上海电力学院电子工程研究所

上海电力学院电子研究所 上海市平凉路 2103 号综合大楼 818 室 电话：021-65430410-324 1/8 基于图像的斗轮机上煤流量自动控制系统 一、 概述 目前，电厂的上煤系统是由运行人员人工操作斗轮机对事先堆在 煤场的煤进行取料，通过传输带运至锅炉。由于悬臂式斗轮机的固有 特性在大角度时上煤流量小于小角度时上煤流量，上煤流量时大时 小，而且由人来判断传输带上煤流量，当发现超载现象，通过操控斗 轮机悬臂的启停来控制上煤流量。操作人员的劳动强度较大，容易引 起视觉疲劳而增加安全运行风险；设备的频繁启停影响设备的使用寿 命。 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 传输带上煤流量的大小，与设定额定流量比较，进而控制斗轮机悬臂 的回转速度进行取煤，如测得流量偏大，控制悬臂回转速度慢一点， 反之控制回转速度快一点，使上煤系统始终保持一个比较均匀的传输 流量，既能提高上煤效率，又能缩短超载时间。 二、 系统方案 1、系统原理 由于悬臂斗轮在某一层取煤时形成的两个环形曲线为平移关系， 如图 1，回转角越大，取煤深度越小，设取煤流量即单位时间内的上 煤重量为 f ，煤密度设为 ρ，取煤深度即斗轮挖取的煤沿斗轮运动轨 迹的法线方向上的深度设为∆，取煤层高即分层取煤时每层高度设为 h ，回转速度即悬臂末端的线速度设为 v ，于是有： 上海电力学院电子工程研究所 上海市平凉路 2103 号综合大楼 818 室 电话：021-65430410-324 2/8 f= h vρ ×∆× × 取煤流量不仅与取煤层高、悬臂的回转速度有关，还与该取煤深度有 关；而取煤深度∆又与每次大车步进长度设为L 以及回转角设为θ 有 关，推导如下： 图 1 斗轮机取煤示意图 L sinsin L sin sin r r θαθ α= → = ' ' ' sin( ) sin sin sin( ) sin sin r r r r rr θ αβ θ θ α θ θ= → = → = −− ' sin( ) sin (sin cos cos sin ) sin rr r r rr θ αθ θ α θ αθ ∆ = − = − − = − − 当α 很小时， cos 1α ≈ ，故 ' (sin cos cos sin ) sin sincos sin cos L L cos sin sin rr r r r r r θ α θ αθ θθ α θ θθ θ ∆ = − = − − ∆ = = = 于是得： 上海电力学院电子工程研究所 上海市平凉路 2103 号综合大楼 818 室 电话：021-65430410-324 3/8 f= h v L cosρ θ× × × × 图 1 中 AC、BD 为回转半径 r ，AD 为 'r ，AB 为∆。 尽管理论上分析根据θ 改变 v可以使 f 固定，实际上斗轮机分层 取煤工艺和现场实际情况的千变万化，如取煤层高不同，煤层不规则 或煤层塌方等情况，上煤流量 f 会起伏很大。本系统采用基于图像分 析的方法实时检测上煤流量并将其反馈到控制器输入端实现闭环模 糊控制，如图 2，在斗轮机悬臂头部安装一台视频流量检测装置，如 图 3，获取传输带上煤横截面的图像序列，见图 4，根据横截面图像 序列可累积计算出单位时间内的相对体积，进而求出单位时间内的重 量即上煤瞬时流量，控制器将瞬时流量用模糊控制算法去控制斗轮机 悬臂回转速度，将大大提高系统的上煤流量的均匀性和安全性。 图 2 闭环控制方式示意图 图 3 煤场自动取煤图 上海电力学院电子工程研究所 上海市平凉路 2103 号综合大楼 818 室 电话：021-65430410-324 4/8 图 4 采集图像与煤横截面提取图 取煤时，司机操作斗轮机斗轮停在某一取煤层，取煤层平均高度 约 3 米，控制大车步进一段距离，操纵悬臂从该层的一端回转至另外 一端，完成一次取煤过程。在这整个过程中，斗轮机司机无需关心当 前上煤流量的情况，只需控制好大车的每次步进长度，操纵悬臂从起 始角度一直到终止角度，中间不用停顿，系统会自动调节悬臂回转速 度，如有塌方等情况出现超载状态，控制系统能在 2-3 秒内降低悬臂 回转速度，确保流量稳定在额定流量附近。若设定 h=3m， 3=0.8t/mρ ， L=1.0m ， 0f =1000t/h ，引入本自动控制系统后，设变频器频率在 15hz-50hz 范围间进行变化。当 =70θ （悬臂在 70 度处），控制变频器 在 35hz 频率下工作，对应悬臂头部回转线速度 v=1170m/h ，此时上 煤流量 f= h v L cos 960t/hρ θ× × × × = ；当 =30θ （悬臂在 30 度处）时， 控制变频器在 15hz 频率下工作，对应悬臂头部回转线速度 v=501m/h ，此时上煤流量 f= h v L cos 1040t/hρ θ× × × × = 。与不采用变 速调节的方法，即变频器输出频率固定在某一频率如 28hz （ v=936m/h ）相比，控制步进长度L=0.6m ，则在 =30θ 时上煤流 量达到 1160t/h，已超载 16%，而在 =70θ 时只达到 460t/h，不足额定 上海电力学院电子工程研究所 上海市平凉路 2103 号综合大楼 818 室 电话：021-65430410-324 5/8 流量的 50%。具体见下表 1： 表 1 取煤流量表（h=3m， 3=0.8t/mρ ） 取煤较少 =70θ 取煤较多 =30θ 变频器频率 hz 步进长度 m 35 28 21 18 16 15 原取煤方式 0.6 460 1160 0.8 770 1950 610 1550 460 1160 400 1000 0.9 860 2190 690 1750 520 1300 390 1000 现取煤方式 1.0 960 2400 770 1950 580 1460 490 1250 410 1040 2、系统实施方案 方案一、基于 PLC 的自动控制方案： （1）系统结构 系统结构如图 5 所示，视频流量分析系统（由 TXL-102 型视频流 量检测装置、数据交换器、带图像采集卡的平板 PC 以及安装在平板 PC 中的图像分析软件组成，其中数据交换器可适应不同类型 PLC 与 平板 PC 之间的数据交换）检测上煤瞬时流量并转换成 4~20mA 的电 流信号送入自动控制系统，自动控制系统（由 PLC 控制器、自动控 制软件、回转变频器以及回转电机组成）中的 PLC 控制器读入该流 量信号后根据闭环模糊控制算法输出一定的频率信号控制回转变频 器驱动斗轮机悬臂，悬臂将以与频率信号对应的回转速度进行取煤， 保持上煤流量均匀。取煤过程中可切换到手动取煤工作状态，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 上海电力学院电子工程研究所 上海市平凉路 2103 号综合大楼 818 室 电话：021-65430410-324 6/8 现。 图 5 基于 PLC 的自动控制系统结构图 （2）进行系统实施前必备的硬件条件 1）回转变频器，有电流信号控制功能 2）PLC 数字量输出口 1 个 模拟量（4-20mA）输入口 1 个 模拟量（4-20mA）输出口 1 个 3）俯仰、回转、大车行走编码器 4）工控机（含串行通讯口）或平板 PC（含串行通讯口） 5）自动/手动切换开关 上海电力学院电子工程研究所 上海市平凉路 2103 号综合大楼 818 室 电话：021-65430410-324 7/8 6）能锁定的主令手柄 注：斗轮机应配有工控机与 PLC 控制器，若无工控机需先加配工控 机或平板 PC。 （3）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）预先在工控机或平板 PC 到悬臂头部之间铺设 75 欧姆同轴视频 电缆和 220V 电源线，PLC 提供一个空余的输出口（中间驱动继电器）， 并铺设该输出口到斗轮机悬臂头部的一路四芯电缆； 3）提供 PLC 与触摸屏显示界面程序； 4）司机室预留一 220V 电源空开； 5）在司机室操作台上提供自动/手动切换开关； 6）斗轮电流接入 PLC； 7）在 PLC 中的模拟量输出模块与回转变频器之间铺设一根 4 芯电 缆，能通过 PLC 完成变频调速功能。 三、 斗轮机上煤流量自动控制系统提供设备 1）TXL-102 型视频流量检测装置（约 1 米(H)*2 米(W)*3 米(L)） 2）数据交换器 3）图像采集卡 4）图像分析软件 5）自动控制软件 四、 方案特点 本系统采用的方案为国内外首创，产品具有自主知识产权，是一 上海电力学院电子工程研究所 上海市平凉路 2103 号综合大楼 818 室 电话：021-65430410-324 8/8 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，具体效果及数据可见《基于图 像分析的斗轮机上煤流量自动控制系统效能分析报告》； （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）减少斗轮机悬臂回转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。 上海电力学院电子工程研究所 2007-12-1