智能鋅鎂礦熱爐開爐機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

馬曉莉

摘要：為了提高礦熱爐出爐效率，降低生產(chǎn)能耗，改善生產(chǎn)環(huán)境，通過對現(xiàn)有出爐工藝及出爐設(shè)備的研究，設(shè)計了一種基于工業(yè)控制計算機的智能化鋅鎂礦熱爐開爐機器人。本文介紹了出爐機器人系統(tǒng)構(gòu)成，基本工作原理、電氣控制系統(tǒng)組成及控制算法。著重介紹了智能出爐機器人電氣控制部分的設(shè)計思路及智能識別算法，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護成本低，可在金屬冶煉領(lǐng)域中推廣和運作，具有很好的節(jié)能效果及經(jīng)濟效益。

Abstract： The intelligent zinc-magnesium submerged arc furnace discharged robot based on industrial control computer was designed by studying the existing process and equipment of submerged arc furnace， in order to improve the efficiency， reduce the energy consumption and improve the production environment. This article describes the robot's structure， electrical control system and control algorithm. It mainly introduces the design idea and intelligent identification algorithm of the electrical control part of the intelligent furnace discharged robot. The system has simply structure， low installation and maintenance cost， and can be popularized and operated in the field of metal smelting.

關(guān)鍵詞：開爐機器人;智能識別;ARM cotex STM32;Canny邊緣檢測算法

Key words： submerged arc furnace discharge robot;Intelligent Identification;ARM cotex STM32;Canny edge detection algorithm

中圖分類號：TP242.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）28-0207-03

0? 引言

礦熱爐又稱電弧電爐或電阻電爐是一種耗電量巨大的工業(yè)電爐，主要用于還原冶煉礦石，碳質(zhì)還原劑及溶劑等原料，是生產(chǎn)錳鐵、硅鐵、鎢鐵、鉻鐵和硅錳合金等鐵合金的關(guān)鍵設(shè)備。由于原材料中所含的礦物質(zhì)較多，礦熱爐在冶煉過程會產(chǎn)生較多的礦物沉淀，這些沉淀物易堵塞出料孔，使礦熱爐的出料速度緩慢導致冶煉效率下降，能耗浪費巨大。而礦熱爐在冶煉之后爐內(nèi)溫度高達1500余度，人工進行堵眼及爐口清渣操作難度大、危險性高，且耗時長不利于安全生產(chǎn)及節(jié)能，因此本文介紹一種具有智能識別功能的鋅鎂礦熱爐開爐機器人，實現(xiàn)對礦熱爐開爐全過程智能控制，最大限度降低設(shè)備功耗、減少人員參與，排除安全隱患、提高生產(chǎn)效率[1]。

1? 礦熱爐爐前作業(yè)機器人系統(tǒng)構(gòu)成

開爐機器人主要由基礎(chǔ)軌道、開爐鉆孔平臺、堵眼機構(gòu)、自動氧管、鋼釬切換盒、自動氧管連接機構(gòu)、往復運行機構(gòu)、監(jiān)測機構(gòu)、遠程控制模塊5部分組成。如圖1所示。

2? 系統(tǒng)基本工作原理

根據(jù)礦熱爐出爐工藝要求，方案設(shè)計采用機械液壓系統(tǒng)，綜合應用動態(tài)圖像分析理論、機器人神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)辨識理論，現(xiàn)代自動控制理論，計算機軟件C++語言算法設(shè)計等技術(shù)，實現(xiàn)礦熱爐開爐鉆眼、人工通氧、人工鋼釬往復助流、泥炮堵眼，全過程無人值守。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

出爐機器人與企業(yè)中控室之間通過無線網(wǎng)橋/工業(yè)光纖通信實現(xiàn)互聯(lián)，中控室判斷開爐時間，向開爐機器人發(fā)出開爐指令，機器人中央控制計算機—工業(yè)嵌入式ARM系統(tǒng)發(fā)出指令，控制機器人的爐前高溫攝像鏡頭獲取爐眼位置空間坐標，在出爐口建立空間坐標系，中央控制計算機根據(jù)坐標位置驅(qū)動車體三軸向電機、液壓運動系統(tǒng)運動，使開眼機構(gòu)鉆頭位置和爐眼位置對準，并控制鉆眼鉆頭在爐眼位置開孔鉆眼，當鉆頭內(nèi)置深度傳感器判斷當前鉆眼深度符合要求時，鉆頭快速自動撤離;鉆頭撤出后，圖像分析系統(tǒng)分析當前爐眼爐液流動情況，判斷是否需要通氧燒穿作業(yè)，如不需要，設(shè)備進入捅釬助流待命階段。如果需要通氧燒穿操作，則自動通氧系統(tǒng)介入，向爐眼內(nèi)部輸送氧管，并開通氧氣起弧，促進爐眼未熔化的爐料熔化，高溫攝像鏡頭實時監(jiān)控爐眼，當檢測到有熔液流出，中央計算機控制通氧閥關(guān)閉，停止通氧并撤離通氧機構(gòu)，并進入鋼釬助流待命階段;當視覺系統(tǒng)檢測爐眼的爐渣過多，熔液流量較低時，中央計算機迅速調(diào)整姿態(tài)，根據(jù)當前各機構(gòu)的坐標位置，控制捅釬機構(gòu)中心和爐眼位置對準，并控制鋼釬輸送機構(gòu)，驅(qū)動助流鋼釬在爐眼內(nèi)部做往復運動實現(xiàn)助流，同時控制系統(tǒng)根據(jù)攝像頭采集的爐眼流量情況更換鋼釬，確保熔液順利流出;待熔液流盡后，中央計算機控制捅釬機構(gòu)撤回助流裝置，啟動堵爐眼裝置，由液壓系統(tǒng)執(zhí)行堵眼工作自動完成出爐工作。

3? 出爐機電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成

①控制系統(tǒng)硬件，以ARM Cotex STM32F407嵌入式MCU為核心，搭載液壓閥體驅(qū)動電路、液壓電磁閥、大車行進電機驅(qū)動電路、大車行進電機、高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭、堵泥傳感器、鑿巖傳感器、小車位置傳感器、溫度傳感器、震動傳感器、流量傳感器、扭矩傳感器及遠程控制工控機等構(gòu)成具有人機交互功能的硬件平臺[2]，硬件構(gòu)架原理圖如圖3所示。

②軟件采用跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架QT編寫完成，采用多任務、多線程的編程方法，實現(xiàn)對出爐機器人各功能單元的控制管理、信息采集及匯總處理，其主要功能包含：系統(tǒng)管理、基礎(chǔ)信息存儲查詢、控制管理、歷史數(shù)據(jù)查詢等。系統(tǒng)管理程序主要包括初始化子模塊、文件處理子模塊、人機界面子模塊。初始化子模塊完成運動控制模塊初始化、傳感器初始化、電動機、機器人狀態(tài)初始化等。文件處理子模塊完成歷史數(shù)據(jù)的記錄分析，人機界面子模塊完成機器人狀態(tài)的實時監(jiān)控、各種參數(shù)的輸入、曲線顯示等。控制類程序是整個軟件系統(tǒng)的核心，包括傳感器數(shù)據(jù)處理子模塊、機器人運動規(guī)劃子模塊、運動控制子模塊。傳感器數(shù)據(jù)處理子模塊主要完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理等;機器人運動規(guī)劃子模塊主要是根據(jù)系統(tǒng)據(jù)傳感器數(shù)據(jù)信息對機器人運動狀態(tài)進行判斷，并利用優(yōu)化算法規(guī)劃機器人的運動過程;運動控制子模塊主要是接收工控機指令，對機器人進行移動控制。

③出爐機器人智能識別系統(tǒng)設(shè)計。

出爐機器人對出爐口情況的正確判斷是其實現(xiàn)智能化控制的重要條件，系統(tǒng)智能識別采用openCV專業(yè)圖像分析軟件，給每幀圖像進行數(shù)學取模，通過openCV軟件的優(yōu)化功能實現(xiàn)圖像的平滑、濾波去噪及銳化處理，保留出爐口痕跡圖像原始特征信息，提高爐口圖像清晰度，從而有效地對爐口圖像進行邊緣檢測和特征提取。圖像算法的編寫基于Canny邊緣檢測算法對爐眼熔液流動圖像進行邊緣提取，有效提升爐口邊界的清晰度。并用該方法對典型的爐口圖像進行了實驗比較分析。得到圖像邊緣清晰檢測結(jié)果。再利用小波多分辨分析和離散小波的優(yōu)勢，對爐口圖像進行小波分解與重構(gòu)，得到不同分解尺度下爐口圖像的多分辨小波特征。運用標記控制的形態(tài)學重構(gòu)分水嶺分割算法對進行了處理，實現(xiàn)爐口坐標位置判斷及爐口出爐狀況的精確判斷及智能控制[3][4]。如圖4所示。

4? 總結(jié)

鋅鎂礦熱爐開爐機器人投入使用后，出爐工序可實現(xiàn)無人操作，出爐時間縮短10分鐘。以單臺30噸礦熱爐為例，每次出爐可節(jié)約用電8000度節(jié)約成本3000元，經(jīng)濟效益十分可觀。既可有效排除工人在高危高溫工況下作業(yè)的安全隱患減少企業(yè)人力成本，又可提高出爐效率實現(xiàn)節(jié)能，是金屬冶煉領(lǐng)域重型設(shè)備的智慧化升級的良好開端。

參考文獻：

[1]牛博，馮萬棟，段永棟，王強.中鋼設(shè)備新一代礦熱爐自動化控制系統(tǒng)的研發(fā)和應用[N].世界金屬導報，2018-12-18（B06）.

[2]張陽光.電石出爐機器人自動燒眼控制方法研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2017：29-31.

[3]賈丙西，劉山，張凱祥，陳劍.機器人視覺伺服研究進展：視覺系統(tǒng)與控制策略[N].自動化學報，2015，41（5）：861-869.

[4]陳靜，李宗帥.基于工業(yè)控制計算機的移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機械與電子，2018，36（7）：60-67.

[5]王淑茹.GPRS遠傳抄表及能源管理系統(tǒng)[J].信息時代，2012（1）：57-59.