基于图像分析的门式斗轮机上煤流量自动控制系统方案2010520

1、基于图像分析的门式斗轮机上煤流量自动控制系统方案一、 项目背景及意义目前，公司现有门式斗轮机4台，共承担一期、二期机组的上煤任务，该4台门式斗轮机的取煤方式都采用司机手动操作斗轮小车以固定的平移速度进行取煤，此取煤方式存在以下问题：(1) 由于在煤场形成的煤堆都呈锥形，如图1，两侧取的煤量比中间取的煤量要小，斗轮小车走完一个行程（假设在一个行程中大车步进长度不调整），上煤流量将会时大时小，造成流量不均，如果中间取到的煤量不超过额定流量，则两侧的煤量就大大小于额定流量，整个行程中取煤效率不高；反之就容易引起超载；(2)司机无法准确判断活动轨道梁传输皮带上的煤流量，一般都通过煤仓前端的电子皮带秤测

2、出流量后给司机进行提醒，此时已延时几分钟时间，司机无法预知当前取煤流量；当发现明显超载时，只能操控斗轮小车的启停来调整取煤流量。司机的劳动强度较大，容易引起视觉疲劳而增加安全运行风险，如超载未及时采取措施可能导致主传输皮带溢煤、堵煤等现象，严重的将导致皮带撕裂或电机烧毁，直接影响电厂生产安全；(3)斗轮小车的频繁启停也会影响其相关部件的使用寿命。图1 煤场煤堆示意图本系统用视频流量检测的方法来取代人的视觉和思维，自动测量活动轨道梁传输皮带上煤流量的大小，闭环模糊控制斗轮小车的平移速度，进而自动控制取煤量，与额定流量比较，如测得流量偏大，控制斗轮平移速度慢一点，反之控制平移速度快一点，使上煤系统

3、始终保持一个比较均匀的传输流量，对于提高上煤效率，缩短超载时间，确保上煤系统安全稳定高效具有十分重要的意义。二、 自动控制系统原理1.原门式斗轮机上煤系统门式斗轮机取煤一般分四层，在某一煤层取煤时，斗轮小车走完一个行程取的煤形状俯视图如图2，每个行程能取到的煤是两个平行线所包含的部分（下图阴影部分），取煤流量即单位时间内的上煤重量为f=* h * v * L (t/h)，其中为煤密度；h为一个行程中某一位置处取煤层高；v为斗轮小车的平移速度（可由变频器输出频率控制）；L为每次大车步进长度。从下图可以看出，一个行程中L保持不变，由于煤堆成锥形，某一层取煤形状近似梯形，h随着斗轮小车取煤时位置的变

4、化而发生变化，在两侧时，h较小，中部较大，因此取煤流量在两侧较小，中部较大，造成取煤流量不均，但如果控制每次大车的步进长度L保持不变，则相邻行程之间斗轮小车的每个相同取煤位置处的煤流量具有一定的相似性，同时斗轮电流反映斗轮的取煤负载，取煤流量若超载，其与斗轮电流之间存在一定的对应关系。  图2 门式斗轮机取料示意图2.基于图像分析的上煤流量自动控制系统在门式斗轮机尾车靠近活动轨道梁的地方安装一台视频流量检测装置（以下简称装置），如图3，该装置采用图像分析的方法实时检测上煤流量。控制方法：记忆预测控制算法。原理：（1）煤堆呈锥形，斗轮在同一层取煤形状近似梯形，不同行程内如果大车前进步长

5、L相同，则取煤的区域形状类似；（2）由于斗轮小车的取煤点与装置离开一段距离，并且在不断变化，因此检测到的煤流量相对于取煤点之间存在一变化的延时时间t，由于活动轨道梁上的传输皮带速度恒定，设为V，若取煤点位置（可通过编码器获得）与装置间的距离设为P，则延时时间为t=P/V，即某一固定取煤点的检测流量延时时间是固定的。如何实现：（1）斗轮小车以匀速v0完成第一取煤行程，记录斗轮小车在该行程内每个取煤点位置与装置之间的距离P、当前时刻t1，并记录流量检测装置检测到的每个时刻点的流量f(t)，从而得到并记录第一行程内每个取煤点位置的煤流量f(P)=f(t1+P/V)(梯形取煤区域内呈现之前所述的两侧流

6、量小，中间流量大的现象)；（2）在第二取煤行程中，根据斗轮小车所处的取煤点位置，将前一行程中记录的在该位置处的煤流量f (P)作为当前的预测煤流量反馈到控制器输入端实现闭环模糊控制，如图4，模糊控制器利用预测煤流量，结合一定的模糊规则去控制斗轮机平移速度v，确保该取煤位置处上煤流量稳定在额定流量附近，并通过斗轮电流预测超载，提高上煤系统的效率和安全性。同时检测并记录该行程内斗轮小车在不同取煤点位置的煤流量和平移速度以供下一取煤行程进行记忆预测。斗轮电流的作用：实时判断斗轮小车在取煤过程中是否有煤堆塌方现象的发生。虽然斗轮电流在取煤过程中时时刻刻都在发生变化，但是其变化会因为煤流量的大小在一定范

7、围内变化。如果突然发生煤堆塌方，斗轮电流会突然猛增，所以可以将斗轮电流作为判断是否塌方或超载的依据，结合模糊控制算法控制斗轮小车的平移速度，确保斗轮电机安全。（3）在之后的取煤行程中，依据斗轮小车的取煤点位置，根据该取煤点位置上一行程的煤流量与斗轮小车平移速度，使用记忆预测控制算法，实现斗轮小车的变速取煤。即在煤量小的位置控制斗轮小车平移速度快一点，在煤量大的位置控制斗轮小车平移速度慢一点，从而确保上煤效率与设备的安全运行。图3 门式斗轮机煤场自动取煤图图4 闭环控制方式示意图三、 基于PLC的自动控制实施方案1、系统结构目前二期斗轮机采用的PLC电气控制系统如下：（1）PLC采用罗克韦尔公司

8、的AB PLC，CPU为SLC 5/04；（2）有若干数字量输入、输出模块，接入编码器、设备状态及设备控制等信号；有一个模拟量输入模块，已接入斗轮电流等模拟量信号；（3）司机室配有PanelView触摸屏，与PLC CPU间采用DH+通讯协议，目前触摸屏上已有显示斗轮电流、斗轮小车位置等信号；（4）斗轮小车采用恒速平移方式，无变频器，PLC中无模拟量输出模块（用于输出频率信号）。需添置的设备如下：（1）安川斗轮小车变频器；（2）AB PLC模拟量电流输出模块；（3）TXL-102型上煤流量自动控制系统涉及设备（详见4设备部分）。本改进系统方案结构如图5所示，由视频流量分析系统和自动控制系统组成

9、，视频流量分析系统由TXL-102型视频流量检测装置、带图像采集卡的平板PC、数据交换器以及安装在平板PC中的图像分析软件组成，其中数据交换器为采用罗克韦尔公司的1784-PKTX 通讯卡，安装在西门子平板PC中，与SLC 5/04 PLC通讯，通讯协议为DH+。由其检测的上煤瞬时流量通过数据交换器送入自动控制系统，自动控制系统由PLC控制器、自动控制软件、斗轮小车变频器以及小车驱动电机组成，其中的PLC控制器获取该流量信号后根据记忆预测和闭环模糊控制算法输出一定的频率信号控制斗轮小车变频器驱动电机，斗轮小车将以与频率信号对应的平移速度进行取煤，保持上煤流量均匀。取煤过程中可切换到手

10、动取煤工作状态（与原先取煤方式相同），互相切换时不影响设备正常运行，该功能可通过司机室操作面板上某按钮实现（系统电气原理图请查看附录一）。图5基于PLC的自动控制系统结构图2、平圩电厂门式斗轮机自动控制系统实施前必要的硬件改造（1）安装安川斗轮小车变频器(型号：V1000)，有电流信号控制功能，用于控制门式斗轮小车的平移速度，可以实现斗轮小车的变速平移； 安川 V1000 变频器容量范围： 200v(三相电源用) 0.118.5kw200v(单相电源用) 0.15.5kw400v(三相电源用) 0.218.5kw（2）检查斗轮小车的位置编码器，要确保该编码器完好，数据准确。（3）添置AB PL

11、C模拟量电流输出模块(型号：1746-NO4I)，在模拟量输出模块与斗轮小车变频器之间铺设一根4芯电缆，通过模块和电缆输出420mA信号可以实现对变频器的变频调速；Rockwell AB模拟量输出模块：1746-NO4I输出通道数：4输出信号：电流输出范围：420mA3、需甲方协助的工作（1）吊装（包括焊接）TXL-102型视频流量检测装置；（2）预先在平板PC到尾车装置安装位置之间铺设75欧姆同轴视频电缆、220V电源线和一路四芯电缆，PLC提供一个空余的数字量输出口（中间驱动继电器），并铺设该输出口到尾车装置安装位置间的一路四芯电缆；（3）提供PLC与触摸屏显示界面程序；（4）司机室预留一

12、220VAC电源空开；（5）在司机室操作台上提供自动/手动切换开关。4、斗轮机上煤流量自动控制系统提供设备及软件（1）TXL-102型视频流量检测装置规格尺寸                约1米(H)x2米(w)x3米(L)       流量检测重复性误差      < 0.5%     

13、流量检测准确性误差      < 5%     输入电压                220V AC  （2）TXL-102型图像采集卡（3）西门子平板PC（含触摸屏）；（4）Rockwell公司的1784-PKTX 通讯卡（DH+通讯协议）（5）图像分析软件（6）自动控制软件（7）触摸屏软件四、 方案特点本系统采用的技术达到国际先进水平，产品具有自主知识产权(见水平查新检索和科技查新报告)，是一种非接触式设备，安装方便，系统维护简单。该系统方案特点是：（1）能提高上煤效率，降低能耗；（2）有效防止超载，提高系统的安全性；（3）减轻司机的劳动强度，规避人为的事故；（4）减少斗轮小车的启停次数和运行时间，延长斗轮机等设备的使用寿命；（5）由于该方案采用的煤流量检测方法是非接触式的，未来设备维护量较小；（6）独立性较强，安装方便，易与原斗轮机的控制系统整合。五、 业绩1.上海外高桥发电有限责任公司悬臂式斗轮机A和B (2006