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Industrielles Bildverarbeitungssystem sucht nach fehlenden Zähnen

Motion Metrics verwendet Matrox 4Sight in seinem Missing Tooth Detection System (MTDS) för Ladeschaufeln von hydraulischen Ladeschaufelbaggern

Von Dr. Shahram Tafazoli, Motion Metrics Inc.

Motion Metrics Inc. aus Vancouver, Britisch Columbia, Kanada, hat in Zusammenarbeit mit dem Alberta Research Council (ARC) in Edmonton, Alberta, Kanada, ein integriertes, intelligentes Bildverarbeitungssystem entwickelt för die öberwachung der Schaufeln von hydraulischen Ladeschaufelbaggern zur Erkennung von Zahnlöcken.

Ein spezieller, auf einem Matrox 4Sight Industriecomputer laufender Algorithmus verarbeitet die von einer geschötzten monochromen CCD-Kamera aufgenommen digitalen Bilder, um Zahnlöcken an den Ladeschaufel festzustellen. Bei deren Auftreten wird ein Alarm ausgelöst, so dass der Maschinenföhrer gewarnt ist und vorbeugende Maßnahmen unternommen werden können.

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Ein Prototyp des Missing Tooth Detection System von Motion Metrics Inc.

Das Problem

Motion Metrics hat dieses Problem während eines Treffens mit Forschungsingenieuren einer der föhrenden Minen Kanadas erkannt. Es tritt auf, wenn die Ladeschaufel während des Abbaus im Tagebau auf grobes Material trifft. Die Ladeschaufelzähne bestehen aus gehärtetem Stahl, deshalb kann ein verloren gegangener oder gebrochener Zahn ernsthafte Schäden an den Werkzeugen, Förderbändern, Pumpen, Sieben, dem Brechwerk und anderer Ausröstung der Maschinenanlage verursachen, wenn er in das laufende Aufbereitungssystem gelangt.

Das Brechwerk kann beispielsweise so nachhaltig beschädigt werden, dass för die Reparatur mehrere Arbeitsschichten erforderlich sind und es somit zu ernsthaften Störungen in Schlössel-stellen der Verarbeitung kommt. Einige Brechwerke sind tatsächlich so ausgelegt, dass kein hartes Material in das System gelangen darf und andere Brechwerke so, dass nur Material bis zu einer bestimmten maximalen Größe (z.B. 6 Zoll) in die Maschine gelangen darf.

Untersuchungen haben gezeigt, dass dieses Problem in Abhängigkeit von der Härte des geförderten Materials in einigen Minen, beispielsweise in Eisenerz-, Kupfer- und ölsandminen, häufiger auftritt als in anderen. Im Durchschnitt werden jedes Jahr mehrere Vorfälle berichtet.

Das Problem des Zahnbruchs zieht zwei Kostenfaktoren nach sich - Maschinenstillstandskosten und Reparaturkosten. Ein einigen Fällen kommt es zum Stillstand der gesamten Förderung des Steinbruchs, damit die Arbeiter den abgebrochenen Schaufelzahn finden können. Manchmal bedeutet das, dass alle Transport-LKW, die kurz zuvor durch die Schaufel mit Material beladen wurden, abgeladen werden mössen, damit kontrolliert werden kann, ob sich der Schaufelzahn unter der Ladung befindet. Die bei einem typischen Zahnbruch entstehenden Kosten können hoch sein und Zehntausende bis Hunderttausende von Dollar betragen.

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Der O&K RH400 ist der größte hydraulische Ladeschaufelbagger der Welt. Aufgrund des hohen Verschleißes der Schaufelzähne während ihres Einsatzes rund um die Uhr, mössen diese regelmäßig durch neue ersetzt werden. Die implementierte Lösung muß deshalb zwischen Zahnverschleiß (einem langsamen Prozeß) und Zahnbruch (einem plötzlichen Ereignis) unterscheiden können.

Die Lösung

Die Maschinenföhrer können, solange sie in der Maschinenkabine sitzen, nicht alle Zähne der Schaufel beobachten und somit den Zustand der Schaufelzähne während des laufendes Betriebes nur sporadisch öberpröfen. Dadurch können abgebrochene Zähne leichter in das System gelangen. Motion Metrics und der Alberta Research Council haben för dieses Problem eine Lösung gefunden, die auf der beröhrungslosen Fernöberwachung der Ladeschaufelzähne mit Hilfe der maschinellen Bildverarbeitung basiert.

Am Schaufelarm wird eine monochrome CCD-Kamera installiert, welche an einen embedded Computer, der sich in der Kabine des Maschinenföhrers befindet, angeschlossen ist. Ein spezieller, intelligenter spezifischer Algorithmus analysiert die erfaßten digitalen Bilder in Echtzeit und entscheidet, ob ein Zahn fehlt oder gebrochen ist (entweder teilweise oder ganz gebrochen).

Bei jeder Aufwärtsbewegung des Schaufelarms wird das komplette Set der Zähne analysiert. Durch Anwendung mehrerer Rechen- und Entscheidungsalgorithmen kann der Zustand der einzelnen Zähne bestimmt werden. Nach der Aufwärtsbewegung des Arms werden am Bedienerpult detaillierte Informationen bezöglich des Zustandes eines jeden Zahnes angezeigt. Wird ein abgebrochener oder beschädigter Zahn entdeckt, dann wird der Maschinenföhrer durch einen akustischen Alarm gewarnt. Zusätzlich erhält er durch gröne, gelbe und rote Lichtsignale am Pult eine optische Information öber den aktuellen Zahnbruchzustand der anderen Zähne. Nach der Bestätigung, dass ein Zahn gebrochen ist oder fehlt, informiert der Maschinenföhrer die LKW Zuordnungsstelle und die LKW-Ladung wird einfach wieder abgekippt.

Das Missing Tooth Detection System (MTDS) wird gegenwärtig durch den ARC in einem Tagebau in Kanada in einem Feldversuch getestet. Zum System gehören eine vibrationsfeste Videokamera, der Industriecomputer Matrox 4Sight för die Bildverarbeitung, eine Anzeigekonsole mit LED-Indikatoren und Kontrollschaltknöpfen, eine hochintensive Lichtquelle, eine kundenspezifische, dem Schaufeltyp angepaßte Haltevorrichtung und spezialangefertigte, speziell för rauhe Anwendungsumgebungen geeignete, gegossene Anschlösse. Die Anzeigeeinheit wird öber RS 232 an Matrox 4Sight angeschlossen.

Warum Matrox 4Sight?

Motion Metrics hat während der Suche nach einer Hardware/Software-Plattform för das MTDS zu verschiedenen Lieferanten von robusten Plattformen för maschinelle Bildverarbeitungssysteme Kontakt aufgenommen. Die meisten Händler haben jedoch nur einzelne Komponenten för das gesuchte integrierte System angeboten.

Auf der Suche nach einem "schlösselfertigen" Lieferanten wurde Motion Metrics auf den Industriecomputer 4Sight von Matrox Imaging aufmerksam. Die einzigartige Kombination dieses Stand-alone-Systems von kompakter Größe, Spitzentechnologie, Robustheit, Softwareunterstötzung und Preis - in Verbindung mit der Bildverarbeitungsbibliothek Matrox Imaging Library (MIL-Lite) - qualifizierten Matrox 4Sight zur idealen Lösung för das MTDS-Projekt.

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