基于圖像分析的門式斗輪機上煤流量自動控制系統(tǒng)方案2010520

1、基于圖像分析的門式斗輪機上煤流量自動控制系統(tǒng)方案一、 項目背景及意義目前，公司現(xiàn)有門式斗輪機4臺，共承擔一期、二期機組的上煤任務(wù)，該4臺門式斗輪機的取煤方式都采用司機手動操作斗輪小車以固定的平移速度進行取煤，此取煤方式存在以下問題：(1) 由于在煤場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，斗輪小車走完一個行程（假設(shè)在一個行程中大車步進長度不調(diào)整），上煤流量將會時大時小，造成流量不均，如果中間取到的煤量不超過額定流量，則兩側(cè)的煤量就大大小于額定流量，整個行程中取煤效率不高；反之就容易引起超載；(2)司機無法準確判斷活動軌道梁傳輸皮帶上的煤流量，一般都通過煤倉前端的電子皮帶秤測

2、出流量后給司機進行提醒，此時已延時幾分鐘時間，司機無法預(yù)知當前取煤流量；當發(fā)現(xiàn)明顯超載時，只能操控斗輪小車的啟停來調(diào)整取煤流量。司機的勞動強度較大，容易引起視覺疲勞而增加安全運行風(fēng)險，如超載未及時采取措施可能導(dǎo)致主傳輸皮帶溢煤、堵煤等現(xiàn)象，嚴重的將導(dǎo)致皮帶撕裂或電機燒毀，直接影響電廠生產(chǎn)安全；(3)斗輪小車的頻繁啟停也會影響其相關(guān)部件的使用壽命。圖1 煤場煤堆示意圖本系統(tǒng)用視頻流量檢測的方法來取代人的視覺和思維，自動測量活動軌道梁傳輸皮帶上煤流量的大小，閉環(huán)模糊控制斗輪小車的平移速度，進而自動控制取煤量，與額定流量比較，如測得流量偏大，控制斗輪平移速度慢一點，反之控制平移速度快一點，使上煤系統(tǒng)

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

4、化而發(fā)生變化，在兩側(cè)時，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的步進長度L保持不變，則相鄰行程之間斗輪小車的每個相同取煤位置處的煤流量具有一定的相似性，同時斗輪電流反映斗輪的取煤負載，取煤流量若超載，其與斗輪電流之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系。  圖2 門式斗輪機取料示意圖2.基于圖像分析的上煤流量自動控制系統(tǒng)在門式斗輪機尾車靠近活動軌道梁的地方安裝一臺視頻流量檢測裝置（以下簡稱裝置），如圖3，該裝置采用圖像分析的方法實時檢測上煤流量?？刂品椒ǎ河洃涱A(yù)測控制算法。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)如果大車前進步長

5、L相同，則取煤的區(qū)域形狀類似；（2）由于斗輪小車的取煤點與裝置離開一段距離，并且在不斷變化，因此檢測到的煤流量相對于取煤點之間存在一變化的延時時間t，由于活動軌道梁上的傳輸皮帶速度恒定，設(shè)為V，若取煤點位置（可通過編碼器獲得）與裝置間的距離設(shè)為P，則延時時間為t=P/V，即某一固定取煤點的檢測流量延時時間是固定的。如何實現(xiàn)：（1）斗輪小車以勻速v0完成第一取煤行程，記錄斗輪小車在該行程內(nèi)每個取煤點位置與裝置之間的距離P、當前時刻t1，并記錄流量檢測裝置檢測到的每個時刻點的流量f(t)，從而得到并記錄第一行程內(nèi)每個取煤點位置的煤流量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)斗輪小車所處的取煤點位置，將前一行程中記錄的在該位置處的煤流量f (P)作為當前的預(yù)測煤流量反饋到控制器輸入端實現(xiàn)閉環(huán)模糊控制，如圖4，模糊控制器利用預(yù)測煤流量，結(jié)合一定的模糊規(guī)則去控制斗輪機平移速度v，確保該取煤位置處上煤流量穩(wěn)定在額定流量附近，并通過斗輪電流預(yù)測超載，提高上煤系統(tǒng)的效率和安全性。同時檢測并記錄該行程內(nèi)斗輪小車在不同取煤點位置的煤流量和平移速度以供下一取煤行程進行記憶預(yù)測。斗輪電流的作用：實時判斷斗輪小車在取煤過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程中時時刻刻都在發(fā)生變化，但是其變化會因為煤流量的大小在一定范

7、圍內(nèi)變化。如果突然發(fā)生煤堆塌方，斗輪電流會突然猛增，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的平移速度，確保斗輪電機安全。（3）在之后的取煤行程中，依據(jù)斗輪小車的取煤點位置，根據(jù)該取煤點位置上一行程的煤流量與斗輪小車平移速度，使用記憶預(yù)測控制算法，實現(xiàn)斗輪小車的變速取煤。即在煤量小的位置控制斗輪小車平移速度快一點，在煤量大的位置控制斗輪小車平移速度慢一點，從而確保上煤效率與設(shè)備的安全運行。圖3 門式斗輪機煤場自動取煤圖圖4 閉環(huán)控制方式示意圖三、 基于PLC的自動控制實施方案1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)目前二期斗輪機采用的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；有一個模擬量輸入模塊，已接入斗輪電流等模擬量信號；（3）司機室配有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、斗輪小車位置等信號；（4）斗輪小車采用恒速平移方式，無變頻器，PLC中無模擬量輸出模塊（用于輸出頻率信號）。需添置的設(shè)備如下：（1）安川斗輪小車變頻器；（2）AB PLC模擬量電流輸出模塊；（3）TXL-102型上煤流量自動控制系統(tǒng)涉及設(shè)備（詳見4設(shè)備部分）。本改進系統(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，安裝在西門子平板PC中，與SLC 5/04 PLC通訊，通訊協(xié)議為DH+。由其檢測的上煤瞬時流量通過數(shù)據(jù)交換器送入自動控制系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)由PLC控制器、自動控制軟件、斗輪小車變頻器以及小車驅(qū)動電機組成，其中的PLC控制器獲取該流量信號后根據(jù)記憶預(yù)測和閉環(huán)模糊控制算法輸出一定的頻率信號控制斗輪小車變頻器驅(qū)動電機，斗輪小車將以與頻率信號對應(yīng)的平移速度進行取煤，保持上煤流量均勻。取煤過程中可切換到手

10、動取煤工作狀態(tài)（與原先取煤方式相同），互相切換時不影響設(shè)備正常運行，該功能可通過司機室操作面板上某按鈕實現(xiàn)（系統(tǒng)電氣原理圖請查看附錄一）。圖5基于PLC的自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2、平圩電廠門式斗輪機自動控制系統(tǒng)實施前必要的硬件改造（1）安裝安川斗輪小車變頻器(型號：V1000)，有電流信號控制功能，用于控制門式斗輪小車的平移速度，可以實現(xiàn)斗輪小車的變速平移； 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）檢查斗輪小車的位置編碼器，要確保該編碼器完好，數(shù)據(jù)準確。（3）添置AB PL

11、C模擬量電流輸出模塊(型號：1746-NO4I)，在模擬量輸出模塊與斗輪小車變頻器之間鋪設(shè)一根4芯電纜，通過模塊和電纜輸出420mA信號可以實現(xiàn)對變頻器的變頻調(diào)速；Rockwell AB模擬量輸出模塊：1746-NO4I輸出通道數(shù)：4輸出信號：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型視頻流量檢測裝置；（2）預(yù)先在平板PC到尾車裝置安裝位置之間鋪設(shè)75歐姆同軸視頻電纜、220V電源線和一路四芯電纜，PLC提供一個空余的數(shù)字量輸出口（中間驅(qū)動繼電器），并鋪設(shè)該輸出口到尾車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）司機室預(yù)留一

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

13、流量檢測準確性誤差      < 5%     輸入電壓                220V AC  （2）TXL-102型圖像采集卡（3）西門子平板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）自動控制軟件（7）觸摸屏軟件四、 方案特點本系統(tǒng)采用的技術(shù)達到國際先進水平，產(chǎn)品具有自主知識產(chǎn)權(quán)(見水平查新檢索和科技查新報告)，是一種非接觸式設(shè)備，安裝方便，系統(tǒng)維護簡單。該系統(tǒng)方案特點是：（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）減輕司機的勞動強度，規(guī)避人為的事故；（4）減少斗輪小車的啟停次數(shù)和運行時間，延長斗輪機等設(shè)備的使用壽命；（5）由于該方案采用的煤流量檢測方法是非接觸式的，未來設(shè)備維護量較??；（6）獨立性較強，安裝方便，易與原斗輪機的控制系統(tǒng)整合。五、 業(yè)績1.上海外高橋發(fā)電有限責(zé)任公司懸臂式斗輪機A和B (2006