基於機器視覺技術的推焦裝煤車自動對位控制方法

2023-06-30 14:14:16 1

專利名稱：基於機器視覺技術的推焦裝煤車自動對位控制方法
技術領域：
本發明涉及工業自動化控制領域，特別是一種基於機器視覺技術的推 焦裝煤車自動對位控制方法，可實現高精度的自動對位。
背景技術：
目前，側裝煤焦爐是國內目前較為流行的一種爐型，對於該爐型，在 生產過程中必須使用推焦裝煤車。推焦裝煤車在焦爐一側沿軌道水平運動， 循環完成搗制煤餅、摘爐門、推焦、裝煤餅、掛爐門五個動作。在這個循 環中，推焦裝煤車需要移動五次，做五次對位。其中四次要對準需要出焦 的焦爐碳化室中心線， 一次對準裝煤搗固機中心線。對位的準確與否，直 接影響著生產效率、設備安全和焦爐碳化室的使用壽命。
目前國內製造的推焦裝煤車，僅達到行走部分釆用變頻驅動，由司機 通過主令控制器改變行走速度，最後進行人工目測對位。這種對位的精度， 取決於司機工作的熟練程度。其工作效率低，勞動強度大，還常會發生推
焦杆或託煤板刮、蹭碳化室壁，損傷爐壁的事故；或發生搗固錘砸煤槽側 壁，損傷設備的事故。
在2006年3月22日公開的發明專利申請CN1749357A中提出一種焦爐
機械爐號識別及自動對位系統及其相對應的一套自動對位方法，其釆用了 二 進位編碼技術、PLC中斷技術、變頻器矢量閉環控制技術、乙太網通訊技 術、數據總線技術等等，提髙了工業自動化控制水平，提高了生產效率。 但是在該系統中也存在以下不足1、因主要釆用編碼器進行粗對位，使 用碼盤進行細對位，本身就存在一定的容差範圍；2、焦爐一般由多孔相 互隔離密封的碳化室組成，在130(TC爐溫下，由於施工和熱膨脹的不均勻 性，碳化室的中心距各不相同，呈非線性分布，增加了距離控制的難度；
3、推焦裝煤車體積大、質量大，以4. 3M焦爐為例，其自重400多噸，裝 煤後更重，行走過程中的慣量很大，造成定位困難；4、震動、煙塵等外 界不利因素影響，碼盤不能正常工作，也會影響對位精度；5、減速箱齒 輪間隙和電液閘動作的延時也會帶來停車誤差等這些因素都對準確自動 對位的實現帶來了難度。因而對其進行改進，提高對位精度非常有必要。 而釆用機器視覺技術進行推焦裝煤車的自動對位控制，在國內尚屬首例。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供 一種 一種基於機器視覺技術的推焦裝煤車自動對位控制方法，可實現高精度的 自動對位。
為解決上述技術問題，本發明的技術方案是 一種基於機器視覺技術 的推焦裝煤車自動對位控制方法，其包括如下步驟
(a )設定目標對位區域對焦爐每孔碳化室按自然數統一進行爐號編
排，對幾個特殊的對位動作如"推焦"、"裝煤餅"、"掛爐門"按特殊 數字編號，且將相應爐號狀態信息顯示於人機界面的顯示器上以便操作； (b )選定速度運行方式將目標爐號與當前爐號相關信息進行比較， 選擇相適應的速度運行方式並確定運行過程中的相關參數；
(c) 按照選定速度運行方式和相關參數進行運行；
(d) 啟動機器視覺裝置進行停車操作完成對位在進入自由滑行
速度段後啟動機器視覺控制器確定準確停車位置完成對位。
在本發明中，(b)步驟所述的速度運行方式具體包括五段速度運行 方式和四段速度運行方式，即加速—等速—減速—低速爬行—自由滑行五 個速度段和加速—減速—低速爬行—自由滑行四個速度段；首先根據四段 速度運行圖確定一個最大行程Smax,當目標行程距〉Smax時，釆用五段速 度圖運行；當目標行程距《Smax時，採用四段速度圖運行。
作為本發明的一種優選實施方式，對於(b)步驟所述的速度運行方
式中變頻器六個參數中的變量參數應減少至一個或兩個，將其餘的參數設 定為常數。
在對上述運行過程中的參數進行設定的同時，應配合變頻器的數字控 制輸入信號，實現按給定的速度圖運行。而在該優選實施方式中，(b) 步驟所述的速度運行方式中變頻器的數字控制輸入分三位進行設定，其中
DN1設置為"正向啟/停，，，DN2設置為"反向啟/停，，，DN3設置為"最高 速度運行"。
同時在(b)步驟所述的速度運行方式中確定相關參數值時，將"推 焦"、"裝煤餅"、"掛爐門"這三個動作所代表的數字定義為"爐前操 作"，除此以外的數字定義為"非爐前操作"。
從數字控制的角度分析，在本發明的優選實施方式中，(c)步驟所 述的按照選定速度運行方式和相關參數進行運行的過程中，關鍵在於 確定減速點a、自由滑行點b、抱閘停車點c三個點的控制信號。
編碼器的A、 B路脈衝均作為行程的輸入信號，分別輸入可編程序 控制器PLC的高速計數器HS1和HS2，其中定義HS1的內容代表參數a, HS2的內容代表參數b。當可編程序控制器發出自由滑行命令以後，驅動 單元變頻器處於斷電狀態，裝煤推焦車依靠慣性滑行，此時啟動機器視覺 控制器。這樣可以提高控制水平和資源利用率，減少計算量。
參數c所代表的行程，是準確停車位置，(d)步驟所述的啟動機 器視覺裝置進行停車操作完成對位中，主要是利用機器視覺技術確定 參數c值。
作為本發明的另一種優選實施方式，(d)步驟所述的啟動機器視 覺裝置進行停車操作完成對位中，當對位準確需停車時，由可編程序 控制器直接向電液閘輸出 一 個停車控制信號。
作為本發明的又一種優選實施方式，在計算過程中釆用內置偏差表 補償的辦法，根據輸入的目標爐號數，通過查表，計算得到對應的補償偏 差值，確定參數c值，進而可確定a、 b值，現場調試也只限於調整偏差 表。
本發明所達到的有益效果是1、速度運行圖的設定中，低速爬行段 的設定降低了動量的影響，而自由滑行段進一步減小慣性，之後抱閘，減 少了對變頻器功率器件的電流衝擊，使推焦裝煤車平穩、準確地停下來。
2、釆用行程控制+機器視覺定位的控制策略得到控制信號，可消除行程過
程中積累的偏差、克服車打滑帶來的誤差因素等帶來的影響，既實現了高
精度對位，也提升了控制裝置的技術水平。3、充分利用變頻器工作所必 需的參數輸入，構建一個實用的速度圖，把多變量問題簡化為單變量問題， 控制系統不需要另外再設置函數發生器。變頻器資源利用率高，簡化了控 制系統的軟、硬體資源，降低了裝置的造價，提升了巿場竟爭力。4、機 器視覺單獨處理圖像信號，輸出的數位訊號直接作用於PLC,人機界面也 單獨享用工控機的微處理器，本裝置形成一個多處理器協調工作的系統。 控制快速可靠，擴展佘量大。5、查表法補償偏差，佔用的軟、硬體資源 少，運行速度快。調試工作以軟體為主，方便快捷。
下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。


圖l是基於機器視覺技術的推焦裝煤車自動對位裝置的硬體電路原理圖。
圖2是推焦裝煤車在軟體控制下的五段速度運行圖。 圖3是推焦裝煤車在軟體控制下的四段速度運行圖。 圖4是本發明的優選實施方式的整體控制流程圖。 附圖標記說明
l一帶高速計數器的可編2 —變頻器BP; 3—推焦裝煤車； 程序控制器PLC;
4一工控機GK; 5 —顯示器XS; 6 —編碼器BM;
7—視頻傳感器SP; 8—機器視覺控制器SK;9—行走電機M;
IO—電液閘YZ;
具體實施例方式
圖l是基於機器視覺技術的推焦裝煤車自動對位裝置的硬體電路原理圖。
首先對焦爐每孔碳化室按自然數統一進行爐號編排。對幾個特殊的對 位動作"推焦"、"裝煤餅"、"掛爐門"按特珠數字編號。所有編號 應具有唯一性，避免混淆。同時在人機界面的顯示器上設有目標爐號和當 前爐號顯示欄，另外設有目標爐號和當前爐號修正對話框。工作中，若推 焦裝煤車停在某碳化室中心線位置，目標爐號和當前爐號顯示數字會變為 一致，表示停車位置正常。點擊目標爐號修正對話框，輸入要去的爐位號， 然後按啟動鈕，推焦裝煤車在軟體控制下開始運行。
第二步推焦裝煤車在軟體控制下按給定速度圖運行，是準確對位的關 鍵。圖2是推焦裝煤車在軟體控制下的五段速度運行圖，其中包括加速— 等速-減速-低速爬行-自由滑行五個速度段。圖3是推焦裝煤車在軟體 控制下的四段速度運行圖，其中包括加速—減速—低速爬行^自由滑行四 個速度段。
推焦裝煤車運行過程中設定有一個行走速度(設計決定， 一般92m/min 左右)，在控制系統確定了加、減速度值以後，上述四段速度運行圖會有 一個最大行程Smax。當目標行程距〉Smax時，釆用五段速度圖運行；當目 標行程距《Smax時，釆用四段速度屈運行，這個判據在PLC中實現。在人 機界面上輸入目標爐號的數字後，該數據通過通信總線傳輸到PLC, PLC 按照爐號編排規律對數據進行判斷，確定該數據代表的動作含義和行程， 根據行程確定本次動作的運行速度圖。
每次動作所要釆用的速度圖，都涉及以下六個參數加速度al,等速 度vl，減速度a2，爬行速度v2，行程s和時間t。為了實現控制，可以 按控制對象慣量大小把上述六個參數中的al、 vl、 a2、 v2設為常數，使
變量參數減少至一個或兩個，這樣針對單變量的控制既簡單，所用控制部 件又少，也簡化了軟體編制工作量。具體做法是利用變頻器的參數設定，
(這項設定在手動控制對位中，也是必須的)，把al、 vl、 a2、 v2變為 常量。其中，變頻器參數"斜坡上升時間"對應速度圖中的加速度al,"最 高運行頻率"對應速度圖的等速度vl，"斜坡下降時間"對應減速度a2， "最低工作頻率"對應爬行速度v2。將變頻器數字控制輸入點DN1設置為 "正向啟/停"，DN2設置為"反向啟/停"，DN3設置為"最高速度運行"。 參數設定結束後，配合變頻器的數字控制輸入為"101"時，變頻器進行 "正向啟動加速-高速運行，，；控制輸入變為"100"時，變頻器變為"正 向啟動減速-低速運行"；控制輸入變為"000"時，變頻器處於"停止工 作-滑行"狀態。與之相對應地，控制輸入為"011" 、"010" 、 "000" 時，變頻啟對應的動作是"反向啟動加速-高速運行"、"反向啟動減速 -低速運行"、"停止工作-滑行"，這樣就實現了按給定的速度圖運行。 從數字控制的角度分析，要按給定速度圖運行，關鍵是要確定速度圖 中的幾個點減速點a,自由滑行點b,抱鬧停車點c。只有得出這三個點 的控制信號，控制過程才能實現。在本發明中，把"推焦"、"裝煤餅"、 "掛爐門，，這三個動作所代表的數字定義為"爐前操作"，除此以外的數 字定義為"非爐前操作"。
對於"爐前操作"，速度圖中的c點有如下關係 當目標爐號的動作含義為"推焦"時c =K1/P (l — l)
式中Kl一推焦裝煤車的推焦杆與擰螺絲機中心距(常數，mm), P— 脈衝當量(常數，mm/脈衝)；
當目標爐號的動作含義為"裝煤餅"時c =K2/P (l — 2)
式中K2 —推焦裝煤車的託煤板與推焦杆中心距(常數，隨)； 當目標爐號動作含義為"掛爐門"時c =K3/P (l — 3)
式中K3 = (Kl+K2);
對於"爐前操作"，速度圖中的b點有如下關係
b = c-klO/P ( l — 4 )
式中k10 =自由滑行距(常數，mm); 對於"爐前操作"，速度圖中的a點有如下關係 a = c-b-(kll+k12) /P ( 1 — 5 )
式中kll=0.5x (VlxVl-V2xV2) /a2 (mm)，化12=爬行距(常數， mm ) 5
對於"非爐前操作"，速度圖中的a、 b、 c三點有如下關係 c = ( k20+K x l+A 1 ) / p ( 2—1 )
式中k20—裝煤搗固機中心與相鄰最近一孔碳化室中心距(常數， 腿)，k一碳化室個數，l一相鄰碳化室中心距(常數，mm) ， △ l一偏差 修正值(mm) ， P—脈衝當量(常數，mm/脈衝)；
b = c-klO/P (2 — 2)
式中klO =自由滑行距(常數，mm);
a = c-b-(kll + k12) /P ( 2—3 )
式中kll=0.5x (VlxVl-V2xV2) /a2 (mm), kl2-爬行距(常數， mm ) ，
通過式(l一l， 2， 3, 4， 5)和式(2 — 1, 2， 3)可以得出按給定的 速度圖運行時的控制參數a， b， c。這些參數是每次動作的控制依據，在 推焦裝煤車啟動前存入指定單元。可編程序控制器PLC和工控機GK都含 有微處理器，其強大的計算功能和處理速度，可以勝任上述計算和預置過 程。
參數a、 b、 c,本質上都是以脈衝量表示的行程。編碼器BM是信號反 饋單元，與驅動電機M同軸連接。將推焦裝煤車的行程轉變為對應的脈衝 信號，輸入到可編程序控制器PLC的高速計數器。因而編碼器BM輸出的 脈衝，對應著推焦裝煤車實際行程。BM輸出的脈衝信號進入高速計數器以 後，當高速計數器的當前值-a時，PLC通過中斷會發出一個信號，這個信 號就是減速信號；當高速計數器的當前值4時，PLC通過中斷可發出一個
信號，這個信號就是自由滑行信號。這樣，通過高速計數的中斷條件設置。 可以得到了控制所需的減速信號，自由滑行信號。參數C所代表的行程， 是準確停車位置，是對位控制成敗的關鍵。由於編碼器BM同機械同軸連
接，在電機驅動下編碼器BM無法克服推焦裝煤車打滑帶來的誤差。為此，
釆用機器視覺技術來解決準確停車這一問題。
機器視覺是研究用計算機來模擬生物宏觀視覺功能的科學和技術。通
俗地說，就是用機器代替人眼來做測量和判斷。當PLC發出自由滑行命令 以後，驅動單元變頻器BP處於斷電狀態，裝煤推焦車依靠慣性滑行；此
時啟動機器視覺控制器，在自由滑行段機器視覺控制器就開始自動分析輸 入的圖像，當圖像"位置"到達定義區域即碳化室中心線或裝煤搗固機中 心線位置時，機器視覺發出一個數位訊號，這個信號就是停車信號。電液
鬧YZ作為停車執行單元，其制動力施加在驅動軸上。它接受可編程序控 制器PLC發來的停車指令，進行抱閘停車動作。
其實編碼器的基本輸出有A, B, Z三路，其中Z路脈衝作為零位參考， A、 B路脈衝相位差90° ,作為判斷旋轉方向使用。在本發明中沒有按常 規使用，而是把A、 B路脈衝均作為行程的輸入信號對待。編碼器的A、 B 路脈衝，分別輸入高速計數器HS1和HS2。定義HS1的內容代表參數a, HS2 的內容代表參數b。由於編碼器的A、 B路脈衝相位差90。，正反轉會帶 來一個脈衝的偏差，這個偏差僅為行程偏差，在自由滑行段會自動消除。 並不影響機器視覺定位精度。機器視覺定位精度主要取決於預設的圖像特 徵容許度，其特點是自動化、客觀、非接觸和高精度。
在本發明的優選實施方式中，為了計算中減少炭化室中心距的非線性 分布影響，解決減速箱齒輪間隙、電液閘動作滯後帶來的偏差問題，計算 時釆用內置偏差表補償的辦法。根據輸入的目標爐號數，通過查表，得到 對應的補償偏差值，從而確定參數c值。確定了 c值，進而可確定a、 b 值。現場調試也只限於調整偏差表。這種查表法，適應性強，佔用時間最 短，是控制策略中最快的方法。
圖4是本發明優選方式的整體控制流程圖。本發明中，在編定的爐號 數字中，除了 "推焦"、"裝煤餅"、"掛爐門"和搗鼓機中心線位(可 視為控制系統的零位，設定為"0"號)為特殊號外，其餘爐號均分別代 表一個碳化室。代表碳化室的爐號分為兩半， 一半在零位的左側， 一半在 零位的右側。通過邏輯判斷來確定動作的方向。以102孔碳化室焦爐為例，
其中51孔碳化室分布在搗鼓機中心線位(零位)左側，另外51孔布置在
右側。焦爐碳化室從最左側按自然數從l開始依次編排。當裝煤推焦車運
動停止後，若當前爐號為"0"號，目標爐號也變為"0"號時，表示裝煤 推焦車停在零位，可以進行裝煤、搗制煤餅這個動作。完成這一動作後， 應向目標碳化室運動，此時只需輸入目標爐號即可。例如輸入爐號"18"， 由於目標爐號為"18"，當前爐號為"0",目標爐號^當前爐號，可以 得到判據一一 "非爐前操作"；由18《51,得到判據一一 "裝煤推焦車在 零位左側工作"；(當前爐號-目標爐號) Smax ，可判 定按五段速度圖運行(反之，按四段速度圖運行)。上述的判斷、計算為 本次動作準備好條件。當點擊啟動鈕，裝煤推焦車就會按a、 b、 c參數限 定的速度圖運行，最後停在18號碳化室中心線位置。同時，當前爐號自 動變為18,完成一次對位動作。由於目標爐號為"18"，當前爐號為"18", 目標爐號=當前爐號，得到判據一一 "爐前操作"。根據這個判據，當目 標爐號依次輸入"推焦"，"裝煤"，""掛爐門"所代表的數字。由於 "裝煤推焦車在零位左側工作"，所以裝煤推焦車依次執行左行對位，再 左行對位，之後右行對位這樣三次對位動作。這三次對位過程中，目標爐 號和當前爐號均為"18"。當執行完爐前操作後，目標爐號再輸入"0"。 由於，當前爐號為"18"，目標爐號變為"0"，目標爐號^當前爐號， 得到判據一一 "非爐前操作"；(當前爐號-目標爐號)〉0,則裝煤推焦 車向右運動。行程的碳化室個數k=51-18=33,可以確定參數a、 b、 c;啟 動後，裝煤推焦車右行返回零位，目標爐號和當前爐號又均為"0""， 準備開始下一個工作循環。
最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制， 儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當 理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技 術方案的精神和範圍。
權利要求
1.一種基於機器視覺技術的推焦裝煤車自動對位控制方法，其特徵在於，包括如下步驟(a)設定目標對位區域對焦爐每孔碳化室按自然數統一進行爐號編排，對幾個特殊的對位動作如「推焦」、「裝煤餅」、「掛爐門」按特殊數字編號，且將相應爐號狀態信息顯示於人機界面的顯示器上以便操作；(b)選定速度運行方式將目標爐號與當前爐號相關信息進行比較，選擇相適應的速度運行方式並確定運行過程中的相關參數；(c)按照選定速度運行方式和相關參數進行運行；(d)啟動機器視覺裝置進行停車操作完成對位在進入自由滑行速度段後啟動機器視覺控制器確定準確停車位置，完成對位。
2. 按照權利要求1所述的基於機器視覺技術的推焦裝煤車自動對 位控制方法，其特徵在於(b)步驟所述的速度運行方式包括五段速 度運行方式和四段速度運行方式，即加速—等速—減速—低速爬行—自由 滑行五個速度段和加速—減速—低速爬行一 自由滑行四個速度段；根據四段速度運行圖確定一個最大行程Smax，當目標行程距〉Smax 時，釆用五段速度圖運行；當目標行程距《Smax時，釆用四段速度圖運行。
3. 按照權利要求2所述的基於機器視覺技術的推焦裝煤車自動對 位控制方法，其特徵在於(b)步驟所述的速度運行方式中變頻器六 個參數中的變量參數減少至一個或兩個，將其餘的參數設定為常數。
4. 按照權利要求3所述的基於機器視覺技術的推焦裝煤車自動對 位控制方法，其特徵在於(b)步驟所述的速度運行方式中變頻器的 數字控制輸入分三位進行設定，DN1設置為"正向啟/停"，DN2設置為"反 向啟/停"，DN3設置為"最高速度運行"。
5. 按照權利要求4所述的基於機器視覺技術的推焦裝煤車自動對 位控制方法，其特徵在於(b)步驟所述的速度運行方式中確定相關 參數值時，將"推焦"、"裝煤餅"、"掛爐門"這三個動作所代表的數 字定義為"爐前操作"，除此以外的數字定義為"非爐前操作"。
6. 按照權利要求l或2或3所述的基於機器視覺技術的推焦裝煤車自動對位控制方法，其特徵在於(c)步驟所述的按照選定速度運 行方式和相關參數進行運行的過程中，關鍵在確定減速點a、自由滑行 點b、抱閘停車點c三個點的控制信號。
7. 按照權利要求l所述的基於機器視覺技術的推焦裝煤車自動對 位控制方法，其特徵在於(c)步驟所述的按照選定速度運行方式和 相關參數進行運行的過程中，編碼器的A、 B路脈衝均作為行程的輸入 信號，分別輸入可編程序控制器的高速計數器HS1和HS2,其中定義HS1 的內容代表參數a， HS2的內容代表參數b。
8. 按照權利要求1所述的基於機器視覺技術的推焦裝煤車自動對 位控制方法，其特徵在於(c)步驟所述的按照選定速度運行方式和 相關參數進行運行的過程中，當可編程序控制器發出自由滑行命令以 後，驅動單元變頻器處於斷電狀態，裝煤推焦車依靠慣性滑行，此時啟動 機器視覺控制器，確定參數c值。
9. 按照權利要求8所述的基於機器視覺技術的推焦裝煤車自動對 位控制方法，其特徵在於(d)步驟所述的啟動機器視覺裝置進行 停車操作完成對位中，當對位準確需停車時，由可編程序控制器直接 向電液閘輸出 一個停車控制信號。
10. 按照權利要求1所述的基於機器視覺技術的推焦裝煤車自動對位 控制方法，其特徵在於採用內置偏差表補償的辦法，根據輸入的目標爐 號數，通過查表，計算得到對應的補償偏差值，確定參數c值，進而可確 定a、 b值，現場調試也只限於調整偏差表。
全文摘要
本發明涉及一種基於機器視覺技術的推焦裝煤車自動對位控制方法，其主要包括以下四個步驟設定目標對位區域對焦爐每孔碳化室按自然數統一進行爐號編排，對幾個特殊的對位動作按特殊數字編號，且將相應爐號狀態信息顯示於人機界面的顯示器上以便操作；選定速度運行方式將目標爐號與當前爐號相關信息進行比較，選擇相適應的速度運行方式並確定運行過程中的相關參數；按照選定速度運行方式和相關參數進行運行；啟動機器視覺裝置進行停車操作完成對位在進入自由滑行速度段後啟動機器視覺控制器確定準確停車位置完成對位。運用此方法不但可以簡化結構、提高控制水平和資源利用率，而且能夠實現高精度對位。
文檔編號G05D3/20GK101109960SQ20071001826
公開日2008年1月23日 申請日期2007年7月13日 優先權日2007年7月13日
發明者王普舟 申請人:中煤西安設計工程有限責任公司