Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1. Автоматизация технологических процессов лесопромышленных складов
1.2. Автоматизация древесно-подготовительных цехов деревоперерабатывающих предприятий
1.3. Современные подходы к повышению эффективности автоматизации древесно-подготовительных цехов
1.4. Системы учета качества и количества произведенной технологической щепы
1.5. Предотвращение потерь древесины при барабанной окорке 46
1.6. Способ оперативного определения степени затупления ножей 52
рубительных машин
1.7. Автоматизация технологических процессов 56
1.8. Информационные потоки на участках сортировки лесоматериалов
1.9. Информационная модель работы оператора сортировочного участка древесно-подготовительного цеха
1.10. Выводы по главе 1 74
Глава 2. Теоретические исследования работы системы автоматизированной оценки качества окорки балансовой древесины
2.1. Разделение баланса и фона на снимке 78
2.2. Бинаризация изображения окоренного баланса 86
2.2.1. Пороговая обработка изображения 86
2.2.2. Метод оцу 88
2.2.3. Метод бернсена 90
2.3. Выводы по главе 91
Глава 3. Экспериментальные исследования 92
3.1. Методика проведения опытов по оценку процента неокоренной поверхности
3.2. Методика обработки результатов экспериментов 93
Глава 4. Результаты экспериментальных и теоретических исследований
4.1. Результаты экспериментальной оценки площади неокоренной поверхности опытных образцов
4.2. Сопоставление результатов экспериментальной оценки площади неокоренной поверхности опытных образцов с расчетными данными по изображениям
4.3. Новые технические решения для повышения эффективности древесно-подготовительных цехов
4.3.1. Автоматизация процесса определения качества работы рубительной машины линии производства технологической щепы
4.3.2. Устройство для определения однородности физико- механических свойств массива коры
4.4. Выводы по главе 114
Основные выводы и рекомендации 116
Литература
- Предотвращение потерь древесины при барабанной окорке
- Бинаризация изображения окоренного баланса
- Методика обработки результатов экспериментов
- Сопоставление результатов экспериментальной оценки площади неокоренной поверхности опытных образцов с расчетными данными по изображениям
Введение к работе
Актуальность темы. Приоритетными направлениями развития лесного комплекса на период до 2020 г. являются: развитие мощностей по глубокой механической, химической и энергетической переработке древесины, ускорение инвестиционного процесса, в первую очередь в новое строительство целлюлозно-бумажных предприятий, масштабная технологическая модернизация действующих производств, внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий, существенный рост производительности труда;
Инвестиционный сценарий развития лесопромышленного комплекса предусматривает коренные изменения в структуре лесопромышленного производства за счет приоритетного развития целлюлозно-бумажной промышленности путем создания крупных лесопромышленных комплексов (центров роста), где ведущим звеном являются производства целлюлозы, бумаги и картона. В состав таких комплексов должны включаться лесопильно-деревообрабатывающие, плитные производства.
Наиболее крупные лесопромышленные предприятия, производящие продукцию глубокой переработки древесины, например, целлюлозно-бумажные и плитные, в большей части случаев, входят в состав вертикально-интегрированных комплексных лесопромышленных предприятий, которые обеспечивают работой тысячи сотрудников, выплачивают значительные суммы в бюджеты различных уровней и поддерживают социальную стабильность в местах своего расположения.
Можно утверждать, что поступательное повышение эффективности работы таких предприятий будет способствовать достижению целей и решению задач, обозначенных в Стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года, а также развитию экономики России, как государства лидирующего по запасам леса, в целом.
Сырьем основного производства плитных заводов, а также целлюлозно-бумажных комбинатов, является технологическая щепа, которая, обычно, производится в древесно-подготовительных цехах бирж сырья этих предприятий. Очевидно, что от эффективности и качества производства технологической щепы будет во многом зависеть эффективность работы и качество продукции указанных предприятий.
Очень значительный грузооборот древесно-подготовительных цехов при часто меняющихся физико-механических свойствах балансового сырья приводит к неоптимальности показателей процесса его переработки, излишним потерям древесины в отходы и повышенным затратам энергии. До сих пор принятые в настоящее время технологические процессы производства технологической щепы из древесины не являются оптимальными, поскольку часто приводят к значительным потерям древесины и перерасходу энергии и нуждаются в совершенствовании.
Это позволяет утверждать, что тема диссертации, направленная на повышение эффективности автоматизации технологических процессов древесно-
подготовительных цехов, является своевременной и актуальной для лесопромышленного комплекса России.
Диссертация соответствует паспорту специальности: 05.21.01 «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства». Область исследований: п. 3, п. 6, п. 7, п. 8, п. 9, п. 10.
Степень разработанности темы исследования. Диссертация представляет собой законченное научное исследование, включающее в себя изучение состояния проблемы и постановку цели и задач, теоретический анализ возможности автоматизации основных технологических операций древесно-подготовительных цехов, включая управление окоркой древесины в окорочных барабанах с составлением математических моделей, экспериментальное исследование этого процесса, практическую реализацию исследования в виде рекомендаций по выбору алгоритма управления процессом окорки лесоматериалов в барабане, а также новые технические решения, направленные на повышение эффективности работы древесно-подготовительных цехов дере-воперерабатывающих предприятий.
Целью диссертационной работы является снижение энергоемкости и потерь древесины при производстве технологической щепы в древесно-подготовительных цехах деревоперерабатывающих предприятий.
Объект исследований. Способы автоматического управления основными технологическими процессами древесно-подготовительных цехов.
Предмет исследования. Процесс производства технологической щепы из балансовой древесины.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи исследования:
Разработать математическую модель автоматической оценки качества групповой механической окорки лесоматериалов в окорочных барабанах, позволяющую оценивать степень очистки балансов от коры.
Экспериментальным путем исследовать процессы автоматической оценки качества окорки балансов, выходящих из окорочного барабана.
Разработать технические решения, позволяющие повысить эффективность производства технологической щепы, за счет точной оперативной автоматизированной оценки качества выполнения операций и управления процессом, повышения производительности линии, снижения энергоемкости процесса и потерь древесины.
Научная новизна. Разработанная математическая модель автоматической оценки качества групповой механической окорки лесоматериалов в окорочных барабанах, позволяющая оценивать степень очистки балансов от коры развивает возможности использования методов распознавания образов в лесозаготовительном производстве.
Теоретическая и практическая значимость.
1. Математическая модель автоматической оценки качества групповой механической окорки лесоматериалов в окорочных барабанах, позволяет оценивать степень очистки балансов от коры, а предложенная методика
управления основными параметрами процесса позволяет разрабатывать организационные, технологические и технические мероприятия, обеспечивающие стабильность качественных показателей групповой окорки лесоматериалов в окорочных барабанах.
2. Разработанные технические решения позволяют повысить эффективность производства технологической щепы, за счет точной оперативной автоматизированной оценки качества выполнения операций и управления процессом, повышения производительности линии, снижения энергоемкости процесса и потерь древесины.
Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: применением современных методов исследования, обоснованностью принятых допущений, обоснованностью методов расчета и моделирования, а также подтверждается экспериментальными исследованиями процесса групповой окорки лесоматериалов.
Методология и методы исследования. Теоретической основой исследования явились работы ведущих отечественных и зарубежных ученых по повышению эффективности работы лесопромышленных складов.
В работе использованы базовые методы научно-технического познания, математического анализа и моделирования, измерения и обработки экспериментальных данных.
Автор в своих исследованиях опирался на фундаментальные работы видных ученых в области теории оборудования лесопромышленных складов, их проектирования и использования - Васильева СБ., Григорьева И.В., Колесникова Г.Н., Куницкой О.А., Локштанова Б.М., Патякина В.И., Петровского В.С., Пигильдина Н.Ф., Редькина А.К., Рогова А.А., Шадрина А.А., Шегель-мана И.Р., Якимовича СБ., и др.
На защиту выносятся следующие положения:
Разработанная математическая модель автоматической оценки качества групповой механической окорки лесоматериалов в окорочных барабанах, позволяющая оценивать степень очистки балансов от коры.
Результаты экспериментальных исследований процесса автоматической оценки качества окорки балансов, выходящих из окорочного барабана.
Технические решения, позволяющие повысить эффективность производства технологической щепы, за счет точной оперативной автоматизированной оценки качества выполнения операций и управления процессом, повышения производительности линии, снижения энергоемкости процесса и потерь древесины.
Степень достоверности и апробация результатов обеспечивается применением современных вычислительных средств и лицензионного программного обеспечения при проведении теоретических исследований и обработке экспериментальных данных, удовлетворительной сходимостью результатов экспериментов с результатами моделирования.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: XII МНПК «Леса России в XXI веке» (СПб, 2014 г.); МНТК молодых ученых и специалистов «Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка» (СПб, 2013 г.); Республиканской НПК «Проблемно-ориентированные исследования: теория и практика» (Петрозаводск, 2014 г.); VIII и IX Всероссийских форумах студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» (СПб, 2014-2015 гг.); Межвузовской конференции студентов и аспирантов «Лесоинженерное дело» (СПб, 2014 г.); XVI Международной молодежной научной конференции «СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ-2015» (Ухта, 2015 г.); III МНТК «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» (Кострома, 2015); Республиканской научно-практической конференции «Интенсификация формирования и охраны интеллектуальной собственности» (Петрозаводск, 2015 г.); МНТК «Леса России: политика, промышленность, наука» (СПб, 2016 г.); II ВНПК с международным участием «Повышение эффективности лесного комплекса» (Петрозаводск, 2016); и ежегодных научно-технических конференциях СПбГЛТУ в 2013-2016 гг.
Работа выполнена в рамках научной школы «Инновационные разработки в области лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства», которая включена в реестр ведущих научных школ Санкт-Петербурга.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 24 работы, 5 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получены 5 патентов на полезную модель и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Результаты исследований отражены в отчетах по НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы, приложений. Общий объем работы 152 страницы. Диссертационная работа содержит 44 рисунка, 9 таблиц. Список литературы содержит 102 наименования.
Предотвращение потерь древесины при барабанной окорке
Плохо окоренные балансы с ленточного транспортера сбрасывают вручную на транспортер, возвращающий их в загрузочную воронку окорочного барабана для повторной обработки. Оценку качества окорки визуально делает оператор, который сбрасывает лесоматериал на возвратный транспортер.
Отметим, что на ряде посещенных отечественных целлюлозно-бумажных комбинатов операция сортировки балансов, выходящих из окорочного барабана, по качеству окорки отсутствует. В большинстве случаев это касается потоков, производящих щепу для картонов, упаковочной или газетной бумаги, у которых пониженные требования к качеству потребляемой технологической щепы по процентному содержанию коры.
Если на выходе из окорочного барабана образуется значительное количество плохо окоренных лесоматериалов, то, через определенный период, принимают решение увеличить период нахождения лесоматериалов в барабане. Это достигается за счет уменьшения живого сечения выхода путем перемещения шандора. Если качество окоренных лесоматериалов высокое, то увеличивают живое сечение выхода обратным ходом шандора, увеличивая производительность барабана и снижая потери древесины и затраты энергии.
Физико-механические свойства сырья, поступающего в древесно-подготовительный цех, постоянно меняются. Прежде всего, они зависят от размеров (длины и диаметра), породы, влажности и температуры древесины.
Часто технологи, для получения щепы только высшего качества, ставят окорочный барабан в режим, рассчитанный на самые худшие условия окорки (малая влажность, отрицательная температура окариваемых бревен), что существенно увеличивает время нахождения бревен в барабане и уменьшает его производительность и снижает энергоэффективность окорки [3].
Если условия окорки меняются в лучшую сторону (повышается влажность и температура окариваемой древесины), то требуемое время окорки существенно уменьшается. При отсутствии оперативного контроля, без уменьшения времени нахождения бревен в барабане начинается перекор, большой процент древесины начинает отделяться от бревен и удаляться вместе с отходами окорки из окорочного барабана через специальные прорези на выносной транспортер, находящийся под окорочным барабаном.
Содержание в технологической щепе коры, гнили и минеральных включений зависит от природно-производственных условий ее заготовки, а также от качества выполнения окорки и облагораживания, в случае переработки древесины с внутренней гнилью [9].
Геометрические размеры щепы (длина, ширина, толщина, угол среза, рисунок 1.4), а также процентное содержание кондиционной и некондиционной (крупной и мелкой) фракций щепы во многом зависит от настроек и оптимальности работы рубительной машины. Cогласно ГОСТ 23246-78 «Древесина измельченная. Термины и определения»: Длина щепы - размер древесной частицы в направлении волокон древесины. Ширина щепы - наибольший размер древесной частицы в направлении, перпендикулярном ее продольной кромке.
Толщина щепы – наименьший размер древесной частицы в направлении, перпендикулярном ее продольной кромке. Кондиционная фракция щепы – совокупность древесных частиц, размеры которых соответствуют требованиям, предъявляемым к щепе, в зависимости от ее дальнейшего назначения. Крупная фракция щепы - совокупность древесных частиц, оставшихся на сите с наибольшим (в соответствии с требованиями) проходным сечением отверстий сита сортирующих устройств. Мелкая фракция щепы - совокупность древесных частиц, прошедших через сито сортировочных устройств, на котором задерживается кондиционная фракция.
Сортировка щепы, обычно, производится при помощи плоскоситовых сортировок с поэтажной компоновкой наклонных сит, под которыми установлен поддон для сбора мелких частиц. Сита имеют разные размеры ячеек (рисунок 1.5) [3, 9]. Рисунок 1.5. - Схема сортировки щепы при помощи плоскоситовой сортировочной установки [3, 9]
После сортировки крупная фракция щепы может подаваться в дезинтегратор для доизмельчения, кондиционная фракция направляется в дальнейшее производство, мелкая – является отходом, и направляется на сжигание.
Требование однородности щепы по размерам связано, прежде всего, с необходимостью получения конечной готовой продукции с однородными физико-механическими свойствами.
Рубка балансов в щепу производится при помощи рубительных машин различной конструкции.
В процессе работы рубительной машины происходит затупление ножей, что приводит к уменьшению выхода кондиционной фракции щепы, и увеличению процента выхода мелкой фракции [35].
В настоящее время степень затупления ножей рубительных машин при производстве технологической щепы определяют путем измерения радиуса затупления режущей кромки ножей во время периодической остановки рубительных машин. Частота остановки назначается директивно, например, зимой – два раза в смену, летом – один раз в смену [36].
Такой подход к определению оптимальной продолжительности упряга ножей рубительных машин, не учитывает многие часто меняющиеся показатели предмета труда – породу древесины, ее качество и количество. При остановке рубительной машины используют следующие методы определения степени затупления ножей – визуальный осмотр; проверка остроты ощупью; создание слепков лезвий на свинцовых пластинах [35].
Каждая остановка машины приводит к большим потерям времени, часто к остановке всей поточной линии, затратам труда на осмотр ножей, особенно при их количестве 10-16 штук на одной рубительной машине, а при неполной загрузке рубительной машины директивные остановки машины и осмотры ножей не дают желаемого эффекта [37].
Известны устройства для определения степени затупления ножей рубитель-ных машин, включающие средство измерения выбранного для оценки состояния ножей параметра, например, измерения зазора между ножами и контрножом, но это также требует периодической директивной остановки рубительной машины.
Признаками затупления ножей являются: изменение звука при работе машины, увеличение токовой нагрузки на двигатель, ухудшение затягивания древесного сырья. (Постановление Госкомтруда СССР от 18.04.91 № 89) [9].
Суждение о степени затупления ножей рубительной машины по изменению потребляемой мощности мало эффективно. Это связано с очень большими массами и, соответственно, инерцией рабочих органов рубительных машин, работающих как маховики. В связи с этим, при прочих равных условиях, изменение потребляемой мощности рубительной машиной по мере затупления ножей мало заметно. А с учетом частого изменения физико-механических свойств подаваемых на измельчение балансов – мало объективно [9].
Бинаризация изображения окоренного баланса
Качество технологической щепы регламентировано [43], технологическими регламентами предприятий, перерабатывающих технологическую щепу, или условиями контрактов. Наиболее высокие требования предъявляются к щепе, предназначенной для производства целлюлозно-бумажной продукции (таблица 1.3). Для производства технологической щепы используется различное древесное сырье [44-46]. Нарубленную на рубительной машине щепу из окоренного древесного сырья сортируют, обычно, на три фракции: крупную, которую далее могут направлять на доизмельчение в дезинтегратор; мелкую фракцию (отсев), которую направляют в отходы; кондиционную щепу. Кондиционная щепа должна удовлетворять требованиям ГОСТа, регламента, контракта и т.д., и соответствовать маркам Ц-1, Ц-2, Ц-3, и т.д. Определение качественных показателей щепы после сортировки выполняют по методике, описанной в [43]. Метод заключается в том, что через равные промежутки времени отбирают пробы щепы после сортирования (кондиционную фракцию). Пробу щепы методом квартования доводят до навески, примерно 2,5 кг. Навеску сортируют на лабораторном анализаторе щепы (АЛГ-1М), имеющем сита с размерами круглых отверстий диаметром 30, 20, 10, 5 мм и поддон.
Щепу на ситах после сортирования в течении 1 минуты взвешивают по фракциям и определяют процентное соотношение каждой фракции в навеске. Для объективной оценки качества щепы, таких определений (проб) должно быть не менее шести в течение смены [47].
В ГОСТе 15815-83 приведена таблица качественных показателей технологической щепы для различных марок – Ц-1, Ц-2, Ц-3, фрагмент которой представлен в таблицах 1.3 и 1.4.
Более сложная задача связана с определением количества отходов древесины при рубке, дезинтегрировании и сортировании щепы, методика которой описана в Инструкции по нормированию расходов древесины в производстве целлюлозы и древесной массы [48].
По этой методике пробы щепы должны быть взяты как до сортирования, так и после сортирования. Количество проб должно быть не менее 120 на каждой стадии. Путем сравнения фракционного состава щепы до и после сортирования определяют количество отходов древесины (отсева) при сортировании. Такая работа может быть проведена в течении нескольких смен (суток), т.к. в течение одной смены одному лаборанту возможно отобрать и проанализировать не более 30 навесок щепы [49].
Показатели качества щепы, взятой до ее сортирования, дают объективную информацию о работе рубительной машины. Это связано с тем, что по мере затупления ножей рубительной машины в процессе ее работы, увеличивается количество мелкой фракции (отсева) и, соответственно, увеличиваются отходы на стадии сортирования щепы.
Получая информацию о качестве несортированной щепы можно влиять на процесс рубки древесины путем регулирования периода работы рубительной машины до появления щепы с большим количеством мелкой фракции. Основываясь на этом можно производить своевременную остановку рубительной машины для замены (заточки) ножей.
Кроме этого, значительное увеличение количества мелкой фракции щепы может нарушить и процесс ее сортирования, т.к., не успев отсортироваться, в кондиционную щепу будет попадать повышенное количество мелкой фракции, что превратит ее в бракованную. Таким образом, установив допускаемые показатели качества несортированной щепы, с учетом породы древесины, ее качественных показателей, времени года, и т.д. появляется возможность регулировки процесса производства щепы.
Кроме того, постоянный анализ качества кондиционной щепы после сортировки, дает возможность получать информацию о работе сортировочной установки, состоянии ее сит, т.к. сита забитые щепой не обеспечивают нужных качественных показателей кондиционной фракции щепы. При снижении качества щепы сортировочную установку возможно вовремя остановить для прочистки сит.
Следовательно, требуется иметь непрерывный поток информации как о нарубленной, так и об отсортированной щепе. Информацию о качестве щепы возможно получить путем сканирования движущейся однорядной щети щепы, расположенной на темной ровной поверхности, например, прорезиненной ленте транспортера. При этом возможно получение информации о суммарной площади (м2) крупной, кондиционной и мелкой фракций щепы, проходящей через сканирующей узел в единицу времени.
Если организовать сканирование щепы до и после сортирования, то можно получать информацию о состоянии ножей рубительной машины и состоянии сит сортировочной установки, количестве нарубленной древесины и количестве отходов. Равномерную однорядную щеть щепы можно создавать устройствами, например, включающими шнек и заслонку.
Предлагаемая линия производства технологической щепы [50] с системой учета ее качества и количества включает узел рубки древесины I (рисунок 1.13), состоящий из загрузочного транспортера 2, по которому балансы 1 поступают в рубительную машину 3 с приводом 4. Нарубленная щепа поступает на транспортер 5, который направляет щепу в узел II сканирования несортированной щепы, состоящий из устройства для создания равномерной однорядной щети щепы 6, ленточного транспортера с темной лентой 7 и сканера 13.
Нарубленную щепу по транспортеру 7 направляют на сортировку в узел сортирования щепы III. Узел сортирования включает сортировочную установку 8 с приводом 12, транспортер 9, по которому крупную фракцию щепы направляют на доизмельчение в узел рубки I, транспортер 11 для удаления отсева. Кроме этого, узел III включает транспортер 10, по которому полученную кондиционную фракцию щепы направляют на узел сканирования IV, который включает устройство 6 для создания равномерной однородной щети кондиционной фракции щепы, транспортер с темной плоскостью 7, и сканер 14, подобный устройству в узле II, для сканирования кондиционной фракции щепы.
Информация о качестве и количестве щепы от сканеров в узлах II и IV (рисунок 1.14) поступает в блок информации 15 и далее в блок управления 16. От блока 16 поступают соответствующие сигналы на привод подающего транспортера 2, привод 4 рубительной машины 3, и привод 12 сортировочной установки 8, для их автоматической остановки при получении информации о плохом состоянии ножей рубительной машины или сит сортировочной установки.
Методика обработки результатов экспериментов
Приведенный в главе 1 анализ существующих технологических процессов и оборудования древесно-подготовительных цехов (ДПЦ) нескольких предприятий отрасли показал, что имеются пути существенного повышения эффективности их работы, как в плане уменьшения энергоемкости производства, так и в плане снижения потерь древесины при производстве технологической щепы. Прежде всего, это касается наиболее энергоемкого процесса окорки балансовой древесины. Сложность оптимизации показателей работы окорочных барабанов заключается в изменчивости физико-механических свойств массива коры поступающих в окорку балансов, это связано с изменением породы, влажности и температуры бревен [47].
Стандартная линия изготовления технологической щепы, включает последовательно установленные и технологически связанные узел подачи неокоренных бревен, окорочный барабан, имеющий загрузочное и выгрузочное отверстие, оборудованное приводным шандором, узел выгрузки окоренных бревен, рубительную машину и сортировочную установку для щепы. Эта линия имеет недостаток, связанный с тем, что возврат плохо окоренных бревен на доработку осуществляется сбрасыванием вручную оператором после его визуальной предварительной оценки качества окорки в соответствии с требованиями ГОСТа, при этом регулирование времени пребывания бревен в окорочном барабане осуществляют ориентировочно изменением живого сечения выгрузочного отверстия путем перемещения шандора вверх или вниз.
Между началом поступления брака и принятием решения проходит определенное время, в течение которого значительный объем лесоматериалов подается на повторную окорку, что снижает производительность линии, приводит к повышенному расходу энергии и потерям древесины. Наиболее важной составляющей цикла работы оператора, осуществляющего контроль качества окорки, является суммарное время на восприятие, переработку информации и выработку решения. В связи с достаточно большим количеством бревен, проходящих мимо оператора сортировочной площадки ДПЦ в единицу времени качество принятия им решений (оптимальность сортировки) оставляет желать много лучшего, что, как уже отмечалось, приводит к значительным потерям древесины и энергии.
Учеными Лесоинженерного факультета СПбГЛТУ разработано несколько технических решений по автоматизации процесса управления качеством окорки балансов в окорочном барабане, описанные в главе 1. Предложено снабжать линии по производству технологической щепы узлом сканирования, с блоками информации и программирования, установленным на выходе из окорочного барабана, и связывать его с приводами шандора и сбрасывателя плохо окоренных бревен. Данное решение базируется на возможности автоматической оценки площади бревен занятой не отслоившейся корой. В этой связи и возникает задача разработки и апробации алгоритма распознавания пятен коры на балансах.
Теоретические исследования алгоритма делятся по смыслу на два подраздела: 1) выделение на снимке, полученном при помощи, например, USB камеры, непосредственно объекта (баланса); 2) бинаризация изображения. Важнейший момент – бинаризация долж на максимально полно выделить неокоренные участки баланса. Необходимо отметить, что по проблематике распознавания оцифрованных образов проведен колоссальный объем исследований в смежных областях знания. Задача данного раздела диссертации сводится, по сути, к адаптации, корректировке и компиляции существующих подходов и алгоритмов, к задаче лесозаготовительной отрасли – оценке качества окорки балансовой древесины. 2.1. Разделение баланса и фона на снимке
На первом этапе исследований составим алгоритм работы программы, которая необходима, чтобы разделить изображение на фон и исследуемый объект (окоренный баланс).
Воспользуемся подходом, который был развит в работе [74] применительно к поиску линии горизонта на фотоснимке, где линия, разделяющая изображение на подмножества ищется среди пространства геометрических разрезов с использованием критерия Оцу.
Формально, в исследуемом случае, задача сводится к поиску двух криволинейных разрезов, которые соединяют левый и правый края изображения.
Условимся, что при этом в каждом столбце изображения точка одного и того же разреза единственна, а переход по линии разреза, осуществляемый от текущего столбца пикселей к соседнему, не может быть сделан со «скачком», большим пикселей по вертикали. Обозначим оцифрованное изображение, получаемое с USB-камеры, как J(x,y) (координата х считается горизонтальной, у - вертикальной по изображению). Ширину изображения (в пикселах) обозначим W, высоту - Я. Изображение разделим на две части (ширина каждой части останется W пикселей, высоты - Нх и Н2). Введем функции CI(JC) и С2(х), разделяющие объект (баланс) и фон соответственно сверху и снизу. Таким образом, изображение разделится на подмножества пикселей: Ux (подмножество пикселей, находящихся «выше» разреза Q(x)), D (подмножество пикселей, принадлежащих объекту, состоит из подмножеств D\ и D2) и U2 (подмножество пикселей, находящихся ниже разреза С2(х)).
Сопоставление результатов экспериментальной оценки площади неокоренной поверхности опытных образцов с расчетными данными по изображениям
Рабочий орган прибора представляет собой площадку, прикрепленную в центре к штанге перпендикулярно. Внизу, в гнездах установлены подпру-жененные иглы. Усилие пружин подбирается в зависимости от требуемых характеристик массива коры. Под пятками игл установлены нормально разомкнутые контакты, соединенные в единую электрическую цепь.
Рабочий орган прибора соединен с проводом, проходящим в полой штанге с измерителем (индикатором).
При вдавливании площадки с иглами в массив коры часть игл встретит на своем пути меньшее сопротивления и не заглубится, не нажав при этом на контакт. Иглы, которые встретят на своем пути большое сопротивление, под усилием, прикладываемым к рукояти, преодолеют усилие пружин, вдавятся в гнездо и замкнут свои контакты. При использования цифрового индикатора он должен показывать цифры в процентах - от 0 до 100. Прибор может быть реализован в нескольких вариантах. Схемы, представленные на рисунках 4.11 и 4.12 предполагают измерение аналогового сигнала обычным стрелочным прибором: вольтметром или амперметром.
В этих схемах сопротивление R выполняет функции токового ограничителя и рассчитывается, в первую очередь, именно из этих соображений. Однако от его величины значительно зависит нелинейность получаемой зависимости показаний прибора от количества замкнутых контактов.
В первом случае напряжение, измеряемое вольтметром (при условии пренебрежения влиянием внутреннего сопротивления прибора) равно: U = -nr, (4.1) R + nr здесь п - количество незамкнутых контактов. Очевидно при этом, что обеспечить простоту градуировки шкалы прибора и максимизировать линейность зависимости его показаний от количества разомкнутых контактов можно при условии R Nr, где N - общее число контактов. Однако выполнение этого условия подразумевает, в свою очередь, высокую чувствительность прибора.
Представляется достаточно эффективной, и при этом экономически целесообразной, цифровая реализация прибора, функциональная схема которой приведена на рисунке 4.13. Действие данной схемы основывается на универсальном регистре, способном функционировать в ряде режимов, включая режим параллельной записи и последовательного считывания. Запись в регистр инициируется кнопкой SA Сигнал записи, проходя через формирователь сигнала, используемый для ликвидации явления «дребезга контактов», стробирует запись показаний контактов в регистр и устанавливает через элемент задержки триггер T в состояние «запись произведена».
В результате значительно снизится общий эффект действия помех и повысится помехозащищенность системы. Сигнал с триггера переводит регистр в режим последовательного считывания и открывает выход генератора G при помощи логического элемента И. Сигнал генератора стробирует считывание разрядов из регистра. Разряды считанного значения последовательно выдвигаются из регистра RG, и выдвинутые «единицы» подсчитываются счетчиком CT2. Выход регистра подается на вход счетчика через логический элемент И, открываемый стробирующими импульсами генератора. Это устраняет возможность «склеивания» последовательностей разрядов, считываемых из регистра. Показания счетчика CT2 подаются на табло HL, в простейшем случае сформированное из семисегментных светодиодных индикаторов, через дешифратор DC, позволяющий транслировать показания счетчика в формат сигналов индикаторов. Счетчик CT2 наиболее эффективно строится на основе каскадированных двоично-десятичных счетчиков. Счетчик CT1 позволяет ограничить число импульсов генератора разрядностью регистра. Сигнал переполнения данного счетчика сбрасывает состояние триггера, перекрывая тем самым выход генератора. Регистр переходит в режим параллельной записи, которая и будет осуществлена по следующему сигналу SA. В зависимости от особенностей реализации и измеряемой величины схема может быть также дополнена инвертирующими элементами, что будет давать в результате подсчет нулей, а не единиц.
Таким образом, предлагаемое техническое решение для определения однородности физико-механических свойств массива коры позволяет повысить эффективность подготовки балансов к окорке в барабанах.