaţiei în procesele de producţie se poate obţine creşterea productivităţii, concomitent cu reducerea costurilor prin aplicarea inteligentă a tehnologiei informaţiei. Asemenea soluţii inovative sunt deja disponibile: optimizarea fluxurilor de materiale prin urmărirea acestora; utilizarea sistemelor de management al calităţii în depozitele de cărbune; efectuarea lucrărilor de întreţinere a sistemelor de automatizare şi acţionare de la distanţă, utilizarea telediagnozei pentru întreţinerea preventivă.
Industria minieră a recunoscut din timp aceste tendinţe şi astfel numeroase cariere au devenit complet integrate şi capabile să extragă substanţe minerale în condiţiile unor costuri optimizate. Datele tehnologice sunt prezentate ierarhizate pe ecrane de calculator.
Sistemele de control utilizând imagini pot îmbunătăţii securitatea, precizia şi capacitatea de dislocare a excavatoarelor cu rotor şi pretează la aplicarea în controlul excavatoarelor (figura 2).
Pe structura escavatorului se află instalate camere de inspecţie vizuală. Aceasta oferă poziţia de referinţă a excavatorului în exploatare, cât şi poziţia faţă de zăcământ, monitorizează poziţia braţului la pivotare şi furnizează coordonatele de direcţie.
În cabina operatorului sunt afişate informaţiile din proces care sunt transmise unui calculator pe care rulează software-ul de conducere. Acesta calculează în timp real informaţiile despre poziţia sistemului de tăiere-încărcare, producţia şi distanţa faţă de celelalte excavatoare. Informaţiile de la fiecare excavator sunt transmise printr-o reţea la centrul de comandă, datele primite sunt salvate în timp real în baze de date pentru a putea fi analizate ulterior în amănunt.
Prin instalarea unui sistem de inspectie vizuală se obţin mai multe avantaje precum: siguranţa în exploatare, precizia de tăiere îmbunătăţită cu o eroare de ± 50 mm, utilizarea programelor de analiza a imaginilor pentru creşterea mentenanţei, fiabilităţii utilajelor şi determinarea gradului de uzură.
O problemă esenţială rezolvată este optimizarea capacităţii de transport prin varierea vitezei benzii transportoare. O camera de inspecţie amplasată deasupra benzii determină în timp real secţiunea materialului transportat (figura 3). Profilul reprezintă una din datele de intrare ale modelului matematic și cu acesta se determină viteza optimă de deplasare a benzii.
Fiecare transportor cu bandă trebuie să aibă propriul sistem de control legat la dispeceratul central. Sistemul de control realizează următoarele funcţii: transmite la dispeceratul central toate datele necesare (imagini de la camerele video de supraveghere; parametrii curenţi de operare;parametrii referitori la materialul transportat), informaţii pentru diagnoza sistemului şi monitorizare, funcţii de control şi monitorizare care asigură funcţionarea automată a benzii. Transportoarele cu bandă pot servi şi la gestionarea cantităţilor vehiculate. Montarea în bandă a unor cântare permite transmiterea în timp real a datelor referitoare la cantitatea transportată, acestea putând fi integrate într-un sistem de gestiune al cantităţilor de materiale vehiculate.
- Procesul de inspecţie
Acesta se bazează pe utilizarea unui senzor special (de obicei, o cameră video), al cărui semnal de ieşire este preluat de un sistem digital de procesare. Ceea ce deosebeşte în mod fundamental acest sistem de o simplă cameră de supraveghere video este capacitatea lui de a lua decizii. Practic, putem defini sistemul ca un actor automat, capabil să ia decizii bazate pe analiza diferitelor caracteristici geometrice sau topografice ale „scenei” analizate. Setul de unelte software este utilizat la verificarea şi măsurarea diferenţelor de contrast. Camerele digitate colectează informaţiile şi le evaluează în funţie de regulile programate.
3.1. Descrierea modului de funcţionare
În continuare, sunt prezentate nivelele parametrilor de sistem, inspecţie şi instrumente, respectiv utilizarea şi funcţionalitatea pe care o adaugă sistemului. În figura 4 sunt prezentate nivelele decizionale determinate de componentele interne. La nivelul superior se găsesc parametrii de sistem.
Camerele de inspecţie achiziţionează imagini pe care le analizează, pe baza regulilor stabilite de programator, dacă satisfac criteriile impuse.
3.2. Parametrii de sistem
Aceștia controlează funcţionalitatea generala a camerelor de inspecţie. Principalii parametrii sunt: mod inspecţie, parolă, configuraţie I/O. scripturi background, program la start-up. trigger. balans FOV şi configurarea comunicaţiei.
- Modul inspecţie.Camerele de inspecţie pot achiziţiona imagini cu scopul de a le verifica sau doar pentru a fi afişate în interfaţa utilizator. Modul redare este utilizat cu preponderenţă de interfaţa utilizator şi este independentă de procesul de verificare, astfel încât activarea acestui mod nu necesită un program de inspecţie. Când modul Real-Time-Feedback este activat în interfaţă, modul redare devine activ, iar camera de inspecţie trimite imagini fiecărui program. Când modul inspecţie este activ, camera porneşte toate modurile şi porturile de comunicare configurate, transmiţând date în reţea.
3.3. Parametrii programelor de inspecţie
Următorul nivel ierarhic al camerelor de inspecţie este cel al programului de inspecţie. La acest nivel se regăsesc subprograme independente care sunt responsabile cu verificări specifice.
Aceste subsisteme se numesc subprograme, toate subprogramele din sistem utilizează un set comun de parametrii de sistem. Pentru că fiecare subprogram răspunde de o anumită verificare, ele trebuie să aibă control asupra procesului de achiziţie a imaginii, din acest motiv parametrii precum iluminare, fereastră imagine şi timp de expunere sunt parametrii ai nivelului program.
- Analiza componenţei imaginilor. Fiecare imagine achiziţionată de camerele digitale poate fi considerată ca o matrice de pixeli. Pentru sistemele cu rezoluţie standard, imaginea este de dimensiunea 640 coloane şi 480 rânduri (307.200 pixeli). Pentru sisteme de rezoluţie mare, o imagine are dimensiunea 1280 coloane şi 1024 rânduri (1.3 milioane pixeli). Fiecare pixel este considerat o sursă de informaţie. Pentru sistemele grayscale fiecare pixel are o valoare între 0 şi 255, valoare care apoi este normalizată de la 0 la 100.
- Timp de expunere. Se referă la timpul de funcţionare al obturatorului mecanic care expune senzorul de achiziţie al imaginii la lumină. Cu cât timpul de expunere este mai lung cu atât are camera timp mai lung să creeze imaginea. Mărind timpul de expunere se încetineşte procesul de achiziţie al imaginii şi poate apărea fenomenul „blur” la verificările în mişcare. Principalii factori care determină timpul de expunere stabilit pentru o verificare: Viteza de mişcare a mecanismului. Pentru mecanisme cu viteză mare. se recomandă utilizarea unor timpi mici de expunere pentru a evita fenomenul de blur din imagini; Rata de inspecţie (inspecţii/minut). în situaţiile unde rata inspecţiilor este mare. timpul de expunere trebuie să fie redus pentru a optimiza inspecţia; Lumina disponibilă în momentul achiziţiei de imagine.
- Timpul de digitizare.
Acest parametru determină precizia transformării imaginii din analog în digital de senzorul de achiziţie a imaginii. Un timp de digitizare mai lung permite transformări mai calitative dar se recomanda utilizarea valorii prestabilite. Mărirea timpului de transformare nu produce îmbunătăţiri vizibile imaginii obţinute. In funcţie de aplicaţie programatorul, poale alege între mai multe valori a timpului de digitizare pentru a mării viteza procesului de inspecţie sau pentru a se obţine o imagine cât mai calitativă.
- Parametrul imagine parţială. Este foarte posibil ca unele aplicaţii să nu necesite procesarea întregii imagini, ci doar o porţiune din aceasta. Interfaţa de programare poate facilita selectarea doar a unei zone din imagine astfel achiziţionându-se doar acea zonă.
- Parametrul antiblooming. Efectul blooming apare atunci când pixelii absorb prea multă lumină, ei devenind supra saturaţi, cauzând supra saturarea pixelilor din imediata vecinătate (cel mai adesea în direcţie verticală) chiar dacă nivelul acestora era suficient sub pragul de saturaţie.
- Semnalul care comanda iluminarea este configurat în mod implicit. Sursele de iluminare folosesc acest semnal pentru a se aprinde la comandă.
3.5 Parametrii instrumentelor de inspecţie
Instrumentele vizuale de inspecţie sunt cele care efectiv realizează măsurătorile în programul de verificare. Fiecare are distribuită o sarcină specifică, precum extragerea de informaţii din imagini. Rezultatul tuturor instrumentelor reunite furnizează în final rezultatul verificării. Principalii parametrii ai instrumentelor de inspecţii sunt: forma, opţiunile de procesare, nivelul şi condiţiile PASS/FAIL.
Forma geometrică a instrumentelor. Crearea formei geometrice se realizează simplu, cu ajutorul mouse-ului. Primul pas constă în desenarea formei geometrice pe imaginea verificată.
Instrumentele de măsură tip linie sunt cel mai frecvent utilizate când este necesar să se găsească muchii. Acest tip de instrumente caută dea lungul liniilor o schimbare de intensitate a pixelilor. Line Segment – permite programatorului să traseze acest instrument drept şi în unghiul dorit; Polyline – permite crearea unei linii definită prin mai multe segmente, utilizată la analiza formelor foarte complicate: Circle – permite analiza formelor simetrice sau rotunde: Ellipse – permite analiza formelor rotunde dar din caua perspectivei din care este achiziţionată imaginea forma pare o elipsă; Elliptical Arc/ Circular Arc – are forma unui cer incomplet şi se utilizează în cazul în care zona analizată este de formă circulară incompletă.
Instrumentele de măsură tip suprafaţă analizează pixeli cuprinşi într-o anumită zonă din imagine. Această suprafaţă este determinată la desenarea instrumentului.
Operaţii de preprocesare. Opţiunile de preprocesare sunt disponibile în grupul instrumentelor de preprocesare cât şi în proprietăţile instrumentelor de măsură. în cele mai multe cazuri programatorul nu poate schimba mult condiţiile externe de achiziţionare a imaginii, astfel o altă metodă de a îmbunătăţii imaginile zgomotoase trebuie utilizată în acest caz unele instrumente de măsură au un mecanism propriu de procesare a imaginii înainte de a aplica funcţia nivel.
Câteva dintre aceste mecanisme sunt: Erode – micşorează contururile din imagine cu n anumit de pixeli. Dilate – măreşte contururile din imagine cu un n anumit număr de pixeli. Este utili când conturul analizat are în interior zgomot; Open – este combinaţia mecanismelor Erode urmată de operaţia Dilate. Close – este combinaţia mecanismelor Dilate urmată de operaţia Erode.
Figura 5 ilustrează utilizarea mecanismelor Open şi Erode.
Primul instrument de măsură fără mecanism de preprocesare nu are o rată de succes în imaginea zgomotoasă. Al doilea instrument de măsură foloseşte mecanismul Erode micşorând totul (3 pixeli în cazul de faţă) până când zgomotul dispare, dar afectează dimensiunea conturului. Al treilea instrument foloseşte mecanismul Open, rezultatul fiind dispariţia zgomotului şi păstrarea dimensiunii originale a conturului. În figura 6 se arată inspecţia unui contur cu zgomot în interior.
Realizarea şi proiectarea unui sistem de inspecţie inovativ cu ajutorul camerelor digitale este facilă datorită proprietăţilor hardware, software şi multitudini protocoalelor de comunicare. Schema logica a sistemului de inspectie este relativ simplă şi este redată în figura 7.
Prin amplasarea unei camerelor de inspecţie deasupra mecanismului de acţionare a roţii cu cupe, (figura 8), se poate măsura şi verifica evoluţia avansării excavatorului, precum si poziţia braţului excavatorului cu rotor, (figura 9).
In figura 9 se observă amplasamentul celor două camerelor digitale care efectueazăcalculul poziţiei braţului excavatorului. Camera montată pe partea mobilă (fig. 9 poz. I) măsoară poziţia planeitaţii excavatorului pe axa verticală, iar camera montată pe infrastructura excavatorului (fig. 9 poz. 2) este responsabilă cu calcul unghiului de pivotare.
Pentru determinarea poziţiei pe verticală a braţului se utilizează două instrumente de tip Position Along a Line şi un script care calculează media aritmetică a offset-ului celor două instrumente, figura 10.
Pentru determinarea unghiului de pivotare a braţului este nevoie de o a doua cameră de verificare montată într-o poziţie fixă. faţă de mişcarea de pivotare a braţului, pe infrastructura excavatorului. Unghiul de pivotare este determinat cu ajutorul instrumentului de măsurare Pozition Along a Arc (figura 11). Acest instrument măsoară pe un arc de cerc deplasarea rotaţională a muchiei detectate faţă de originea O. returnând o valoarea în grade de la 0° la π. Se doreşte ca unghiul de pivotare sa fie în poziţia centrală egal cu 0°.
Utilizand asfel imaginile captate de camerele de inspecţie se poate determina debitul excavat aflat pe transportor si astfel se poate concepe un sistem de reglare automat al capacitaţii de extracţie în funcţie de cerinţele de excavare impuse.
4 .Concluzii
Tehnologia de automatizare oferă o reducere a costurilor forţei de muncă şi asigurarea că o parte din procese sunt în mod repetat efectuate cu aceeaşi precizie, rezultând o uzură redusă şi reducerea defectelor. Cu utilizarea de dispozitive de detecţie precise, funcţiile de automatizare pot efectua sarcini în profilarea suprafeţei, de poziţionare şi de evitare a coliziunilor. Aplicaţii specifice sunt numeroase în zona minieră.
Mai mult decât atât, obiectivul cheie al dezvoltării miniere este de a creşte siguranţa minerilor cu reducerea numărului de accidente mortale şi non-fatale. Odată cu punerea în aplicare a funcţiilor de automatizare, operatorii de maşini miniere ar putea fi eliminaţi din medii periculoase. Prin urmare, echipamentele au nevoie de un set de senzori de percepţie, care sunt suficient de robuşti pentru a lucra în astfel de medii dificile.
Utilizarea echipamentelor legate în reţea permite diagnosticarea de la distanţă a utilajelor. Prin aceasta se poate scurta la minim timpul de intervenţie în cazul apariţiei unei avarii. Mai mult, se poare realiza un sistem de monitorizarea utilajelor conducătoare şi de programare a lucrărilor de întreţinere curentă astfel încât timpii de staţionare neplanificaţi să fie reduşi la minim.
Integrarea tuturor utilajelor, comanda şi controlul acestora de la dispeceratul central poate asigura obţinerea unor calităţi controlate de cărbune prin utilizarea eficientă a datelor din modelul geologic al zăcământului. Toate aceste pentru îndeplinirea dezideratului major actual: obţinerea unei calităţi controlate a cărbunelui cu o productivitate maximă în condiţii de costuri minime.
- Dandea L.D., Nan M.S., – Research regarding the use of image analysis software for improving the control of bucket wheel excavators, Universitaria SIMPRO 2012, Petrosani, 2012
- Dandea L.D,- Modernizarea sistemelor de comanda a excavatoarelor cu rotor utilizate in exploatarile la zi, Teza de doctorat, Petroșani, 2014
- Nan M.S., Ridzi T.I., Dandea L.D., –Teoria sistemelor de transport, Ed. Universitas Petroșani, 2012
- Nan M.S., – Parametrii procesului de excavare la excavatoarele cu rotor, Ed. Universitas Petroșani, 2007
- *** Intellect software help.
- *** http://www.indurad.com/
