基于圖像處理的葉輪給煤機控制系統(tǒng)

文/鄧子平

部分火力發(fā)電廠，采用火車或汽車為煤料運輸手段，實現(xiàn)煤料的補給和轉(zhuǎn)運。葉輪給煤機作為一種效率高、結(jié)構(gòu)簡單的煤料卸載工具，得到了廣泛應用。在實際作業(yè)過程中，利用翻車機或其它設備，將火車來煤傾倒至地面入料口；地面操作人員根據(jù)卸料位置，通過語音對講，告知控制室人員；控制室人員根據(jù)位置指令，控制位于地面以下的葉輪給煤機行走在對應區(qū)間；葉輪給煤機往復運動在卸煤區(qū)間，直至卸煤完成。

然而，上述作業(yè)方式較為繁瑣，需要現(xiàn)場人員與控制室人員保持密切溝通；同時，也會造成葉輪給煤機在無煤狀態(tài)下的空載運行，造成能源浪費。因此，如何根據(jù)卸煤位置、卸煤量等參數(shù)，智能調(diào)節(jié)葉輪給煤機運行位置和變頻器運行頻率，實現(xiàn)葉輪給煤機的自動控制，是本文的研究重點。

隨著人工智能的快速發(fā)展，其重要分支——機器視覺近年來在眾多領域得到廣泛應用。與此同時，機器視覺的硬件實現(xiàn)也朝著小型化、定制化方向發(fā)展。本文將機器視覺技術應用到葉輪給煤機的控制系統(tǒng)，并完成了系統(tǒng)的嵌入式硬件設計。利用機器視覺識別落煤位置和在線估算煤量，實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)運行區(qū)間和變頻器頻率。

1 系統(tǒng)總體設計

本文采用樹莓派為控制主板，并利用2.4GHz 無線通信手段，實現(xiàn)葉輪給煤機就地控制箱與遠程主控室的數(shù)據(jù)通信。實際使用中，在地面卸煤口布設數(shù)字攝像機，并通過無線網(wǎng)絡將落煤口視頻信息傳輸至葉輪給煤機就地控制箱，葉輪給煤機就地控制箱內(nèi)的嵌入式機器視覺控制板對視頻信息進行處理，判斷當前卸煤位置和煤量，控制葉輪給煤機行走電機和變頻器。此外，葉輪給煤機同時將有關狀態(tài)信息傳輸至輸煤系統(tǒng)現(xiàn)有的PLC 控制系統(tǒng)，在實現(xiàn)了硬件兼容與數(shù)據(jù)共享的同時，亦可實現(xiàn)控制室人員遠控操作。

以韶關電廠輸煤系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)選用4臺葉輪給煤機分別給2 條輸煤皮帶卸煤。系統(tǒng)包含葉輪給煤機就地控制箱、視頻采集控制器、語音對講系統(tǒng)、通信網(wǎng)關控制箱、程控室PLC控制柜、控制室上位機等組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)框圖

圖2：上位機畫面

安裝于卸煤口上方的視頻采集控制器負責采集卸煤時的圖像信息，將視頻信息壓縮打包后，通過無線通信終端發(fā)送至葉輪給煤機就地控制箱；葉輪給煤機就地控制箱內(nèi)集成機器視覺處理單元，完成視頻信息的智能識別與檢測，判定當前卸煤位置和卸煤量，操作葉輪給煤機本體運行至卸煤區(qū)間，并在線調(diào)節(jié)葉輪給煤機變頻器運行頻率。此外，相關機器視覺處理單元可識別現(xiàn)場的人員，當無關人員進入作業(yè)區(qū)域時，發(fā)出語音告警。

安裝于卸煤口現(xiàn)場的語音對講系統(tǒng)負責采集現(xiàn)場的音頻數(shù)據(jù)，并通過無線通信終端將音頻信息發(fā)送至葉輪給煤機就地控制箱；葉輪給煤機就地控制箱則通過通信網(wǎng)關，將音頻信息傳送至控制室上位機；該語音對講系統(tǒng)既可以滿足現(xiàn)場作業(yè)人員與控制室當班人員的對講需求，又可在機器視覺單元識別出人員進入作業(yè)區(qū)域時，語音提醒相關人員退出作業(yè)區(qū)域。

安裝于地面以下的葉輪給煤機就地控制箱，負責接收視頻采集器采集的現(xiàn)場卸煤視頻信息，內(nèi)部集成機器視覺算法，利用opencv機器視覺庫有效識別卸煤所形成的堆型，并定位其位置坐標，控制葉輪給煤機行走至卸煤區(qū)間；同時，根據(jù)煤堆型估算煤量，并以此計算卸煤所需給煤機運行頻率，完成變頻器頻率設定；此外，葉輪給煤機就地控制箱可將上述音頻、視頻信息通過通信網(wǎng)關，傳輸至程控PLC，實現(xiàn)與現(xiàn)有控制系統(tǒng)的高度融合。

2 硬件設計

本文主要設計開發(fā)了視頻采集控制器、語音對講系統(tǒng)、葉輪給煤機就地控制箱。

2.1 視頻采集控制器

視頻采集控制器采用STM32 微控芯片作為中央處理器，STM32 系列產(chǎn)品基于低功耗的 ARM Cortex-M4 處理器內(nèi)核，內(nèi)部集成SPI、SCI、以外網(wǎng)接口等模塊。其最小系統(tǒng)包括電源電路、JTAG 電路、無線通信擴展電路等。其中電源電路采用AMS1117-3.3 電源芯片，該芯片可以輸出相應電壓供STM32 內(nèi)核使用。同時，高速JTAG 電路，可保證代碼燒寫以及在線仿真的速度。該視頻采集控制器模塊包含電源轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字高清攝像機、以外網(wǎng)接口、輔助照明控制單元、無線通信單元等。其中，電源轉(zhuǎn)換模塊采用金升陽ACDC 轉(zhuǎn)換模塊，將AC220V 轉(zhuǎn)換為DC12V、DC5V，分別給數(shù)字攝像機、STM32 主控芯片供電。數(shù)字攝像機選用?？低暩咔寮t外型攝像機，可實現(xiàn)自動白平衡、自動曝光等功能，有效克服卸煤現(xiàn)場因卸煤作業(yè)時粉塵的影響。夜間來煤時，該控制器集成的輔助照明控制單元可實現(xiàn)大范圍補光，滿足夜間檢測的需求。無線通信采用2.4GHzzigbee 通信終端，利用串行接口與STM32 相聯(lián)，STM32 將視頻數(shù)據(jù)傳輸至位于地面以下的葉輪給煤機就地控制箱。

2.2 語音對講系統(tǒng)

該語音對講系統(tǒng)采用STM32 作為主控芯片，通過AUX 總線擴展麥克風與廣播系統(tǒng)，為解決現(xiàn)場機械噪聲所帶來的干擾，本系統(tǒng)采用定向收聲、特定頻率收聲技術：利用機器視覺定位現(xiàn)場人員后，根據(jù)其位置坐標，調(diào)節(jié)麥克風收聲波束，并過濾掉人類語音頻率之外的噪聲，最終實現(xiàn)現(xiàn)場語音的高清采集。該模塊集成了低功耗射頻收發(fā)器和微處理器，具有耗能少、組網(wǎng)便捷、通信質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點；可實現(xiàn)點對點的數(shù)據(jù)傳輸；可組成星型和 MESH型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。建立與地下葉輪給煤機就地控制箱的數(shù)據(jù)互聯(lián)。

2.3 葉輪給煤機就地控制箱

葉輪給煤機就地控制箱采用樹莓派為控制主板，樹莓派3B+主板移植嵌入式操作系統(tǒng)，基于QT5.6.0 集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)葉輪給煤機智能控制軟件。葉輪給煤機就地控制箱包含給煤機行走控制單元、變頻器控制單元、機器視覺處理單元、無線通信單元、以太網(wǎng)通信單元等。葉輪給煤機行走控制單元包含行走電機控制器、防碰撞預警開關、聲光報警器；變頻器控制單元包含4-20mA 模擬輸出通道，用來給定變頻器運行頻率；機器視覺處理單元集成基于光流法、背景差分法等機器視覺智能算法，圖像經(jīng)過濾波，二值化，目標識別與圖像分割，有效識別卸煤堆型以及人員特征。無線通信單元采用2.4GHzzigbee 通信終端，利用RS485接口與樹莓派3B+主板相聯(lián)，用以接收地面視頻采集控制器傳輸?shù)囊曨l信息。同時，該無線通信接口亦可接收來自語音對講系統(tǒng)傳輸?shù)囊纛l信息，并利用通信網(wǎng)關，將視頻、音頻信息回傳至程控室。

3 上位機軟件設計

本文設計的基于圖像處理的葉輪給煤機控制系統(tǒng)，可自主實現(xiàn)卸煤控制，無需人工干預。葉輪給煤機就地控制箱將就地設備的所有運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過通信網(wǎng)關傳輸至程控PLC，并設計了上位機軟件。在必要時，亦可實現(xiàn)葉輪給煤機的人工操作。在輸煤程控上位機監(jiān)控軟件中，監(jiān)控畫面根據(jù)運行人員操作實際情況有明確的位置顯示，可以遠程啟動、停止、東行、西行、停機指令及相應設備運行狀態(tài)。實時監(jiān)控畫面如圖2。

4 小結(jié)

本文提出了基于圖像處理的葉輪給煤機自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了機器視覺技術在傳統(tǒng)輸煤系統(tǒng)的應用探索，并利用無線通信手段，搭建了作業(yè)現(xiàn)場自組網(wǎng)無線通信平臺，有效提高了卸煤效率，減少人工。