本发明涉及检测技术领域与工程机械领域，具体的涉及一种沥青搅拌站骨料级配在线检测、防溢料控制方法及系统。
背景技术：
沥青搅拌站的质量如何，是影响工程质量高低的关键因素。溢料问题是拌合楼生产中经常遇见的一个严重问题，也是制约施工进度和施工质量的一个重要因素。如果溢料现象轻微则浪费溢料材料，增加能耗，降低产量；如果溢料现象严重则导致拌合楼间歇性停机与点火开机，一方面影响稳定生产和摊铺，特别是摊铺机间歇停机影响平整度，另一方面影响沥青混合料质量的稳定性。引起溢料的原因主要包括是骨料级配不合格和配比不当这两个方面。
骨料级配是机制砂质量管理的重要参数，骨料级配不达标会导致混凝土用水量高、水泥(凝胶材料)用量大、耐久性差等问题；还将增加孔隙率，空隙越多，所需水泥浆用量越大，会使得骨料之间粘结力下降，降低混凝土的强度。使用较好级配组成的混合料，在生产沥青混凝土过程中一方面可以保证较高的生产率，另一方面又可以在生产中避免热仓由于混合料级配不合格造成的待料或溢料现象。
骨料的配合比对于混凝土的经济性以及质量也有着明显的影响。机器生产的砂石粒度、粒形质量参差不齐，对其进行级配监测是非常必要的。
骨料作为沥青混合料与水泥混凝土的主要用料，占混凝土体积和质量的3/4以上，在混凝土中起骨架和填充的作用。其特性对混凝土拌合物的和易性有着重要的影响，主要体现在流动能、粘聚性和保水性这三个方面。良好的骨料粒级级配使得混凝土堆积孔隙率减小，使得混凝土和易性较好，拥有好的稳定性和耐久性，且减少了水泥浆的用量降低了混凝土的成本。在混凝土搅拌之前对骨料级配进行监测，确保骨料的颗粒级配满足国家或者行业标准才可以获得更高质量的高性能混凝土。
而目前的混凝土骨料检测设备存在许多问题，例如费时费力、只能抽样检测，并不能真实的反映出实际作业状态下骨料的粒度检测数据。且样品的检测结果往往与混凝土骨料实际生产状态存在时间滞后现象，无法实现在线检测。
因此实现对堆叠骨料的级配在线检测，并对骨料级配的监测及配比在沥青搅拌中防止溢料和获得更高质量的混凝土有着极其重大的意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提出一种沥青搅拌站骨料级配在线检测、防溢料控制方法及系统；无需对骨料进行选样检测，可以直接对其进行粒度的检测，并能进一步的对该骨料颗粒进行粒级的统计分布分析，同时能根据实际混凝土要求的骨料级配，生成由各种不同级配骨料颗粒组成的骨料混合料，使骨料级配合格并达到配比要求，有效防止在沥青搅拌过程中发生溢料现象。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种沥青搅拌站骨料级配控制系统，包括：若干进料仓、若干骨料传送带、终端设备、plc控制器、变频器和若干电动机；所述进料仓、骨料传送带和电动机的数量相同；每个进料仓的正下方设置有一条骨料传送带以传输经人工装载筛分的堆叠骨料；每条骨料传送带的导轨上固定设置有暗箱；所述暗箱内设置有照明设备以调节所述暗箱内的光线亮度；所述暗箱顶部设置有图像采集器以对被测骨料进行图像采集；所述终端设备与所述图像采集器相连接以接收采集的图像并进行处理；所述终端设备与所述plc控制器相连接以发送各骨料传送带需要达到的速度比；所述plc控制器与所述变频器相连接；所述变频器与所有电动机相连接；每个电动机与一条骨料传送带相连接以进行调速控制。
优选的，所述终端设备包括：图像处理模块、几何特征分析模块、骨料粒度分布结果显示模块和传送带速度计算模块；所述图像处理模块用于对采集到的堆叠骨料图像进行处理；所述几何特征分析模块用于对图像处理模块处理后的骨料图像进行分析，得到每个骨料颗粒的几何特征；所述骨料粒度分布结果显示模块用于对所述几何特征分析模块获得的几何特征进行统计，得到骨料的级配结果；所述传送带速度计算模块根据骨料粒度分布结果显示模块计算的各级配数量级骨料颗粒的粒径含量和实际混凝土对各级配骨料颗粒比例的需求，计算出各传送带需要达到的速度比。
一种沥青搅拌站骨料级配在线检测方法，基于所述的沥青搅拌站骨料级配控制系统，包括：
图像采集器对经人工装载筛分的堆叠骨料进行图像采集并发送给所述终端设备；
终端设备对采集到的堆叠骨料图像进行处理；
所述终端设备对处理后的堆叠骨料图像进行几何特征分析，计算出堆叠骨料图像中每个骨料颗粒的几何特征；
所述终端设备根据堆叠骨料图像中每个骨料颗粒的几何特征，分析得到堆叠骨料的粒度分布统计信息。
优选的，所述图像采集器对经人工装载筛分的堆叠骨料进行图像采集，包括：
设定一图像采集区域；所述图像采集区域辐射到堆叠骨料传送带上某个区域的堆叠骨料表层。
优选的，所述终端设备对采集到的堆叠骨料图像进行处理，包括：
将采集到的堆叠骨料图像转化为灰度图；
对灰度化后的图像采用中值滤波法进行平滑图像处理；
对滤波后的堆叠骨料图像采用基于聚类全局阈值改进的niblack局部阈值方法进行阈值分割处理，将图像转化成二值图像；
对阈值分割处理后的堆叠骨料图像进行迭代的形态学腐蚀操作以分离图像中相接触的颗粒；
对形态学腐蚀操作后的堆叠骨料图像进行填充颗粒中间的空洞处理，以消除因骨料颗粒表面纹理经过分割处理后形成的噪声；
采用小球标定法进行图像标定处理。
优选的，所述进行图像标定处理之前还包括：
对边界处不完整的颗粒去除，对重复拍摄颗粒采用不变距对骨料进行重复识别，然后去除。
优选的，所述对滤波后的堆叠骨料图像采用基于聚类全局阈值改进的niblack局部阈值方法进行阈值分割处理取表层骨料为研究对象，把下层不完整的骨料视作背景，具体包括：
利用聚类全局阈值法求出中值滤波后的堆叠骨料图像的全局阈值t1；
将整张图像分为九个子图，针对每一个子图，用niblack算法求出一个局部阈值t2；
将聚类法求得的阈值t1与niblack法求得的t2求加权和，得到每一个子图的阈值：t3＝αt1+(1-α)t2，其中α表示加权系数。
优选的，采用小球标定法进行图像标定处理，具体包括：
在相同的图像采集环境下，对若干个直径已知的标准小球进行图像采集；
小球图像经过图像处理处理后，计算获取图像中每个小球的像素面积值；
将每个小球的真实面积值与图像中的像素面积值进行比较，比值的平均值作为标定系数。
一种沥青搅拌站骨料级配防溢料控制方法，基于所述的沥青搅拌站骨料级配控制系统，包括：
根据实际沥青混凝土对各级配骨料颗粒比例的需求，终端设备计算各传送带需要达到的速度比并发送给plc控制器；
所述plc控制器根据所述速度比把所需要的各种速度发送到变频器以控制变频器工作；
所述变频器给电动机提供调压调频电源，改变电动机转速来控制各骨料传送带速度。
优选的，所述计算各传送带需要达到的速度比，包括：
将各个料仓中不同粒径区间对应的粒径含量分别记为a1、a2…ai，b1、b2…bj，c1、c2…cm、…，将料仓的宽度记为s，料仓距离骨料传送带的高度记为h，各骨料传送带速度记为vn,骨料传送带输送时间记为t,沥青混凝土配方需要的混合料级配中，各骨料级配所需的含量记为m1、m2…ml,沥青混凝土总质量为q；其中，n为正整数；
根据沥青混凝土中每种级配骨料含量所对应各料仓中相同级配的骨料含量，将各料仓中重叠的骨料级配含量叠加,得到以下公式：
ml＝k1·a1+…+ki·ai+p1·b1+…+pj·bj+q1·c1+…+qm·cm+…
其中，i、j和m均为正整数；k1…ki表示各料仓中含有粒径含量ai所对应的该级配的骨料含量系数比；p1…pj表示表示各料仓中含有粒径含量bj所对应的该级配的骨料含量系数比；q1…qm表示表示各料仓中含有粒径含量cm所对应的该级配的骨料含量系数比；
将各参数代入上述公式，由质量守恒可得到以下公式：
s·h·t·fet[(a1+a2+…)v1+(b1+b2+…)v2+…]＝q·ml
其中，l为正整数，
计算出满足该方程的所有vn解，并选出一组最合适的解。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明一种沥青搅拌站骨料级配控制系统通过在骨料传送导轨上安装图像采集器实现对堆叠骨料的图像采集，并通过与图像采集器相连的终端设备实现沥青搅拌站骨料级配控制；
(2)本发明一种沥青搅拌站骨料级配在线检测方法采用了机器视觉结合数字图像处理技术，无需进行选样检测，可实现骨料粒度快速在线检测，能及时反映骨料级配情况，提高实时性和精度；
(3)本发明一种沥青搅拌站骨料级配防溢料控制方法采用了速度可调的骨料传送带，通过控制骨料传送带的速度，来实现对不同级配骨料颗粒的配比，进而实现在沥青混合搅拌过程中防止溢料现象带来的严重后果。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种沥青搅拌站骨料级配在线检测、防溢料控制方法及系统不局限于实施例。
附图说明
图1为本发明一种沥青搅拌站骨料级配控制系统的结构示意图；
图2为本发明一种沥青搅拌站骨料级配在线检测方法的流程示意图；
图3为本发明的图像处理方法流程示意图；
图4为本发明一种沥青搅拌站骨料级配防溢料控制方法的流程示意图；
图5为本发明的传送带速度比计算方法流程示意图；
图6为本发明的骨料传送带速度控制流程图。
附图标记：101、进料仓，102、骨料传送带，103、暗箱，104、照明设备，105、图像采集器，106、plc控制器，107、变频器，108、电动机，109、回收骨料传送带，110、终端设备。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图详细描述本发明提供的实施例。
参见图1所示，本发明一种沥青搅拌站骨料级配控制系统，包括：若干进料仓101、若干骨料传送带102、终端设备110、plc控制器106、变频器107和若干电动机108；所述进料仓101、骨料传送带102和电动机108的数量相同；每个进料仓101的正下方设置有一条骨料传送带102以传输经人工装载筛分的堆叠骨料；每条骨料传送带102的导轨上固定设置有暗箱103；所述暗箱103内设置有照明设备104以调节所述暗箱103内的光线亮度；所述暗箱103顶部设置有图像采集器105以对被测骨料进行图像采集；所述终端设备110与所述图像采集器105相连接以接收采集的图像并进行处理；所述终端设备110与所述plc控制器106相连接以发送各骨料传送带102需要达到的速度比；所述plc控制器106与所述变频器107相连接；所述变频器107与所有电动机108相连接；每个电动机108与一条骨料传送带102相连接以进行调速控制。
具体的，所述的进料仓101，按照国际标准对骨料级配的划分，可分为六个不同的料仓(附图1只体现了三个)，用于将经人工装载筛分的堆叠骨料传输至骨料传送带102上。
所述的照明设备104，与所述终端设备110之间通信连接，所述照明设备104根据所述终端设备110反馈的信息调整的亮度控制参数。
所述的图像采集器105，用于对被测的骨料进行图像采集。本实施例中，所述图像采集器105包括工业相机。所述图像采集器105的安装位置要使得工业相机的视野范围能够覆盖整个传送带的宽度范围，以使得骨料传送带102上的每个颗粒都被拍摄。所选工业相机的帧率应满足图像采集速度要求，相机通过usb3.0数据线与终端设备110相连，工业相机的采集间隔时间由终端设备110中的参数设置模块控制。
所述的plc控制器106，在终端设备110的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的方式工作，通过plc控制器106的数字输出量对系统工作状态进行指示，用程序控制变频器107工作。
所述的变频器107，变频器107主电路给异步电动机108提供调压调频电源，根据变频器107的多种频率变化改变电动机108的多种速度控制，具体是先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机108。
所述的电动机108，通过改变笼型异步电动机108的供电频率，也就是改变电动机108的同步转数就可以实现对传送带的调速控制。
本实施例中，所述沥青搅拌站骨料级配控制系统还包括回收骨料传送带109，用于回收最后得到的符合级配要求的骨料混合料，最终送入沥青搅拌中。
所述的终端设备110，可以为pc或者移动终端，与图像采集器105相连接，以控制工业相机的曝光时间和采集频率；与背光源相连接，以控制照明设备104光源的亮暗；其内部包括图像处理模块、几何特征分析模块、骨料粒度分布结果显示模块和传送带速度计算模块。
所述图像处理模块用于对图像采集器105采集到的骨料图像进行处理，图像处理主要使用了中值滤波和基于聚类全局阈值改进的niblack局部阈值方法，使每个骨料轮廓清晰可见，利于统计骨料粒度分布结果。
所述几何特征分析模块与图像处理模块相连，将处理好的骨料图像进行分析，得出每个骨料颗粒的几何特征，包括投影周长、投影面积和各方向径；所述几何特征分析模块是骨料粒度分布结果显示模块的基础。
所述骨料粒度分布结果显示模块是将经几何特征分析模块计算的骨料图像进行统计，得到骨料的级配结果并显示。显示项目包括粒度分布与粒度累积分布，分别表示为混合料中每个粒级的骨料占比与混合料的累计筛余百分率。
所述传送带速度计算模块是根据骨料粒度分布结果显示模块计算的各级配数量级骨料颗粒的粒径含量，由实际混凝土对各级配骨料颗粒比例的需求，计算出各传送带需要达到的速度比。
本实施例中，所述终端设备110还包括图像实时显示模块。所述图像实时显示模块在骨料检测过程中，用于实时显示图像采集器105采集到的骨料图像，确认传送过程是否稳定运行，以及光源、工业相机的工作状态。使用者也可以根据需要，局部放大图像，观察传送带上骨料的细节。
参见图2所示，本发明一种沥青搅拌站骨料级配在线检测方法，基于所述的沥青搅拌站骨料级配控制系统，包括：
步骤201，图像采集器对经人工装载筛分的堆叠骨料进行图像采集并发送给所述终端设备；
步骤202，终端设备对采集到的堆叠骨料图像进行处理；
步骤203，所述终端设备对处理后的堆叠骨料图像进行几何特征分析，计算出堆叠骨料图像中每个骨料颗粒的几何特征；所述几何特征包括投影周长、投影面积和各方向径；
步骤204，所述终端设备根据堆叠骨料图像中每个骨料颗粒的几何特征，分析得到堆叠骨料的粒度分布统计信息并显示。具体的，显示项目包括粒度分布与粒度累积分布，分别表示为混合料中每个粒级的骨料占比与混合料的累计筛余百分率。
进一步的，所述图像采集器对经人工装载筛分的堆叠骨料进行图像采集，包括：
设定一图像采集区域；所述图像采集区域辐射到堆叠骨料传送带上某个区域的堆叠骨料表层。
参见图3所示，所述终端设备对采集到的堆叠骨料图像进行处理，包括：
步骤301，将采集到的堆叠骨料图像转化为灰度图；
本实施例中，每个像素的灰度值由下式计算出：
gray＝r×0.299+g×0.587+b×0.114
其中，r、g、b分别表示像素红、绿蓝三个通道的值，gray表示灰度值。
步骤302，对灰度化后的图像采用中值滤波法进行平滑图像处理以消除砖块、混凝土表面粗糙纹理带来的噪声；
本实施例中，中值滤波将图像的每个像素用3×3邻域(以当前像素为中心的正方形区域)像素中值代替。
本步骤具体包括：
将图像拷贝到一个稍微变大的图像中，新图像上下边和左右边，各增加了一行和一列像素，复制原图中最临近的行或者列来填充这些像素。
依次从左往右从上到下查找图像中每个3×3像素区域，取区域中9个像素灰度值中的中值，来代替3×3区域的中心像素的灰度值。
对所有区域操作完毕后，删除添加的边界，使图像回到原尺寸。
步骤303，对滤波后的堆叠骨料图像采用基于聚类全局阈值改进的niblack局部阈值方法进行阈值分割处理，将图像转化成二值图像；
本实施例中，取表层骨料为研究对象，把下层不完整的骨料视作背景，该步骤具体包括：
利用聚类全局阈值法求出中值滤波后的堆叠骨料图像的全局阈值t1；
将整张图像分为九个子图，针对每一个子图，用niblack算法求出一个局部阈值t2；
将聚类法求得的阈值t1与niblack法求得的t2求加权和，得到每一个子图的阈值：t3＝αt1+(1-α)t2，其中α表示加权系数。
niblack是一种常用的局部动态阈值法，可以在不同的图像区域内自适应地确定阈值。然而直接使用niblack在骨料稀疏时会产生伪噪声，采用本发明提供的基于聚类全局阈值改进的niblack局部阈值方法可以避免伪噪声的产生。经多次实验表明，取α＝0.4时图像二值化效果最佳，可以正确分辨骨料轮廓。
步骤304，对阈值分割处理后的堆叠骨料图像进行迭代的形态学腐蚀操作以分离图像中相接触的颗粒；
步骤305，对形态学腐蚀操作后的堆叠骨料图像进行填充颗粒中间的空洞处理，以消除因骨料颗粒表面纹理经过分割处理后形成的噪声；
步骤306，对边界处不完整的颗粒去除，对重复拍摄颗粒采用不变距对骨料进行重复识别，然后去除；
本实施例中，该步骤具体包括：
对边界处不完整的颗粒去除，采用面积周长比小于1判断是否为边界颗粒的条件，将边界颗粒从轮廓中去除；
在图像采集过程中，每个颗粒可能被拍到1、2次，使用不变矩对骨料进行重复识别，使得在两种图片中出现在不同位置的相同骨料得以被识别出。
步骤307，采用小球标定法进行图像标定处理；
本实施例中，该步骤具体包括：
在相同的图像采集环境下，对若干个直径已知的标准小球进行采集图像；
小球图像经过图像处理处理后，计算获取图像中每个小球的像素面积值；
将每个小球的真实面积值与图像中的像素面积值进行比较，比值的平均值作为系统的标定系数。
参见图4所示，本发明一种沥青搅拌站骨料级配防溢料控制方法，基于所述的沥青搅拌站骨料级配控制系统，包括：
步骤401，根据实际沥青混凝土对各级配骨料颗粒比例的需求，终端设备计算各传送带需要达到的速度比并发送给plc控制器；
步骤402，所述plc控制器根据所述速度比把所需要的各种速度发送到变频器以控制变频器工作；
步骤403，所述变频器给电动机提供调压调频电源，改变电动机转速来控制各骨料传送带速度；
步骤404，控制各级配骨料的数量，完成配比，从而实现在沥青混合搅拌过程中防溢料的目的。
参见图5所示，本实施例中，所述计算各传送带需要达到的速度比，包括：
步骤501，将各个料仓中不同粒径区间对应的粒径含量分别记为a1、a2…ai，b1、b2…bj，c1、c2…cm、…；其中的a、b和c表示不同的三个料仓，当然，根据实际需求，可能还包括其他料仓；下标i、j和m分别表示各个料仓中包含的骨料种类。
步骤502，将料仓的宽度记为s，料仓距离骨料传送带的高度记为h，各骨料传送带速度记为vn，骨料传送带输送时间记为t；其中，n为正整数；
步骤503，沥青混凝土配方需要的混合料级配中，各骨料级配所需的含量记为m1、m2…ml，沥青混凝土总质量为q；
步骤504，根据沥青混凝土实际需要的各级配骨料含量，将各料仓中相同级配的骨料含量相加，将各料仓中重叠骨料级配含量叠加；得到以下公式：
ml＝k1·a1+…+ki·ai+p1·b1+…+pj·bj+q1·c1+…+qm·cm+…
其中，i、j和m均为正整数；k1…ki表示各料仓中含有粒径含量ai所对应的该级配的骨料含量系数比；p1…pj表示表示各料仓中含有粒径含量bj所对应的该级配的骨料含量系数比；q1…qm表示表示各料仓中含有粒径含量cm所对应的该级配的骨料含量系数比；
步骤505，将各参数代入上述公式，由质量守恒可得到以下公式：
s·h·t·fet[(a1+a2+…)v1+(b1+b2+…)v2+…]＝q·ml
其中，l为正整数，
步骤506，计算出满足该方程的所有vn解，并选出一组最合适的解。
参见图6所示为骨料传送带速度控制流程图，对于传送带速度的控制，主要步骤包括：
根据plc控制器和变频器的通信协议，通过plc控制器的数字输出量对系统工作状态进行指示，用程序控制变频器工作；
变频器主电路给异步电动机提供调压调频电源，根据变频器的多种频率变化改变电动机的多种速度控制，实现多种速度控制是通过改变笼型异步电动机的供电频率，也就是改变电动机的同步转数；
电动机通过联轴器和传送带轴相连，使传送带实现正转、反转、起动、停止、加速、减速等多种速度变化。
具体的，所述根据变频器的多种频率变化改变电动机的多种速度控制，异步电动机用变频器调速运转时，通常由变频器主电路给异步电动机提供调压调频电源，在“交—直—交”变频调速系统中，采用不可控整流器整流，用pwm型逆变器调压，即采用可控关断的全控式功率开关元件。
实现多种速度变化是通过改变笼型异步电动机的供电频率，也就是改变电动机的同步转数就可以实现调速。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种沥青搅拌站骨料级配在线检测、防溢料控制方法及系统，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。