基于圖像分析的門(mén)式斗輪機(jī)上煤流量自動(dòng)控制系統(tǒng)方案2010520

1、基于圖像分析的門(mén)式斗輪機(jī)上煤流量自動(dòng)控制系統(tǒng)方案一、 項(xiàng)目背景及意義目前，公司現(xiàn)有門(mén)式斗輪機(jī)4臺(tái)，共承擔(dān)一期、二期機(jī)組的上煤任務(wù)，該4臺(tái)門(mén)式斗輪機(jī)的取煤方式都采用司機(jī)手動(dòng)操作斗輪小車(chē)以固定的平移速度進(jìn)行取煤，此取煤方式存在以下問(wèn)題：(1) 由于在煤場(chǎng)形成的煤堆都呈錐形，如圖1，兩側(cè)取的煤量比中間取的煤量要小，斗輪小車(chē)走完一個(gè)行程（假設(shè)在一個(gè)行程中大車(chē)步進(jìn)長(zhǎng)度不調(diào)整），上煤流量將會(huì)時(shí)大時(shí)小，造成流量不均，如果中間取到的煤量不超過(guò)額定流量，則兩側(cè)的煤量就大大小于額定流量，整個(gè)行程中取煤效率不高；反之就容易引起超載；(2)司機(jī)無(wú)法準(zhǔn)確判斷活動(dòng)軌道梁傳輸皮帶上的煤流量，一般都通過(guò)煤倉(cāng)前端的電子皮帶秤測(cè)

2、出流量后給司機(jī)進(jìn)行提醒，此時(shí)已延時(shí)幾分鐘時(shí)間，司機(jī)無(wú)法預(yù)知當(dāng)前取煤流量；當(dāng)發(fā)現(xiàn)明顯超載時(shí)，只能操控斗輪小車(chē)的啟停來(lái)調(diào)整取煤流量。司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度較大，容易引起視覺(jué)疲勞而增加安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，如超載未及時(shí)采取措施可能導(dǎo)致主傳輸皮帶溢煤、堵煤等現(xiàn)象，嚴(yán)重的將導(dǎo)致皮帶撕裂或電機(jī)燒毀，直接影響電廠(chǎng)生產(chǎn)安全；(3)斗輪小車(chē)的頻繁啟停也會(huì)影響其相關(guān)部件的使用壽命。圖1 煤場(chǎng)煤堆示意圖本系統(tǒng)用視頻流量檢測(cè)的方法來(lái)取代人的視覺(jué)和思維，自動(dòng)測(cè)量活動(dòng)軌道梁傳輸皮帶上煤流量的大小，閉環(huán)模糊控制斗輪小車(chē)的平移速度，進(jìn)而自動(dòng)控制取煤量，與額定流量比較，如測(cè)得流量偏大，控制斗輪平移速度慢一點(diǎn)，反之控制平移速度快一點(diǎn)，使上煤系統(tǒng)

3、始終保持一個(gè)比較均勻的傳輸流量，對(duì)于提高上煤效率，縮短超載時(shí)間，確保上煤系統(tǒng)安全穩(wěn)定高效具有十分重要的意義。二、 自動(dòng)控制系統(tǒng)原理1.原門(mén)式斗輪機(jī)上煤系統(tǒng)門(mén)式斗輪機(jī)取煤一般分四層，在某一煤層取煤時(shí)，斗輪小車(chē)走完一個(gè)行程取的煤形狀俯視圖如圖2，每個(gè)行程能取到的煤是兩個(gè)平行線(xiàn)所包含的部分（下圖陰影部分），取煤流量即單位時(shí)間內(nèi)的上煤重量為f=* h * v * L (t/h)，其中為煤密度；h為一個(gè)行程中某一位置處取煤層高；v為斗輪小車(chē)的平移速度（可由變頻器輸出頻率控制）；L為每次大車(chē)步進(jìn)長(zhǎng)度。從下圖可以看出，一個(gè)行程中L保持不變，由于煤堆成錐形，某一層取煤形狀近似梯形，h隨著斗輪小車(chē)取煤時(shí)位置的變

4、化而發(fā)生變化，在兩側(cè)時(shí)，h較小，中部較大，因此取煤流量在兩側(cè)較小，中部較大，造成取煤流量不均，但如果控制每次大車(chē)的步進(jìn)長(zhǎng)度L保持不變，則相鄰行程之間斗輪小車(chē)的每個(gè)相同取煤位置處的煤流量具有一定的相似性，同時(shí)斗輪電流反映斗輪的取煤負(fù)載，取煤流量若超載，其與斗輪電流之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。  圖2 門(mén)式斗輪機(jī)取料示意圖2.基于圖像分析的上煤流量自動(dòng)控制系統(tǒng)在門(mén)式斗輪機(jī)尾車(chē)靠近活動(dòng)軌道梁的地方安裝一臺(tái)視頻流量檢測(cè)裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)裝置），如圖3，該裝置采用圖像分析的方法實(shí)時(shí)檢測(cè)上煤流量?？刂品椒ǎ河洃涱A(yù)測(cè)控制算法。原理：（1）煤堆呈錐形，斗輪在同一層取煤形狀近似梯形，不同行程內(nèi)如果大車(chē)前進(jìn)步長(zhǎng)

5、L相同，則取煤的區(qū)域形狀類(lèi)似；（2）由于斗輪小車(chē)的取煤點(diǎn)與裝置離開(kāi)一段距離，并且在不斷變化，因此檢測(cè)到的煤流量相對(duì)于取煤點(diǎn)之間存在一變化的延時(shí)時(shí)間t，由于活動(dòng)軌道梁上的傳輸皮帶速度恒定，設(shè)為V，若取煤點(diǎn)位置（可通過(guò)編碼器獲得）與裝置間的距離設(shè)為P，則延時(shí)時(shí)間為t=P/V，即某一固定取煤點(diǎn)的檢測(cè)流量延時(shí)時(shí)間是固定的。如何實(shí)現(xiàn)：（1）斗輪小車(chē)以勻速v0完成第一取煤行程，記錄斗輪小車(chē)在該行程內(nèi)每個(gè)取煤點(diǎn)位置與裝置之間的距離P、當(dāng)前時(shí)刻t1，并記錄流量檢測(cè)裝置檢測(cè)到的每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的流量f(t)，從而得到并記錄第一行程內(nèi)每個(gè)取煤點(diǎn)位置的煤流量f(P)=f(t1+P/V)(梯形取煤區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)之前所述的兩側(cè)流

6、量小，中間流量大的現(xiàn)象)；（2）在第二取煤行程中，根據(jù)斗輪小車(chē)所處的取煤點(diǎn)位置，將前一行程中記錄的在該位置處的煤流量f (P)作為當(dāng)前的預(yù)測(cè)煤流量反饋到控制器輸入端實(shí)現(xiàn)閉環(huán)模糊控制，如圖4，模糊控制器利用預(yù)測(cè)煤流量，結(jié)合一定的模糊規(guī)則去控制斗輪機(jī)平移速度v，確保該取煤位置處上煤流量穩(wěn)定在額定流量附近，并通過(guò)斗輪電流預(yù)測(cè)超載，提高上煤系統(tǒng)的效率和安全性。同時(shí)檢測(cè)并記錄該行程內(nèi)斗輪小車(chē)在不同取煤點(diǎn)位置的煤流量和平移速度以供下一取煤行程進(jìn)行記憶預(yù)測(cè)。斗輪電流的作用：實(shí)時(shí)判斷斗輪小車(chē)在取煤過(guò)程中是否有煤堆塌方現(xiàn)象的發(fā)生。雖然斗輪電流在取煤過(guò)程中時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)生變化，但是其變化會(huì)因?yàn)槊毫髁康拇笮≡谝欢ǚ?/p>

7、圍內(nèi)變化。如果突然發(fā)生煤堆塌方，斗輪電流會(huì)突然猛增，所以可以將斗輪電流作為判斷是否塌方或超載的依據(jù)，結(jié)合模糊控制算法控制斗輪小車(chē)的平移速度，確保斗輪電機(jī)安全。（3）在之后的取煤行程中，依據(jù)斗輪小車(chē)的取煤點(diǎn)位置，根據(jù)該取煤點(diǎn)位置上一行程的煤流量與斗輪小車(chē)平移速度，使用記憶預(yù)測(cè)控制算法，實(shí)現(xiàn)斗輪小車(chē)的變速取煤。即在煤量小的位置控制斗輪小車(chē)平移速度快一點(diǎn)，在煤量大的位置控制斗輪小車(chē)平移速度慢一點(diǎn)，從而確保上煤效率與設(shè)備的安全運(yùn)行。圖3 門(mén)式斗輪機(jī)煤場(chǎng)自動(dòng)取煤圖圖4 閉環(huán)控制方式示意圖三、 基于PLC的自動(dòng)控制實(shí)施方案1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)目前二期斗輪機(jī)采用的PLC電氣控制系統(tǒng)如下：（1）PLC采用羅克韋爾公司

8、的AB PLC，CPU為SLC 5/04；（2）有若干數(shù)字量輸入、輸出模塊，接入編碼器、設(shè)備狀態(tài)及設(shè)備控制等信號(hào)；有一個(gè)模擬量輸入模塊，已接入斗輪電流等模擬量信號(hào)；（3）司機(jī)室配有PanelView觸摸屏，與PLC CPU間采用DH+通訊協(xié)議，目前觸摸屏上已有顯示斗輪電流、斗輪小車(chē)位置等信號(hào)；（4）斗輪小車(chē)采用恒速平移方式，無(wú)變頻器，PLC中無(wú)模擬量輸出模塊（用于輸出頻率信號(hào)）。需添置的設(shè)備如下：（1）安川斗輪小車(chē)變頻器；（2）AB PLC模擬量電流輸出模塊；（3）TXL-102型上煤流量自動(dòng)控制系統(tǒng)涉及設(shè)備（詳見(jiàn)4設(shè)備部分）。本改進(jìn)系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)如圖5所示，由視頻流量分析系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成

9、，視頻流量分析系統(tǒng)由TXL-102型視頻流量檢測(cè)裝置、帶圖像采集卡的平板PC、數(shù)據(jù)交換器以及安裝在平板PC中的圖像分析軟件組成，其中數(shù)據(jù)交換器為采用羅克韋爾公司的1784-PKTX 通訊卡，安裝在西門(mén)子平板PC中，與SLC 5/04 PLC通訊，通訊協(xié)議為DH+。由其檢測(cè)的上煤瞬時(shí)流量通過(guò)數(shù)據(jù)交換器送入自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)由PLC控制器、自動(dòng)控制軟件、斗輪小車(chē)變頻器以及小車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，其中的PLC控制器獲取該流量信號(hào)后根據(jù)記憶預(yù)測(cè)和閉環(huán)模糊控制算法輸出一定的頻率信號(hào)控制斗輪小車(chē)變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，斗輪小車(chē)將以與頻率信號(hào)對(duì)應(yīng)的平移速度進(jìn)行取煤，保持上煤流量均勻。取煤過(guò)程中可切換到手

10、動(dòng)取煤工作狀態(tài)（與原先取煤方式相同），互相切換時(shí)不影響設(shè)備正常運(yùn)行，該功能可通過(guò)司機(jī)室操作面板上某按鈕實(shí)現(xiàn)（系統(tǒng)電氣原理圖請(qǐng)查看附錄一）。圖5基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2、平圩電廠(chǎng)門(mén)式斗輪機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)施前必要的硬件改造（1）安裝安川斗輪小車(chē)變頻器(型號(hào)：V1000)，有電流信號(hào)控制功能，用于控制門(mén)式斗輪小車(chē)的平移速度，可以實(shí)現(xiàn)斗輪小車(chē)的變速平移； 安川 V1000 變頻器容量范圍： 200v(三相電源用) 0.118.5kw200v(單相電源用) 0.15.5kw400v(三相電源用) 0.218.5kw（2）檢查斗輪小車(chē)的位置編碼器，要確保該編碼器完好，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。（3）添置AB PL

11、C模擬量電流輸出模塊(型號(hào)：1746-NO4I)，在模擬量輸出模塊與斗輪小車(chē)變頻器之間鋪設(shè)一根4芯電纜，通過(guò)模塊和電纜輸出420mA信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的變頻調(diào)速；Rockwell AB模擬量輸出模塊：1746-NO4I輸出通道數(shù)：4輸出信號(hào)：電流輸出范圍：420mA3、需甲方協(xié)助的工作（1）吊裝（包括焊接）TXL-102型視頻流量檢測(cè)裝置；（2）預(yù)先在平板PC到尾車(chē)裝置安裝位置之間鋪設(shè)75歐姆同軸視頻電纜、220V電源線(xiàn)和一路四芯電纜，PLC提供一個(gè)空余的數(shù)字量輸出口（中間驅(qū)動(dòng)繼電器），并鋪設(shè)該輸出口到尾車(chē)裝置安裝位置間的一路四芯電纜；（3）提供PLC與觸摸屏顯示界面程序；（4）司機(jī)室預(yù)留一

12、220VAC電源空開(kāi)；（5）在司機(jī)室操作臺(tái)上提供自動(dòng)/手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)。4、斗輪機(jī)上煤流量自動(dòng)控制系統(tǒng)提供設(shè)備及軟件（1）TXL-102型視頻流量檢測(cè)裝置規(guī)格尺寸                約1米(H)x2米(w)x3米(L)       流量檢測(cè)重復(fù)性誤差      < 0.5%     

13、流量檢測(cè)準(zhǔn)確性誤差      < 5%     輸入電壓                220V AC  （2）TXL-102型圖像采集卡（3）西門(mén)子平板PC（含觸摸屏）；（4）Rockwell公司的1784-PKTX 通訊卡（DH+通訊協(xié)議）（5）圖像分析軟件（6）自動(dòng)控制軟件（7）觸摸屏軟件四、 方案特點(diǎn)本系統(tǒng)采用的技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，產(chǎn)品具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)(見(jiàn)水平查新檢索和科技查新報(bào)告)，是一種非接觸式設(shè)備，安裝方便，系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單。該系統(tǒng)方案特點(diǎn)是：（1）能提高上煤效率，降低能耗；（2）有效防止超載，提高系統(tǒng)的安全性；（3）減輕司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，規(guī)避人為的事故；（4）減少斗輪小車(chē)的啟停次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間，延長(zhǎng)斗輪機(jī)等設(shè)備的使用壽命；（5）由于該方案采用的煤流量檢測(cè)方法是非接觸式的，未來(lái)設(shè)備維護(hù)量較??；（6）獨(dú)立性較強(qiáng)，安裝方便，易與原斗輪機(jī)的控制系統(tǒng)整合。五、 業(yè)績(jī)1.上海外高橋發(fā)電有限責(zé)任公司懸臂式斗輪機(jī)A和B (2006