CN104549703A - 一种矿用破碎机智能调速的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用破碎机智能调速的方法及系统，方法的第一步：在破碎机入料口的上方安装两个摄像仪，摄像仪I朝向破碎机入料口，摄像仪II安装在与摄像仪I同一水平面上且与摄像仪I的拍摄方向垂直；第二步：摄像仪采集视频图像，并进行图像处理；第三步：利用两个摄像仪检测出的矿石的三维边缘，计算出当前时刻矿石的总质量；第四步：通过实验获得矿石质量与电机转速相适应的特性曲线，并将确定的逻辑判断方法输入PLC控制器；第五步：控制器根据矿石质量所在的范围自动调节破碎机的电机转速。本发明通过两个摄像仪得到入料矿石总质量，使之与最低转速相适应，保证破碎机在满足其工作需求的前提下，实现能耗最低，提高其使用寿命。

Description

一种矿用破碎机智能调速的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种矿用破碎机智能调速的方法，属于矿用机械监测技术领域。

背景技术

矿用破碎机主要对各类石料进行破碎作业，可以广泛运用于矿山、冶炼、建材、公路、铁路、水利和化学工业等众多部门；矿用破碎机是将原矿破碎到磨矿工艺所要求的粒度从而使有用矿物达到单体分离。

目前矿用破碎机一般与筛分机构配合使用，原矿首先经过差分机构初步筛选煤块的大小，体积较小的原矿直接传送到装载机，体积较大的则需要先经过破碎机破碎之后再传送到装载机。由于每个时刻达到破碎机的原矿大小质量不一，需要将破碎机时刻运行在高速状态下以满足破碎需求，不仅运行功率高，耗能严重，还会使破碎机磨损速度加快，降低其使用寿命。

现有技术中为了控制输入破碎机的原矿质量，通过电子皮带秤调节喂料机的速度和主电机的转速，但是由于矿井中粉尘较大、易燃易爆，需要具有密封性能好、防静电的电子皮带秤，同时恶劣的环境下难以保证电子秤的精度，因此不适用于矿井下控制破碎机的原矿质量。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种矿用破碎机智能调速的方法，可以在矿井下自动调节破碎机的工作频率，在满足破碎机工作需求的前提下，使破碎机的能耗最低，提高破碎机的使用寿命。

为了实现上述目的所采用的方法步骤如下：

第一步：在破碎机入料口的上方安装两个摄像仪，摄像仪I朝向破碎机入料口，摄像仪II安装在与摄像仪I同一水平面上且与摄像仪I的拍摄方向垂直；

第二步：两个摄像仪同时采集视频图像，并进行图像处理；

第三步：利用两个摄像仪检测出的矿石的三维边缘，计算出当前时刻矿石的总质量；

第四步：通过实验获得矿石质量与电机转速相适应的特性曲线，并将确定的逻辑判断方法输入PLC控制器；

第五步：PLC控制器根据矿石质量所在的范围自动调节破碎机的电机转速。

第二步的图像处理步骤如下：(1)将摄像仪获取的连续视频图像，按照等时间间隔截取JPG格式的彩色图片图像，再通过RGB红绿蓝三色图像处理方法，将彩色图像转换成灰色图像；

(2)采用自适应平滑滤波方式对图像进行去噪处理；

(3)采用Sobel算子对图像进行边缘检测，获得梯度幅值；

(4)对获取的梯度幅值进行阀值判断，识别出图像的边缘点集合；

(5)使用图像细化算法对图像再次进行处理。

第三步中计算矿石总质量的步骤如下：(1)将所摄取的瞬时图像转换成XYZ三维坐标系中的三维图像，并将该三维图像沿着Z轴方向等分成1000份；

(2)设该三维图像在Z轴方向的最高点坐标为Z₁，最低点坐标为Z₂，最高点与最低点的差值为H，则等分之后，每份的距离为H/1000，当Z＝Z₂时，根据事先获取的三维图像，图像在X轴与Y轴方向最大值与最小值之间的差值分别为X₁、Y₁，在该段高度内可近似为长方体，体积为V₁＝HX₁Y₁/1000，同样的方法得到V₂，V₃....V₁₀₀₀，总体积为V_Z＝V₁+V₂+V₃+...+V₁₀₀₀；

(3)以同样的方法对X、Y方向进行1000等分，获取体积V_X、V_Y，最终的体积为V＝(V_X+V_Y+V_Z)/3；

(4)根据图上尺寸与实际尺寸之间的关系，确定比例系数为，矿石松散密度为ρ，则当前破碎机上矿石总质量为:

第四步中的获取特性曲线的实验方法如下：根据破碎机的负载特性，获得负载0L-1.2L范围内矿石质量与电机转速之间的关系，负载由小到大分为24份，每份递增5％，0.05L、0.1L、0.15L...1.15L、1.2L，实验得出满足当前负载条件下破碎机所对应的最低转速分别为v₁、v₂、v₃...v₂₃、v₂₄，由此获得负载与转速之间的特性曲线，曲线上的24个实验数据点依次为，(0.05L,v₁)、(0.1L,v₂)、(0.15L,v₃)...(1.15L,v₂₃)、(1.2L,v₂₄)。

第五步中调节破碎机电机的转速，是通过调节安装在破碎机电机上的变频器来控制。

摄像仪I和摄像仪II均为防爆网络摄像仪。

一种矿用破碎机智能调速系统，负载加载到破碎机模块，摄像仪模块将破碎机模块上的负载情况输送至控制器模块，控制器模块根据设定的程序调整变频器模块。

PLC控制器根据预先设定的程序判断矿石的总质量与当前的电机速度是否相匹配，如果矿石的质量过大，则进行报警处理；如果矿石质量没有过载且和当前电机速度不匹配，则通过调节变频器的频率来控制电机速度从而控制破碎机的功率。本发明通过垂直布置的两个摄像仪全方位拍摄入料口处的矿石，得到入料矿石的总质量，不改变破碎机原有机电系统，同时保证数据的准确可靠，保证破碎机在满足其工作需求的前提下，实现能耗最低。

附图说明

图1是两个摄像仪的布置图；

图2是矿石质量与电机转速是否相适应的逻辑判断流程图；

图3是PLC控制器控制电机转速的流程图；

图4是矿用破碎机智能调速系统的原理图。

图1中：1、破碎机；2、电机；3、变频器；4、摄像仪I；5、摄像仪II。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种矿用破碎机智能调速的方法，步骤如下，

第一步：在破碎机1入料口的上方安装两个摄像仪，摄像仪I4朝向破碎机入料口，摄像仪II5安装在与摄像仪I同一水平面上且与摄像仪I的拍摄方向垂直；摄像仪I和摄像仪II均为防爆网络摄像仪。

如图1所示，在布置图上建立XYZ三维坐标系，摄像仪I可拍摄YOZ平面内的图像，摄像仪II可拍摄XOZ平面内的图像，通过这两个摄像仪可以获取当前破碎机上矿石的彩色分布图。

第二步：两个摄像仪同时采集视频图像，并进行图像处理，步骤如下：

(1)将摄像仪获取的连续视频图像，按照等时间间隔截取JPG格式的彩色图片图像，再通过RGB红绿蓝三色图像处理方法，将彩色图像转换成灰色图像；每个像素的灰度可用G_r表示：

G_r＝(R+G+B)/3

其中，R、G、B分别表示像素的红、蓝、绿值。

(2)采用自适应平滑滤波方式对图像进行去噪处理；自适应平滑滤波的过程如下：

a.计算梯度分量：

$G_x(x,z)=\frac{1}{2}[f(x+1,z)-f(x-1,z)]$

$G_z(x,z)=\frac{1}{2}[f(x,z+1)-f(x,z-1)]$

b.计算模板权系数：

$\mathrm{\ω}(x,z)=\exp [-\frac{G_x^2(x,z)+G_z^2(x,z)}{2k^2}]$

其中，k为事先确定的参数，k值决定多大幅值的突变边缘将得到保存，本方法中k值取2。

c.对图像f⁽ⁿ⁾(x,z)进行加权平均，

$f^{(n+1)}(x,z)=\frac{\underset{i=-1}{\overset{+1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-1}{\overset{+1}{\mathrm{\Σ}}}{f}^{\left(n\right)}(x+i,z+j){\mathrm{\ω}}^{\left(n\right)}(x+i,z+j)}{\underset{i=-1}{\overset{+1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=-1}{\overset{+1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}^{\left(n\right)}(x+i,z+j)}$

其中，fⁿ(x,z)为第n次迭代后的图像，设迭代次数为M，则n＝0,1,2,...M-1，最终输出为f^K(x,z)。

这种自适应平滑滤波的迭代运算在抑制噪声的同时，使图像边缘锐化，可以提高下一步骤中图像边缘检测的边缘定位精度。

(3)采用Sobel算子对图像进行边缘检测，获得梯度幅值；

设h(x,z)为上述灰色处理并进行自适应平滑处理过的图像，则其两个方向上的梯度分量h_x、h_z是利用其各自方向上的Sobel算子通过滤波整个图像来实现，得出的表达式为：

$h_x=\frac{\∂h(x,z)}{\∂x}=[h(x+1,z-1)+2\×h(x+1,z)+h(x+1,z+1)]-[h(x-1,z-1)+2\×h(x-1,z)+h(x-1,z+1)]$

$h_z=\frac{\∂h(x,z)}{\∂z}=[h(x-1,z+1)+2\×h(x,z+1)+h(x+1,z+1)]-[h(x-1,z-1)+2\×h(x,z-1)+h(x+1,z-1)]$

梯度幅值T(x,z)： $T(x,z)=\mathrm{sqrt}(h_x^2+h_z^2)$

(4)对获取的梯度幅值进行阀值判断，识别出图像的边缘点集合；进行阀值判断需要事先设定阀值V，然后将上述得到的梯度幅值与V进行比较，如果梯度幅值大于或等于V，则输出为1，否则输出为0。

(5)使用图像细化算法对图像再次进行处理。图像细化算法就是遍历上述得到的所有边缘点，并制定判断规则，找出待删除点；对于待删除点再制定相应的判断规则，满足相应的条件保留，否则定为删除点。

第三步中计算矿石总质量的步骤如下：(1)将所摄取的瞬时图像转换成XYZ三维坐标系中的三维图像，并将该三维图像沿着Z轴方向等分成1000份；

(2)设该三维图像在Z轴方向的最高点坐标为Z₁，最低点坐标为Z₂，最高点与最低点的差值为H，则等分之后，每份的距离为H/1000，当Z＝Z₂时，根据事先获取的三维图像，图像在X轴与Y轴方向最大值与最小值之间的差值分别为X₁、Y₁，在该段高度内可近似为长方体，体积为V₁＝HX₁Y₁/1000，同样的方法得到V₂，V₃....V₁₀₀₀，总体积为V_Z＝V₁+V₂+V₃+...+V₁₀₀₀；

(3)以同样的方法对X、Y方向进行1000等分，获取体积V_X、V_Y，最终的体积为V＝(V_X+V_Y+V_Z)/3；

(4)根据图上尺寸与实际尺寸之间的关系，确定比例系数为，矿石松散密度为ρ，则当前破碎机上矿石总质量为:

第四步：通过实验获得矿石质量与电机转速相适应的特性曲线，并将确定的逻辑判断方法输入PLC控制器；获取特性曲线的实验方法如下：

根据破碎机的负载特性，获得负载0L-1.2L范围内矿石质量与电机转速之间的关系，负载由小到大分为24份，每份递增5％，0.05L、0.1L、0.15L...1.15L、1.2L，实验得出满足当前负载条件下破碎机所对应的最低转速分别为v₁、v₂、v₃...v₂₃、v₂₄，由此获得负载与转速之间的特性曲线，曲线上的24个实验数据点依次为，(0.05L,v₁)、(0.1L,v₂)、(0.15L,v₃)...(1.15L,v₂₃)、(1.2L,v₂₄)。

逻辑判断的流程如图2所示。控制器检测当前负载与当前转速是否相适应，如果两者相匹配，则继续当前转速；如果两者不相匹配，则根据预先设定的程序调节电机转速，使之与当前负载相匹配；如果负载超过规定值，则判断负载过大，电机停止运行并报警。

第五步：PLC控制器根据矿石质量所在的范围自动调节破碎机的电机2转速。调节破碎机电机2的转速，是通过调节安装在破碎机电机上的变频器3来控制。

PLC控制器控制电机转速的流程如图3所示。首先将获得的负载与转速之间24点对应关系输入控制器，摄像仪将拍摄的视频图像转换为可采集模式并输送至控制器，控制器根据图像计算当前破碎机的负载质量，然后判断当前负载与当前转速是否相匹配，如果不相匹配则调节电机变频器的频率来控制输入破碎机的负载质量，直至二者相适应。

如图4所示，一种矿用破碎机智能调速系统，负载加载到破碎机模块，摄像仪模块将破碎机模块上的负载情况输送至控制器模块，控制器模块根据设定的程序调整变频器模块。

摄像仪将视频信号处理后转换成TCP/IP信号传输给控制器，控制器根据事先设定好的程序调节破碎机上变频器的频率，从而实现根据负载智能调速的目的。

本发明通过垂直布置的两个摄像仪全方位拍摄入料口处的矿石，得到入料矿石的总质量，不改变破碎机原有机电系统，同时保证数据的准确可靠，保证破碎机在满足其工作需求的前提下，实现能耗最低。

Claims (7)

1.一种矿用破碎机智能调速的方法，其特征在于，第一步：在破碎机入料口的上方安装两个摄像仪，摄像仪I朝向破碎机入料口，摄像仪II安装在与摄像仪I同一水平面上且与摄像仪I的拍摄方向垂直；

第二步：两个摄像仪同时采集视频图像，并进行图像处理；

第三步：利用两个摄像仪检测出的矿石的三维边缘，计算出当前时刻矿石的总质量；

第四步：通过实验获得矿石质量与电机转速相适应的特性曲线，并将确定的逻辑判断方法输入PLC控制器；

第五步：PLC控制器根据矿石质量所在的范围自动调节破碎机的电机转速。

2.如权利要求1所述的矿用破碎机智能调速的方法，其特征在于，第二步的图像处理步骤如下：(1)将摄像仪获取的连续视频图像，按照等时间间隔截取JPG格式的彩色图片图像，再通过RGB红绿蓝三色图像处理方法，将彩色图像转换成灰色图像；

(2)采用自适应平滑滤波方式对图像进行去噪处理；

(3)采用Sobel算子对图像进行边缘检测，获得梯度幅值；

(4)对获取的梯度幅值进行阀值判断，识别出图像的边缘点集合；

(5)使用图像细化算法对图像再次进行处理。

3.如权利要求2所述的矿用破碎机智能调速的方法，其特征在于：第三步中计算矿石总质量的步骤如下：(1)将所摄取的瞬时图像转换成XYZ三维坐标系中的三维图像，并将该三维图像沿着Z轴方向等分成1000份；

(2)设该三维图像在Z轴方向的最高点坐标为Z₁，最低点坐标为Z₂，最高点与最低点的差值为H，则等分之后，每份的距离为H/1000，当Z＝Z₂时，根据事先获取的三维图像，图像在X轴与Y轴方向最大值与最小值之间的差值分别为X₁、Y₁，在该段高度内可近似为长方体，体积为V₁＝HX₁Y₁/1000，同样的方法得到V₂，V₃....V₁₀₀₀，总体积为V_Z＝V₁+V₂+V₃+...+V₁₀₀₀；

(3)以同样的方法对X、Y方向进行1000等分，获取体积V_X、V_Y，最终的体积为V＝(V_X+V_Y+V_Z)/3；

(4)根据图上尺寸与实际尺寸之间的关系，确定比例系数为矿石松散密度为ρ，则当前破碎机上矿石总质量为:

4.如权利要求3所述的矿用破碎机智能调速的方法，其特征在于，第四步中的获取特性曲线的实验方法如下：根据破碎机的负载特性，获得负载0L-1.2L范围内矿石质量与电机转速之间的关系，负载由小到大分为24份，每份递增5％，0.05L、0.1L、0.15L...1.15L、1.2L，实验得出满足当前负载条件下破碎机所对应的最低转速分别为v₁、v₂、v₃...v₂₃、v₂₄，由此获得负载与转速之间的特性曲线，曲线上的24个实验数据点依次为，(0.05L,v₁)、(0.1L,v₂)、(0.15L,v₃)...(1.15L,v₂₃)、(1.2L,v₂₄)。

5.如权利要求4所述的矿用破碎机智能调速的方法，其特征在于，第五步中调节破碎机电机的转速，是通过调节安装在破碎机电机上的变频器来控制。

6.如权利要求1至5任一权利要求所述的矿用破碎机智能调速的方法，其特征在于，摄像仪I和摄像仪II均为防爆网络摄像仪。

7.一种矿用破碎机智能调速系统，其特征在于，负载加载到破碎机模块，摄像仪模块将破碎机模块上的负载情况输送至控制器模块，控制器模块根据设定的程序调整变频器模块。