CN101109960A - 基于机器视觉技术的推焦装煤车自动对位控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于机器视觉技术的推焦装煤车自动对位控制方法，其主要包括以下四个步骤：设定目标对位区域：对焦炉每孔碳化室按自然数统一进行炉号编排，对几个特殊的对位动作按特殊数字编号，且将相应炉号状态信息显示于人机界面的显示器上以便操作；选定速度运行方式：将目标炉号与当前炉号相关信息进行比较，选择相适应的速度运行方式并确定运行过程中的相关参数；按照选定速度运行方式和相关参数进行运行；启动机器视觉装置进行停车操作完成对位：在进入自由滑行速度段后启动机器视觉控制器确定准确停车位置完成对位。运用此方法不但可以简化结构、提高控制水平和资源利用率，而且能够实现高精度对位。

Description

基于机器视觉技术的推焦装煤车自动对位控制方法

技术领域

本发明涉及工业自动化控制领域，特别是一种基于机器视觉技术的推焦装煤车自动对位控制方法，可实现高精度的自动对位。

背景技术

目前，侧装煤焦炉是国内目前较为流行的一种炉型，对于该炉型，在生产过程中必须使用推焦装煤车。推焦装煤车在焦炉一侧沿轨道水平运动，循环完成捣制煤饼、摘炉门、推焦、装煤饼、挂炉门五个动作。在这个循环中，推焦装煤车需要移动五次，做五次对位。其中四次要对准需要出焦的焦炉碳化室中心线，一次对准装煤捣固机中心线。对位的准确与否，直接影响着生产效率、设备安全和焦炉碳化室的使用寿命。

目前国内制造的推焦装煤车，仅达到行走部分采用变频驱动，由司机通过主令控制器改变行走速度，最后进行人工目测对位。这种对位的精度，取决于司机工作的熟练程度。其工作效率低，劳动强度大，还常会发生推焦杆或托煤板刮、蹭碳化室壁，损伤炉壁的事故；或发生捣固锤砸煤槽侧壁，损伤设备的事故。

在2006年3月22日公开的发明专利申请CN1749357A中提出一种焦炉机械炉号识别及自动对位系统及其相对应的一套自动对位方法，其采用了二进制编码技术、PLC中断技术、变频器矢量闭环控制技术、以太网通讯技术、数据总线技术等等，提高了工业自动化控制水平，提高了生产效率。但是在该系统中也存在以下不足：1、因主要采用编码器进行粗对位，使用码盘进行细对位，本身就存在一定的容差范围；2、焦炉一般由多孔相互隔离密封的碳化室组成，在1300℃炉温下，由于施工和热膨胀的不均匀性，碳化室的中心距各不相同，呈非线性分布，增加了距离控制的难度；3、推焦装煤车体积大、质量大，以4.3M焦炉为例，其自重400多吨，装煤后更重，行走过程中的惯量很大，造成定位困难；4、震动、烟尘等外界不利因素影响，码盘不能正常工作，也会影响对位精度；5、减速箱齿轮间隙和电液闸动作的延时也会带来停车误差等这些因素都对准确自动对位的实现带来了难度。因而对其进行改进，提高对位精度非常有必要。而采用机器视觉技术进行推焦装煤车的自动对位控制，在国内尚属首例。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种一种基于机器视觉技术的推焦装煤车自动对位控制方法，可实现高精度的自动对位。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于机器视觉技术的推焦装煤车自动对位控制方法，其包括如下步骤：

(a)设定目标对位区域：对焦炉每孔碳化室按自然数统一进行炉号编排，对几个特殊的对位动作如“推焦”、“装煤饼”、“挂炉门”按特殊数字编号，且将相应炉号状态信息显示于人机界面的显示器上以便操作；

(b)选定速度运行方式：将目标炉号与当前炉号相关信息进行比较，选择相适应的速度运行方式并确定运行过程中的相关参数；

(c)按照选定速度运行方式和相关参数进行运行；

(d)启动机器视觉装置进行停车操作完成对位：在进入自由滑行速度段后启动机器视觉控制器确定准确停车位置完成对位。

在本发明中，(b)步骤所述的速度运行方式具体包括五段速度运行方式和四段速度运行方式，即加速→等速→减速→低速爬行→自由滑行五个速度段和加速→减速→低速爬行→自由滑行四个速度段；首先根据四段速度运行图确定一个最大行程Smax，当目标行程距＞Smax时，采用五段速度图运行；当目标行程距≤Smax时，采用四段速度图运行。

作为本发明的一种优选实施方式，对于(b)步骤所述的速度运行方式中变频器六个参数中的变量参数应减少至一个或两个，将其余的参数设定为常数。

在对上述运行过程中的参数进行设定的同时，应配合变频器的数字控制输入信号，实现按给定的速度图运行。而在该优选实施方式中，(b)步骤所述的速度运行方式中变频器的数字控制输入分三位进行设定，其中DN1设置为“正向启/停”，DN2设置为“反向启/停”，DN3设置为“最高速度运行”。

同时在(b)步骤所述的速度运行方式中确定相关参数值时，将“推焦”、“装煤饼”、“挂炉门”这三个动作所代表的数字定义为“炉前操作”，除此以外的数字定义为“非炉前操作”。

从数字控制的角度分析，在本发明的优选实施方式中，(c)步骤所述的按照选定速度运行方式和相关参数进行运行的过程中，关键在于确定减速点a、自由滑行点b、抱闸停车点c三个点的控制信号。

编码器的A、B路脉冲均作为行程的输入信号，分别输入可编程序控制器PLC的高速计数器HS1和HS2，其中定义HS1的内容代表参数a，HS2的内容代表参数b。当可编程序控制器发出自由滑行命令以后，驱动单元变频器处于断电状态，装煤推焦车依靠惯性滑行，此时启动机器视觉控制器。这样可以提高控制水平和资源利用率，减少计算量。

参数c所代表的行程，是准确停车位置，(d)步骤所述的启动机器视觉装置进行停车操作完成对位中，主要是利用机器视觉技术确定参数c值。

作为本发明的另一种优选实施方式，(d)步骤所述的启动机器视觉装置进行停车操作完成对位中，当对位准确需停车时，由可编程序控制器直接向电液闸输出一个停车控制信号。

作为本发明的又一种优选实施方式，在计算过程中采用内置偏差表补偿的办法，根据输入的目标炉号数，通过查表，计算得到对应的补偿偏差值，确定参数c值，进而可确定a、b值，现场调试也只限于调整偏差表。

本发明所达到的有益效果是：1、速度运行图的设定中，低速爬行段的设定降低了动量的影响，而自由滑行段进一步减小惯性，之后抱闸，减少了对变频器功率器件的电流冲击，使推焦装煤车平稳、准确地停下来。2、采用行程控制+机器视觉定位的控制策略得到控制信号，可消除行程过程中积累的偏差、克服车打滑带来的误差因素等带来的影响，既实现了高精度对位，也提升了控制装置的技术水平。3、充分利用变频器工作所必需的参数输入，构建一个实用的速度图，把多变量问题简化为单变量问题，控制系统不需要另外再设置函数发生器。变频器资源利用率高，简化了控制系统的软、硬件资源，降低了装置的造价，提升了市场竞争力。4、机器视觉单独处理图像信号，输出的数字信号直接作用于PLC，人机界面也单独享用工控机的微处理器，本装置形成一个多处理器协调工作的系统。控制快速可靠，扩展余量大。5、查表法补偿偏差，占用的软、硬件资源少，运行速度快。调试工作以软件为主，方便快捷。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是基于机器视觉技术的推焦装煤车自动对位装置的硬件电路原理图。

图2是推焦装煤车在软件控制下的五段速度运行图。

图3是推焦装煤车在软件控制下的四段速度运行图。

图4是本发明的优选实施方式的整体控制流程图。

附图标记说明：

1-带高速计数器的可编  2-变频器BP；        3-推焦装煤车；

程序控制器PLC；

4-工控机GK；          5-显示器XS；        6-编码器BM；

7-视频传感器SP；      8-机器视觉控制器SK；9-行走电机M；

10-电液闸YZ；

具体实施方式

图1是基于机器视觉技术的推焦装煤车自动对位装置的硬件电路原理图。

首先对焦炉每孔碳化室按自然数统一进行炉号编排。对几个特殊的对位动作：“推焦”、“装煤饼”、“挂炉门”按特殊数字编号。所有编号应具有唯一性，避免混淆。同时在人机界面的显示器上设有目标炉号和当前炉号显示栏，另外设有目标炉号和当前炉号修正对话框。工作中，若推焦装煤车停在某碳化室中心线位置，目标炉号和当前炉号显示数字会变为一致，表示停车位置正常。点击目标炉号修正对话框，输入要去的炉位号，然后按启动钮，推焦装煤车在软件控制下开始运行。

第二步推焦装煤车在软件控制下按给定速度图运行，是准确对位的关键。图2是推焦装煤车在软件控制下的五段速度运行图，其中包括加速→等速→减速→低速爬行→自由滑行五个速度段。图3是推焦装煤车在软件控制下的四段速度运行图，其中包括加速→减速→低速爬行→自由滑行四个速度段。

推焦装煤车运行过程中设定有一个行走速度(设计决定，一般92m/min左右)，在控制系统确定了加、减速度值以后，上述四段速度运行图会有一个最大行程Smax。当目标行程距＞Smax时，采用五段速度图运行；当目标行程距≤Smax时，采用四段速度图运行，这个判据在PLC中实现。在人机界面上输入目标炉号的数字后，该数据通过通信总线传输到PLC，PLC按照炉号编排规律对数据进行判断，确定该数据代表的动作含义和行程，根据行程确定本次动作的运行速度图。

每次动作所要采用的速度图，都涉及以下六个参数：加速度a1，等速度v1，减速度a2，爬行速度v2，行程s和时间t。为了实现控制，可以按控制对象惯量大小把上述六个参数中的a1、v1、a2、v2设为常数，使变量参数减少至一个或两个，这样针对单变量的控制既简单，所用控制部件又少，也简化了软件编制工作量。具体做法是利用变频器的参数设定，(这项设定在手动控制对位中，也是必须的)，把a1、v1、a2、v2变为常量。其中，变频器参数“斜坡上升时间”对应速度图中的加速度a1，“最高运行频率”对应速度图的等速度v1，“斜坡下降时间”对应减速度a2，“最低工作频率”对应爬行速度v2。将变频器数字控制输入点DN1设置为“正向启/停”，DN2设置为“反向启/停”，DN3设置为“最高速度运行”。参数设定结束后，配合变频器的数字控制输入为“101”时，变频器进行“正向启动加速-高速运行”；控制输入变为“100”时，变频器变为“正向启动减速-低速运行”；控制输入变为“000”时，变频器处于“停止工作-滑行”状态。与之相对应地，控制输入为“001”、“010”、“000”时，变频启对应的动作是“反向启动加速-高速运行”、“反向启动减速-低速运行”、“停止工作-滑行”，这样就实现了按给定的速度图运行。

从数字控制的角度分析，要按给定速度图运行，关键是要确定速度图中的几个点：减速点a，自由滑行点b，抱闸停车点c。只有得出这三个点的控制信号，控制过程才能实现。在本发明中，把“推焦”、“装煤饼”、“挂炉门”这三个动作所代表的数字定义为“炉前操作”，除此以外的数字定义为“非炉前操作”。

对于“炉前操作”，速度图中的c点有如下关系：

当目标炉号的动作含义为“推焦”时：c＝K1/P    (1-1)

式中：K1-推焦装煤车的推焦杆与拧螺丝机中心距(常数，mm)，P-脉冲当量(常数，mm/脉冲)；

当目标炉号的动作含义为“装煤饼”时：c＝K2/P  (1-2)

式中：K2-推焦装煤车的托煤板与推焦杆中心距(常数，mm)；

当目标炉号动作含义为“挂炉门”时：c＝K3/P    (1-3)

式中：K3＝(K1+K2)；

对于“炉前操作”，速度图中的b点有如下关系：

b＝c-k10/P                (1-4)

式中：k10＝自由滑行距(常数，mm)；

对于“炉前操作”，速度图中的a点有如下关系：

a＝c-b-(k11+k12)/P        (1-5)

式中：k11＝0.5×(V1×V1-V2×V2)/a2(mm)，k12＝爬行距(常数，mm)；

对于“非炉前操作”，速度图中的a、b、c三点有如下关系：

c＝(k20+K×1+Δ1)/P       (2-1)

式中：k20-装煤捣固机中心与相邻最近一孔碳化室中心距(常数，mm)，k-碳化室个数，1-相邻碳化室中心距(常数，mm)，Δ1-偏差修正值(mm)，P-脉冲当量(常数，mm/脉冲)；

b＝c-k10/P                (2-2)

式中：k10＝自由滑行距(常数，mm)；

a＝c-b-(k11+k12)/P        (2-3)

式中：k11＝0.5×(V1×V1-V2×V2)/a2(mm)，k12＝爬行距(常数，mm)；

通过式(1-1，2，3，4，5)和式(2-1，2，3)可以得出按给定的速度图运行时的控制参数a，b，c。这些参数是每次动作的控制依据，在推焦装煤车启动前存入指定单元。可编程序控制器PLC和工控机GK都含有微处理器，其强大的计算功能和处理速度，可以胜任上述计算和预置过程。

参数a、b、c，本质上都是以脉冲量表示的行程。编码器BM是信号反馈单元，与驱动电机M同轴连接。将推焦装煤车的行程转变为对应的脉冲信号，输入到可编程序控制器PLC的高速计数器。因而编码器BM输出的脉冲，对应着推焦装煤车实际行程。BM输出的脉冲信号进入高速计数器以后，当高速计数器的当前值＝a时，PLC通过中断会发出一个信号，这个信号就是减速信号；当高速计数器的当前值＝b时，PLC通过中断可发出一个信号，这个信号就是自由滑行信号。这样，通过高速计数的中断条件设置。可以得到了控制所需的减速信号，自由滑行信号。参数c所代表的行程，是准确停车位置，是对位控制成败的关键。由于编码器BM同机械同轴连接，在电机驱动下编码器BM无法克服推焦装煤车打滑带来的误差。为此，采用机器视觉技术来解决准确停车这一问题。

机器视觉是研究用计算机来模拟生物宏观视觉功能的科学和技术。通俗地说，就是用机器代替人眼来做测量和判断。当PLC发出自由滑行命令以后，驱动单元变频器BP处于断电状态，装煤推焦车依靠惯性滑行；此时启动机器视觉控制器，在自由滑行段机器视觉控制器就开始自动分析输入的图像，当图像“位置”到达定义区域即碳化室中心线或装煤捣固机中心线位置时，机器视觉发出一个数字信号，这个信号就是停车信号。电液闸YZ作为停车执行单元，其制动力施加在驱动轴上。它接受可编程序控制器PLC发来的停车指令，进行抱闸停车动作。

其实编码器的基本输出有A，B，Z三路，其中Z路脉冲作为零位参考，A、B路脉冲相位差90°，作为判断旋转方向使用。在本发明中没有按常规使用，而是把A、B路脉冲均作为行程的输入信号对待。编码器的A、B路脉冲，分别输入高速计数器HS1和HS2。定义HS1的内容代表参数a，HS2的内容代表参数b。由于编码器的A、B路脉冲相位差90°，正反转会带来一个脉冲的偏差，这个偏差仅为行程偏差，在自由滑行段会自动消除。并不影响机器视觉定位精度。机器视觉定位精度主要取决于预设的图像特征容许度，其特点是自动化、客观、非接触和高精度。

在本发明的优选实施方式中，为了计算中减少炭化室中心距的非线性分布影响，解决减速箱齿轮间隙、电液闸动作滞后带来的偏差问题，计算时采用内置偏差表补偿的办法。根据输入的目标炉号数，通过查表，得到对应的补偿偏差值，从而确定参数c值。确定了c值，进而可确定a、b值。现场调试也只限于调整偏差表。这种查表法，适应性强，占用时间最短，是控制策略中最快的方法。

图4是本发明优选方式的整体控制流程图。本发明中，在编定的炉号数字中，除了“推焦”、“装煤饼”、“挂炉门”和捣鼓机中心线位(可视为控制系统的零位，设定为“0”号)为特殊号外，其余炉号均分别代表一个碳化室。代表碳化室的炉号分为两半，一半在零位的左侧，一半在零位的右侧。通过逻辑判断来确定动作的方向。以102孔碳化室焦炉为例，其中51孔碳化室分布在捣鼓机中心线位(零位)左侧，另外51孔布置在右侧。焦炉碳化室从最左侧按自然数从1开始依次编排。当装煤推焦车运动停止后，若当前炉号为“0”号，目标炉号也变为“0”号时，表示装煤推焦车停在零位，可以进行装煤、捣制煤饼这个动作。完成这一动作后，应向目标碳化室运动，此时只需输入目标炉号即可。例如输入炉号“18”，由于目标炉号为“18”，当前炉号为“0”，目标炉号≠当前炉号，可以得到判据——“非炉前操作”；由18≤51，得到判据——“装煤推焦车在零位左侧工作”；(当前炉号-目标炉号)＜0，则装煤推焦车运动方向是向左运动(确定了变频电机旋转方向的指令)；总行程的碳化室个数k＝51-18＝33，通过计算就可以确定参数a、b、c；通过c＞Smax，可判定按五段速度图运行(反之，按四段速度图运行)。上述的判断、计算为本次动作准备好条件。当点击启动钮，装煤推焦车就会按a、b、c参数限定的速度图运行，最后停在18号碳化室中心线位置。同时，当前炉号自动变为18，完成一次对位动作。由于目标炉号为“18”，当前炉号为“18”，目标炉号＝当前炉号，得到判据——“炉前操作”。根据这个判据，当目标炉号依次输入“推焦”，“装煤”，““挂炉门”所代表的数字。由于“装煤推焦车在零位左侧工作”，所以装煤推焦车依次执行左行对位，再左行对位，之后右行对位这样三次对位动作。这三次对位过程中，目标炉号和当前炉号均为“18”。当执行完炉前操作后，目标炉号再输入“0”。由于，当前炉号为“18”，目标炉号变为“0”，目标炉号≠当前炉号，得到判据——“非炉前操作”；(当前炉号-目标炉号)＞0，则装煤推焦车向右运动。行程的碳化室个数k＝51-18＝33，可以确定参数a、b、c；启动后，装煤推焦车右行返回零位，目标炉号和当前炉号又均为“0”“，准备开始下一个工作循环。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于机器视觉技术的推焦装煤车自动对位控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(a)设定目标对位区域：对焦炉每孔碳化室按自然数统一进行炉号编排，对几个特殊的对位动作如“推焦”、“装煤饼”、“挂炉门”按特殊数字编号，且将相应炉号状态信息显示于人机界面的显示器上以便操作；

(b)选定速度运行方式：将目标炉号与当前炉号相关信息进行比较，选择相适应的速度运行方式并确定运行过程中的相关参数；

(c)按照选定速度运行方式和相关参数进行运行；

(d)启动机器视觉装置进行停车操作完成对位：在进入自由滑行速度段后启动机器视觉控制器确定准确停车位置，完成对位。

2.按照权利要求1所述的基于机器视觉技术的推焦装煤车自动对位控制方法，其特征在于：(b)步骤所述的速度运行方式包括五段速度运行方式和四段速度运行方式，即加速→等速→减速→低速爬行→自由滑行五个速度段和加速→减速→低速爬行→自由滑行四个速度段；

根据四段速度运行图确定一个最大行程Smax，当目标行程距＞Smax时，采用五段速度图运行；当目标行程距≤Smax时，采用四段速度图运行。

3.按照权利要求2所述的基于机器视觉技术的推焦装煤车自动对位控制方法，其特征在于：(b)步骤所述的速度运行方式中变频器六个参数中的变量参数减少至一个或两个，将其余的参数设定为常数。

4.按照权利要求3所述的基于机器视觉技术的推焦装煤车自动对位控制方法，其特征在于：(b)步骤所述的速度运行方式中变频器的数字控制输入分三位进行设定，DN1设置为“正向启/停”，DN2设置为“反向启/停”，DN3设置为“最高速度运行”。

5.按照权利要求4所述的基于机器视觉技术的推焦装煤车自动对位控制方法，其特征在于：(b)步骤所述的速度运行方式中确定相关参数值时，将“推焦”、“装煤饼”、“挂炉门”这三个动作所代表的数字定义为“炉前操作”，除此以外的数字定义为“非炉前操作”。

6.按照权利要求1或2或3所述的基于机器视觉技术的推焦装煤车自动对位控制方法，其特征在于：(c)步骤所述的按照选定速度运行方式和相关参数进行运行的过程中，关键在确定减速点a、自由滑行点b、抱闸停车点c三个点的控制信号。

7.按照权利要求1所述的基于机器视觉技术的推焦装煤车自动对位控制方法，其特征在于：(c)步骤所述的按照选定速度运行方式和相关参数进行运行的过程中，编码器的A、B路脉冲均作为行程的输入信号，分别输入可编程序控制器的高速计数器HS1和HS2，其中定义HS1的内容代表参数a，HS2的内容代表参数b。

8.按照权利要求1所述的基于机器视觉技术的推焦装煤车自动对位控制方法，其特征在于：(c)步骤所述的按照选定速度运行方式和相关参数进行运行的过程中，当可编程序控制器发出自由滑行命令以后，驱动单元变频器处于断电状态，装煤推焦车依靠惯性滑行，此时启动机器视觉控制器，确定参数c值。

9.按照权利要求8所述的基于机器视觉技术的推焦装煤车自动对位控制方法，其特征在于：(d)步骤所述的启动机器视觉装置进行停车操作完成对位中，当对位准确需停车时，由可编程序控制器直接向电液闸输出一个停车控制信号。

10.按照权利要求1所述的基于机器视觉技术的推焦装煤车自动对位控制方法，其特征在于：采用内置偏差表补偿的办法，根据输入的目标炉号数，通过查表，计算得到对应的补偿偏差值，确定参数c值，进而可确定a、b值，现场调试也只限于调整偏差表。

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