CN105182900A - 一种斗轮机的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斗轮机的控制系统及控制方法，控制系统包括有主车控制器、第一现场服务器、第二现场服务器和尾车控制器，其中主车控制器内设置有工控机和主PLC机，工控机和主PLC机相连接，主PLC机还连接有第一传感器和第一执行器，尾车控制器内设置有从PLC机，从PLC机与主PLC机相连接，从PLC机连接有第二传感器和第二执行器，第一现场服务器和第二现场服务器相串联，主车控制器内的工控机通过局域网与第一现场服务器进行通信连接。控制方法为：第一步：观察煤场的全景；第二步：采集结构光条图像；第三步：去噪声处理及轮廓提取；第四步：自动控制及远程监控。有益效果：提高了相应的工作效率；降低了相应的生产成本；避免了安全隐患。

Description

一种斗轮机的控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制系统及控制方法，特别涉及一种斗轮机的控制系统及控制方法。

背景技术

当前，斗轮机是依据斗轮挖掘机所研发出的一种新型设备，属于一种高效率连续性的大型装卸设备，在国内外得到了广泛的应用。

同时斗轮机更是在火力发电厂内，输煤取煤过程中不可缺少的设备之一。使其安全可靠的运行对于电厂的工作生产起着确定性的因素。对于斗轮机运行过程以及自动控制过程的深入研究，不但能够提供火力发电厂的自动化水平，同时在人力资源的运用方面有着非常重要的地位。随着工业技术的不断发展，火力发电厂逐渐成为现代化的企业，若想满足现代化电厂的对于智能化的要求，必须要做到斗轮机的完全自动化以及智能化。例如斗轮机在时进行煤料的堆取，堆取量是多少，对应的设备需要如何工作，堆料的时候还需要进行哪些其他的动作等，都通过系统自己来确定。操作人员可以通过电脑显示屏来了解斗轮机的运行情况。利用计算机视觉系统，控制计算机能够通过对结构光图像的识别完成自动寻找堆煤和取煤的位置，达到堆取的全自动化。

目前斗轮机运行方式可以分为手动、半自动以及全自动三种方式，国内大多数火力发电厂仍在使用手动控制方式。尽管半自动控制方式逐渐被人们所使用，但是半自动控制方式仅限于简单的操作，输煤控制系统与斗轮机之间并没有信息的交流。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的斗轮机自动化水平低而导致的工作效率低、资源浪费以及存在安全隐患的问题，而提供的一种斗轮机的控制系统及控制方法。

本发明提供的斗轮机的控制系统包括有主车控制器、第一现场服务器、第二现场服务器和尾车控制器，其中主车控制器内设置有工控机和主PLC机，工控机和主PLC机相连接，主PLC机还连接有第一传感器和第一执行器，尾车控制器内设置有从PLC机，从PLC机与主PLC机相连接，从PLC机连接有第二传感器和第二执行器，第一现场服务器和第二现场服务器相串联，主车控制器内的工控机通过局域网与第一现场服务器进行通信连接。

工控机还连接有图像采集卡和定位装置，其中图像采集卡与摄像机连接，定位装置与激光器连接，摄像机和激光器设在斗轮机悬臂的前部，图像采集卡主要作用是将摄像机的模拟信号导入计算机内进行保存，配合软件，可以在保持高分辨率的前提下，压缩数据，压缩文件的大小，以便长时间录影，保存资料，方便调查取证。

主PLC机与工控机间的通讯采用RS-485方式通讯。

主PLC机与第一传感器和第一执行器间的通讯采用MODBUS或现场总线通讯方式。

从PLC机与第二传感器和第二执行器间的通讯采用MODBUS或现场总线通讯方式。

图像采集卡带有用于二次开发的接口函数。

摄像机为CCD摄像机。

激光器为一字线形激光器。

本发明提供的斗轮机的控制方法，其方法如下：

第一步：将CCD摄像机以及一字线形激光器通过固定装置安装在斗轮机前臂上，高度要高于煤堆的最高高度，保证CCD摄像机和一字线形激光器以俯视的方式观察到煤场的全景；

第二步：斗轮机在轨道上行走利用一字线形激光器进行扫描，采集煤场煤堆的结构光条图像；

第三步：将所采集的结构光图像进行去噪声处理以及轮廓提取，从而得到煤堆的三维轮廓和尺寸，具体方法如下：

(1)采用麻点噪声滤波8邻域算法，其算法如下：

Judge＝true

for(i＝2；i<326；i++)

{for(j＝2；j<315:j++)

{

依次读取(i，j)点周围八点灰度值，n[1],n[2]………n[8].

if(n[2]+n[4]+n[6]+n[8]＝0)则(i，j)点为噪声，去掉；

if(n[1]+n[2]+……n[8]<＝3)则(i，j)点为孤立点，去掉；

}

若无噪声和孤立点，Judge＝0

}

(2)进行结构光图像轮廓提取，通过找到光带外缘或内缘的一个点k，然后分别沿着Y轴的正、负方向按邻域法搜索，搜索时依次按(x-1，y)(x，y)，(x+1，y)的方向进行，其算法如下：

确定终结条件judge；

找出轮廓上的任意一点k；

k1＝k；//k1为向上的寻找；

k2＝k；//k2为向下的寻找；

while(judge＝true)

{

k1＝k1-1；k2＝k1+1；

判定k1，k2处是否有点，若有点则记录下来；

否则judge＝false；

}

第四步：利用主PLC机与工控机之间的通讯来进行斗轮机自动控制以及远程监控。

本发明的工作原理：

本发明主要采用结构光条法对斗轮机所对应的煤堆上的工作面用一字线形激光器进行扫描。一字线形激光器和CCD摄像机都架在斗轮机固定位置，对于整个煤堆的扫描是通过斗轮机在轨道上运动,进而使得激光器和CCD摄像机沿斗轮机的轨道方向作平动实现的。采集到煤堆的完整的结构光图像，从而通过图像处理、数据计算等步骤，得到煤堆的三维信息；并建立斗轮机作业面方向的煤堆的三维信息数据库，存储煤堆的三维信息。完成一次斗轮机作业面一侧煤堆的完整扫描后，通过对煤堆图像的处理，得到煤场煤的堆放的信息，通过一些优化原则和堆、取煤的工艺，找到斗轮机堆煤或者取煤的作业点。当斗轮机在煤场的一个局部作业时，也可以对这个作业处进行局部的扫描，实时的更新这个作业点的信息，并可以把这个局部的信息存储到煤场的数据库中。以数字图像处理技术、数字图像识别技术、三维重建技术、电力载波通讯技术、PLC机等技术，以斗轮机控制为对象，通过对储煤场煤堆进行结构光扫描、图像采集、识别，控制斗轮机使其可以自动运行，提高火力发电厂的输煤系统的自动化水平。

图像采集卡都带有用于二次开发的接口函数，在使用图像采集卡和设计图像处理程序时调用图像采集卡带的接口函数。选用不同的采集卡，它们带有的接口函数会略有不同。主PLC机与工控机间的通讯采用RS-485方式通讯，PLC机与传感器、执行器间的通讯采用MODBUS或现场总线等通讯方式。把图像处理程序得到的数据信息处理成工控机上数据监视与控制程序可以识别的数据格式，并把数据存放到数据监视与控制程序可以访问的数据源中。以采用西门子(Siemens)的S7－300系列PLC机，数据监视与控制程序使用北京三维力控有限公司的力控2.61组态软件设计的斗轮机，使用其他系统的斗轮机的通讯方法基本相同。

图像处理程序与数据监视与控制程序工作在同一台工控机内，数据通讯量相对较小，选用DDE(动态数据交换)数据通信、交换标准来实现两个程序间的数据交换。图像处理程序把处理好的数据存入EXCEL中，力控2.61作为客户端不断在EXCEL中取走数据。数据库中的点参数通过I/O数据连接与DDE服务器程序进行数据交换。其具体操作步骤如下：

1、在数据库中创建一个模拟I/O点FI101，FI101的PV参数为实型，FI101的DESC参数为字符型。FI101.PV和FI101.DESC通过DDE方式分别连接到EXCEL工作薄BOOK1.XLS的工作单的R1C1和R1C2单元，即EXCEL工作单第一行的左起第一个和第二个单元格(CELL)。

2、Draw导航器中展开项目“I/O设备驱动”，然后依次展开设备类型“DDE”，厂商“Microsoft”，选择驱动程序“DDE”，双击驱动程序名称“DDE”或用鼠标右键单击后在右键菜单中选择“添加设备驱动”。

3、将设备名称定义为“EXCEL”。在输入框“服务名”中输入EXCEL的服务程序名“EXCEL”，在输入框“话题”中输入被访问的主题名。

4、在导航器驱动程序“DDE”下面增加了“EXCEL”一项，使用新定义的I/O设备“EXCEL”来创建数据连接。

5、在Draw导航器中双击“数据库组态”以启动DBManager程序，然后在DBManager中双击FI101点，选择“数据连接”使其展开，选择“I/O设备”下面的“EXCEL”项。

6、在上述“数据连接”对话框后，选择“PV”参数，点击“增加”按钮，出现对话框，输入DDE的项名“R1C1”，单击“确定”按钮，该点的PV“连接项列表”中增加了一项数据连接。

7、用同样的方法为FI101点的DESC参数创建一个数据连接，连接的单元地址为“R1C2”。在斗轮机上控制计算机与中央集控室间的通讯通过电力线载波进行通讯。使用2400BPS的线路传输速度，115.2KBPS的终端速率。

本发明的有益效果：

1、本发明在现有斗轮机的基础上，提高了火力发电厂输煤系统的自动化程度，进而促进整个火力发电厂的自动化水平，极大地提高了相应的工作效率。

2、提高工作的可靠性，减少操作和值守人员，减小一线工人的劳动强度，同时还减少了由于人为因素造成的资源浪费，有效地利用了现有资源，极大地降低了相应的生产成本；

3、避免了操作人员在对斗轮机进行操作时所产生的安全隐患。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明软件模块流程图。

图3为结构光图像获取流程图。

图4为结构光图像出力模块流程图。

图5为煤轮廓提取流程图。

图6为控制系统与子系统之间通讯流程图。

1、主车控制器2、第一现场服务器3、第二现场服务器

4、尾车控制器5、工控机6、主PLC机7、第一传感器

8、第一执行器9、从PLC机10、第二传感器11、第二执行器

20、图像采集卡21、定位装置22、摄像机23、激光器。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6所示：

本发明提供的斗轮机的控制系统包括有主车控制器1、第一现场服务器2、第二现场服务器3和尾车控制器4，其中主车控制器1内设置有工控机5和主PLC机6，工控机5和主PLC机6相连接，主PLC机6还连接有第一传感器7和第一执行器8，尾车控制器4内设置有从PLC机9，从PLC机9与主PLC机6相连接，从PLC机9连接有第二传感器10和第二执行器11，第一现场服务器2和第二现场服务器3相串联，主车控制器1内的工控机5通过局域网与第一现场服务器2进行通信连接。

工控机5还连接有图像采集卡20和定位装置21，其中图像采集卡20与摄像机22连接，定位装置21与激光器23连接，摄像机22和激光器23设在斗轮机悬臂的前部，图像采集卡20主要作用是将摄像机22的模拟信号导入计算机内进行保存，配合软件，可以在保持高分辨率的前提下，压缩数据，压缩文件的大小，以便长时间录影，保存资料，方便调查取证。

主PLC机6与工控机5间的通讯采用RS-485方式通讯。

主PLC机6与第一传感器7和第一执行器8间的通讯采用MODBUS或现场总线通讯方式。

从PLC机9与第二传感器10和第二执行器11间的通讯采用MODBUS或现场总线通讯方式。

图像采集卡20带有用于二次开发的接口函数。

摄像机22为CCD摄像机。

激光器23为一字线形激光器。

本发明提供的斗轮机的控制方法，其方法如下：

第一步：将CCD摄像机以及一字线形激光器通过固定装置安装在斗轮机前臂上，高度要高于煤堆的最高高度，保证CCD摄像机和一字线形激光器以俯视的方式观察到煤场的全景；

第二步：斗轮机在轨道上行走利用一字线形激光器进行扫描，采集煤场煤堆的结构光条图像；

第三步：将所采集的结构光图像进行去噪声处理以及轮廓提取，从而得到煤堆的三维轮廓和尺寸，具体方法如下：

(1)采用麻点噪声滤波8邻域算法，其算法如下：

Judge＝true

for(i＝2；i<326；i++)

{for(j＝2；j<315:j++)

{

依次读取(i，j)点周围八点灰度值，n[1],n[2]………n[8].

if(n[2]+n[4]+n[6]+n[8]＝0)则(i，j)点为噪声，去掉；

if(n[1]+n[2]+……n[8]<＝3)则(i，j)点为孤立点，去掉；

}

若无噪声和孤立点，Judge＝0

}

(2)进行结构光图像轮廓提取，通过找到光带外缘或内缘的一个点k，然后分别沿着Y轴的正、负方向按邻域法搜索，搜索时依次按(x-1，y)(x，y)，(x+1，y)的方向进行，其算法如下：

确定终结条件judge；

找出轮廓上的任意一点k；

k1＝k；//k1为向上的寻找；

k2＝k；//k2为向下的寻找；

while(judge＝true)

{

k1＝k1-1；k2＝k1+1；

判定k1，k2处是否有点，若有点则记录下来；

否则judge＝false；

}

第四步：利用主PLC机6与工控机5之间的通讯来进行斗轮机自动控制以及远程监控。

本发明的工作原理：

本发明主要采用结构光条法对斗轮机所对应的煤堆上的工作面用一字线形激光器进行扫描。一字线形激光器和CCD摄像机都架在斗轮机固定位置，对于整个煤堆的扫描是通过斗轮机在轨道上运动,进而使得激光器和CCD摄像机沿斗轮机的轨道方向作平动实现的。采集到煤堆的完整的结构光图像，从而通过图像处理、数据计算等步骤，得到煤堆的三维信息；并建立斗轮机作业面方向的煤堆的三维信息数据库，存储煤堆的三维信息。完成一次斗轮机作业面一侧煤堆的完整扫描后，通过对煤堆图像的处理，得到煤场煤的堆放的信息，通过一些优化原则和堆、取煤的工艺，找到斗轮机堆煤或者取煤的作业点。当斗轮机在煤场的一个局部作业时，也可以对这个作业处进行局部的扫描，实时的更新这个作业点的信息，并可以把这个局部的信息存储到煤场的数据库中。以数字图像处理技术、数字图像识别技术、三维重建技术、电力载波通讯技术、PLC机等技术，以斗轮机控制为对象，通过对储煤场煤堆进行结构光扫描、图像采集、识别，控制斗轮机使其可以自动运行，提高火力发电厂的输煤系统的自动化水平。

图像采集卡20都带有用于二次开发的接口函数，在使用图像采集卡20和设计图像处理程序时调用图像采集卡带的接口函数。选用不同的采集卡，它们带有的接口函数会略有不同。主PLC机6与工控机5间的通讯采用RS-485方式通讯，PLC机与传感器、执行器间的通讯采用MODBUS或现场总线等通讯方式。把图像处理程序得到的数据信息处理成工控机5上数据监视与控制程序可以识别的数据格式，并把数据存放到数据监视与控制程序可以访问的数据源中。以采用西门子(Siemens)的S7－300系列PLC机，数据监视与控制程序使用北京三维力控有限公司的力控2.61组态软件设计的斗轮机，使用其他系统的斗轮机的通讯方法基本相同。

图像处理程序与数据监视与控制程序工作在同一台工控机5内，数据通讯量相对较小，选用DDE(动态数据交换)数据通信、交换标准来实现两个程序间的数据交换。图像处理程序把处理好的数据存入EXCEL中，力控2.61作为客户端不断在EXCEL中取走数据。数据库中的点参数通过I/O数据连接与DDE服务器程序进行数据交换。其具体操作步骤如下：

1、在数据库中创建一个模拟I/O点FI101，FI101的PV参数为实型，FI101的DESC参数为字符型。FI101.PV和FI101.DESC通过DDE方式分别连接到EXCEL工作薄BOOK1.XLS的工作单的R1C1和R1C2单元，即EXCEL工作单第一行的左起第一个和第二个单元格(CELL)。

2、Draw导航器中展开项目“I/O设备驱动”，然后依次展开设备类型“DDE”，厂商“Microsoft”，选择驱动程序“DDE”，双击驱动程序名称“DDE”或用鼠标右键单击后在右键菜单中选择“添加设备驱动”。

3、将设备名称定义为“EXCEL”。在输入框“服务名”中输入EXCEL的服务程序名“EXCEL”，在输入框“话题”中输入被访问的主题名。

4、在导航器驱动程序“DDE”下面增加了“EXCEL”一项，使用新定义的I/O设备“EXCEL”来创建数据连接。

5、在Draw导航器中双击“数据库组态”以启动DBManager程序，然后在DBManager中双击FI101点，选择“数据连接”使其展开，选择“I/O设备”下面的“EXCEL”项。

6、在上述“数据连接”对话框后，选择“PV”参数，点击“增加”按钮，出现对话框，输入DDE的项名“R1C1”，单击“确定”按钮，该点的PV“连接项列表”中增加了一项数据连接。

7、用同样的方法为FI101点的DESC参数创建一个数据连接，连接的单元地址为“R1C2”。在斗轮机上控制计算机与中央集控室间的通讯通过电力线载波进行通讯。使用2400BPS的线路传输速度，115.2KBPS的终端速率。

Claims (9)

1.一种斗轮机的控制系统，其特征在于：包括有主车控制器、第一现场服务器、第二现场服务器和尾车控制器，其中主车控制器内设置有工控机和主PLC机，工控机和主PLC机相连接，主PLC机还连接有第一传感器和第一执行器，尾车控制器内设置有从PLC机，从PLC机与主PLC机相连接，从PLC机连接有第二传感器和第二执行器，第一现场服务器和第二现场服务器相串联，主车控制器内的工控机通过局域网与第一现场服务器进行通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种斗轮机的控制系统，其特征在于：所述的工控机还连接有图像采集卡和定位装置，其中图像采集卡与摄像机连接，定位装置与激光器连接，摄像机和激光器设在斗轮机悬臂的前部。

3.根据权利要求1所述的一种斗轮机的控制系统，其特征在于：所述的主PLC机与工控机间的通讯采用RS-485方式通讯。

4.根据权利要求1所述的一种斗轮机的控制系统，其特征在于：所述的主PLC机与第一传感器和第一执行器间的通讯采用MODBUS或现场总线通讯方式。

5.根据权利要求1所述的一种斗轮机的控制系统，其特征在于：所述的从PLC机与第二传感器和第二执行器间的通讯采用MODBUS或现场总线通讯方式。

6.根据权利要求2所述的一种斗轮机的控制系统，其特征在于：所述的图像采集卡带有用于二次开发的接口函数。

7.根据权利要求2所述的一种斗轮机的控制系统，其特征在于：所述的摄像机为CCD摄像机。

8.根据权利要求2所述的一种斗轮机的控制系统，其特征在于：所述的激光器为一字线形激光器。

9.一种斗轮机的控制方法，其方法如下：

第一步：将CCD摄像机以及一字线形激光器通过固定装置安装在斗轮机前臂上，高度要高于煤堆的最高高度，保证CCD摄像机和一字线形激光器以俯视的方式观察到煤场的全景；

第二步：斗轮机在轨道上行走利用一字线形激光器进行扫描，采集煤场煤堆的结构光条图像；

第三步：将所采集的结构光图像进行去噪声处理以及轮廓提取，从而得到煤堆的三维轮廓和尺寸，具体方法如下：

(1)采用麻点噪声滤波8邻域算法，其算法如下：

Judge＝true

for(i＝2；i<326；i++)

{for(j＝2；j<315:j++)

{

依次读取(i，j)点周围八点灰度值，n[1],n[2]………n[8].

if(n[2]+n[4]+n[6]+n[8]＝0)则(i，j)点为噪声，去掉；

if(n[1]+n[2]+……n[8]<＝3)则(i，j)点为孤立点，去掉；

}

若无噪声和孤立点，Judge＝0

}

(2)进行结构光图像轮廓提取，通过找到光带外缘或内缘的一个点k，然后分别沿着Y轴的正、负方向按邻域法搜索，搜索时依次按(x-1，y)(x，y)，(x+1，y)的方向进行，其算法如下：

确定终结条件judge；

找出轮廓上的任意一点k；

k1＝k；//k1为向上的寻找；

k2＝k；//k2为向下的寻找；

while(judge＝true)

{

k1＝k1-1；k2＝k1+1；

判定k1，k2处是否有点，若有点则记录下来；

否则judge＝false；

}

第四步：利用主PLC机与工控机之间的通讯来进行斗轮机自动控制以及远程监控。