CN110207781B - 一种散状物料动态计量方法和系统 - Google Patents

一种散状物料动态计量方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种散状物料动态计量方法和系统，包括如下步骤：S1：检测物料输送的速度信号；S2：在测量点以预设的采集频率采集物料的离散高度信号，根据离散高度信号拟合出测量点的截面上轮廓线；S3：采集测量点处物料的图像数据，进行图像处理，提取出水平方向边界轮廓信息以修正截面上轮廓线；S4：根据修正后的物料轮廓信息计算截面面积，再结合采集频率计算出物料体积元，最后根据物料体积元、速度信号和输送运行时间计算物料输送总量。本发明具有非接触、高精度、稳定性高等优点。

Description

一种散状物料动态计量方法和系统
技术领域
本发明涉及混凝土的连续式配料计量系统，特别是一种散状物料动态计量方法和系统。
背景技术
随着我国基础设施的建设规模不断发展，混凝土搅拌站作为生产混凝土的设施已经被广泛应用于各种基础设施上，混凝土搅拌站的特点是配比准确、生产效率高。目前国内的混凝土生产主要采用间歇式搅拌设备，间歇式搅拌设备是先将原材料按比例投入到搅拌机后在进行搅合。该搅拌方式生产效率低，对设备的功率要求较高，耗能大。其中配料秤是计量配比合格的关键构成。配料秤通过自动称量的方式，将不同的散状物料搅拌合成预定配合比的混凝土。
随着计算机技术与光学测量技术的发展，光学检测方法开始应用在散状物料的输送量测量中。为了改进间歇式混凝土搅拌设备的上述缺点，一种高精度，并可通过所测数据实现自动配料量控制的配料秤是实现连续式混凝土搅拌设备所迫切需要的。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种散状物料动态计量方法和系统，能提高皮带上物料的体积测量精度，以供系统实现准确的控制、配料输送功能。
本发明采用如下技术方案：
一种散状物料动态计量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：检测物料输送的速度信号；
S2：在测量点以预设的采集频率采集物料的离散高度信号，根据离散高度信号拟合出测量点的截面上轮廓线；
S3：采集测量点处物料的图像数据，进行图像处理，提取出水平方向边界轮廓信息以修正截面上轮廓线；
S4：根据修正后的物料轮廓信息计算截面面积，再结合采集频率计算出物料体积元，最后根据物料体积元、速度信号和输送运行时间计算物料输送总量。
图像处理包括提取背景图像数据、将当前的图像数据与背景图像数据相减、进行二值化、从二值化图中获得边缘信息，将离散高度信息与该边缘信息进行拟合得到所述截面上轮廓线。
一种散状物料动态计量系统，其特征在于，包括：
传送装置，用于输送物料，包括皮带机、驱动电机和变频器；
激光位移传感器，安装于皮带机上方，在测量点以预设的采集频率采集物料的离散高度信号；
工业CCD相机，安装于皮带机边缘上方，用于采集测量点处物料的图像数据；
光电测速传感器，安装于安装于皮带机底部，用于检测物料输送的速度信号；
工控机，包括信号通讯采集模块和分析处理模块；该信号通讯采集模块与光电测速传感器、激光位移传感器和工业CCD相机相连以采集数据；所述分析处理模块用于根据离散高度信号拟合出测量点的截面上轮廓线，对图像数据进行图像处理，提取出水平方向边界轮廓信息以修正截面上轮廓线，根据修正后的物料轮廓信息计算截面面积，再结合采集频率计算出物料体积元，最后根据物料体积元、速度信号和输送运行时间计算物料输送总量。
所述分析处理模块包括物料体积测量模块、启动控制模块和定量配料模块，该物料体积测量模块用于测量得到所述物料输送总量，该启动控制模块用于开启或关闭所述传送装置，该定量配料模块用于根据物料输送总量控制启动控制模块。
所述信号通讯采集模块包括时序控制模块，该时序控制模块用于控制所述光电测速传感器、所述激光位移传感器、所述CCD相机相以预设的采集频率采集所述数据。
包括有若干所述激光位移传感器，沿垂直于物料输送方向等间距地安装于所述皮带机上方。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的方法和系统，通过若干数量的激光位移传感器实现皮带上散状物料的动态体积测量，从而获得物料输送的实时体积。
2、本发明系统，采用本发明的方法获得物料的实时体积，根据预先设定的配料体积比由工控机中的控制算法实现皮带机的定时启动、定量输送等功能，测量精度与配送精度高，可实现混凝土搅拌站的连续式工作。
附图说明
图1是本发明系统的结构图；
图2是本发明系统的模块图；
图3为激光位移传感器的安装分布图；
图4为截面积计算原理图；
其中：1：驱动电机；2：皮带机；3：皮带托辊；4：皮带转轴；5：传感器支架；6：工业CCD相机；7：激光位移传感器；8：激光位移传感器的发射光束；9：槽型支架；10：相机视野范围；11：光电测速传感器；12：测速滚轮；13：物料；14：工控机；15：变频器。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
参见图1至图4，一种散状物料动态计量系统，包括传送装置、传感器支架5、激光位移传感器7、工业CCD相机6、光电测速传感器11和工控机14等。
该传送装置用于输送物料13，包括皮带机2、驱动电机1和变频器15，变频器15控制驱动电机1动作，使得皮带机2动作输送物料13，皮带机设有皮带转轴4。
激光位移传感器7通过传感器支架5安装在皮带托辊3处，其位于皮带机2上方，在测量点以预设的采集频率采集物料13的离散高度信号。本发明设有若干激光位移传感器7，沿垂直于物料输送方向等间距地安装于传感器支架5上。传感器支架5为龙门架结构，其设有若干数量的安装夹具以固定激光位移传感器7，并使其激光光束垂直向下发射。该激光位移传感器7的功率约1mW，输出信号为0到5V的连续电压信号。
传感器支架5两端设置有槽型支架9以安装工业CCD相机6，工业CCD相机6位于皮带边缘位置正上方，相机垂直向下采集测量点处物料13的图像数据。工业CCD相机6在物料13输送时进行实时图像采集，为体积测量提供准确的物料边缘位置信息，减少体积测量误差。
光电测速传感器11安装于安装于皮带机2底部，用于检测物料输送的速度信号。其将测速滚轮12安装在皮带下方，测速滚轮12与皮带的交线与皮带的前进方向平行，不发生倾斜现象。测速滚轮12与皮带机2之间存在一定的压力，使滚轮既不会轻易发生转动也不会因为压力导致滚轮无法转动，同时保证滚轮不会出现跳动等不正确的运动方式。
工控机14与激光位移传感器7、光电测速传感器11相连接。通过RS485接口与变频器15控制器相连接，使用MODBUS协议实现上位机与变频器15之间的通讯，对电机的运行状态进行灵活调控与实时的监测。
具体的，工控机14包括信号通讯采集模块和分析处理模块。该信号通讯采集模块与光电测速传感器11、激光位移传感器7和工业CCD相机6相连。信号通讯采集模块包括时序控制模块，该时序控制模块用于控制光电测速传感器11、激光位移传感器7、CCD相机相以预设的采集频率采集所述数据。
分析处理模块包括物料体积测量模块、启动控制模块和定量配料模块，该物料体积测量模块根据离散高度信号拟合出测量点的截面上轮廓线，对图像数据进行图像处理，提取出水平方向边界轮廓信息以修正截面上轮廓线，根据修正后的物料轮廓信息计算截面面积，再结合采集频率计算出物料体积元，最后根据物料体积元、速度信号和输送运行时间计算物料输送总量。该启动控制模块用于开启或关闭传送装置，该定量配料模块用于根据物料输送总量控制启动控制模块。
本发明的工控机14可利用模糊控制算法对皮带机2的带速进行控制，可在工控机14中设定固定的输送目标量后，工控机14先启动皮带及开始输送并同时对输送量进行测量，当测量得到的体积量接近或达到设定值时，停止皮带机2输送。
本发明的一种散状物料动态计量方法，包括如下步骤：
S1：通过光电测速传感器11检测物料输送的速度信号vi。
S2：激光位移传感器7在测量点以预设的采集频率采集物料的离散高度信号a1，a2...an，根据离散高度信号拟合出测量点的截面上轮廓线，截面上轮廓线即物料横截面的上沿。
S3：采集测量点处物料的图像数据，进行图像的处理与分割，提取出水平方向边界轮廓信息以修正截面上轮廓线，以提高横截面积的计算精度。
图像处理包括提取背景图像数据、将当前的图像数据与背景图像数据相减、进行二值化、从二值化图中获得边缘信息，将离散高度信息与该边缘信息进行拟合得到所述截面上轮廓线，具体如下：
首先采用平均背景法建立检测背景,取某一时间段内N帧的皮带空载图像，将图像累加后取像素平均值得到背景图像的像素数据
Figure BDA0002100280210000061
假设当前时刻图像数据为Ii(i,j)，差值图像Di(i,j)＝|Ii(i,j)-B(i,j)|。差值图像Di(i，j)像素的平均值d和标准差δ分别为
Figure BDA0002100280210000066
和
Figure BDA0002100280210000063
阈值T计算表达式如下
Figure BDA0002100280210000064
其中,α为阈值调节系数；w为图像宽度；h为图像高度。进行二值化为：
Figure BDA0002100280210000065
从二值化图中获得xl,xr，xl和xr分别代表最左侧物料的像素横坐标与最右侧物料的像素横坐标。
S4：根据修正后的物料轮廓信息计算截面面积Si。
将得到的xl,xr确定物料区域，将位于该区域内的激光位移传感器采集到的高度点进行拟合，由于物料自然堆积，高度变化较为平缓，所以可将相邻两高度点以直线相连，物料的下轮廓线即为皮带机表面，因此，截面积即可分为若干个梯形面积，将多个梯形面积求和后即得到截面面积。
参见图4，提取物料在皮带上的轮廓边界后，根据散状物料输送时激光点对称分散于带宽中点左右且呈现出依次向左右两边呈现缓慢减小的趋势的特点，假设每相邻两点连线为线性变化，则相邻两点连线与输送带轮廓之间可近似看成梯形。
根据修正后的物料轮廓信息、传感器高度、传感器安装间隔即可计算得到截面面积。
再结合采集频率计算出物料体积元，最后根据物料体积元、速度信号和输送运行时间计算物料输送总量
Figure BDA0002100280210000071
n代表本次输送时间内通过激光传感器采集的数据量，即采集次数。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (5)

1.一种散状物料动态计量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：检测物料输送的速度信号；
S2：在测量点以预设的采集频率采集物料的离散高度信号，根据离散高度信号拟合出测量点的截面上轮廓线；
S3：采集测量点处物料的图像数据，进行图像处理，提取出水平方向边界轮廓信息以修正截面上轮廓线；图像处理包括提取背景图像数据、将当前的图像数据与背景图像数据相减、进行二值化、从二值化图中获得边缘信息，将离散高度信息与该边缘信息进行拟合得到所述截面上轮廓线，具体如下：
首先采用平均背景法建立检测背景,取某一时间段内N帧的皮带空载图像，将图像累加后取像素平均值得到背景图像的像素数据
Figure FDA0002768097180000011
假设当前时刻图像数据为Ii(i,j)，差值图像Di(i,j)＝|Ii(i,j)-B(i,j)|，差值图像Di(i,j)像素的平均值d和标准差δ分别为
Figure FDA0002768097180000016
和
Figure FDA0002768097180000013
阈值T计算表达式如下
Figure FDA0002768097180000014
其中,α为阈值调节系数；w为图像宽度；h为图像高度；进行二值化为：
Figure FDA0002768097180000015
从二值化图中获得xl,xr，xl和xr分别代表最左侧物料的像素横坐标与最右侧物料的像素横坐标；
S4：根据修正后的物料轮廓信息计算截面面积，再结合采集频率计算出物料体积元，最后根据物料体积元、速度信号和输送运行时间计算物料输送总量；将得到的xl,xr确定物料区域，将位于该区域内的激光位移传感器采集到的高度点进行拟合，由于物料自然堆积，高度变化较为平缓，所以将相邻两高度点以直线相连，物料的下轮廓线即为皮带机表面，截面积即可分为若干个梯形面积，将多个梯形面积求和后即得到截面面积。
2.一种散状物料动态计量系统，其特征在于，采用权利要求1所述的一种散状物料动态计量方法，包括：
传送装置，用于输送物料，包括皮带机、驱动电机和变频器；
激光位移传感器，安装于皮带机上方，在测量点以预设的采集频率采集物料的离散高度信号；
工业CCD相机，安装于皮带机边缘上方，用于采集测量点处物料的图像数据；
光电测速传感器，安装于安装于皮带机底部，用于检测物料输送的速度信号；
工控机，包括信号通讯采集模块和分析处理模块；该信号通讯采集模块与光电测速传感器、激光位移传感器和工业CCD相机相连以采集数据；所述分析处理模块用于根据离散高度信号拟合出测量点的截面上轮廓线，对图像数据进行图像处理，提取出水平方向边界轮廓信息以修正截面上轮廓线，根据修正后的物料轮廓信息计算截面面积，再结合采集频率计算出物料体积元，最后根据物料体积元、速度信号和输送运行时间计算物料输送总量。
3.如权利要求2所述的一种散状物料动态计量系统，其特征在于，所述分析处理模块包括物料体积测量模块、启动控制模块和定量配料模块，该物料体积测量模块用于测量得到所述物料输送总量，该启动控制模块用于开启或关闭所述传送装置，该定量配料模块用于根据物料输送总量控制启动控制模块。
4.如权利要求2所述的一种散状物料动态计量系统，其特征在于，所述信号通讯采集模块包括时序控制模块，该时序控制模块用于控制所述光电测速传感器、所述激光位移传感器、所述CCD相机相以预设的采集频率采集所述数据。
5.如权利要求2所述的一种散状物料动态计量系统，其特征在于，包括有若干所述激光位移传感器，沿垂直于物料输送方向等间距地安装于所述皮带机上方。
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