基于圖像處理的葉輪給煤機控制系統

文/鄧子平

部分火力發電廠，采用火車或汽車為煤料運輸手段，實現煤料的補給和轉運。葉輪給煤機作為一種效率高、結構簡單的煤料卸載工具，得到了廣泛應用。在實際作業過程中，利用翻車機或其它設備，將火車來煤傾倒至地面入料口；地面操作人員根據卸料位置，通過語音對講，告知控制室人員；控制室人員根據位置指令，控制位于地面以下的葉輪給煤機行走在對應區間；葉輪給煤機往復運動在卸煤區間，直至卸煤完成。

然而，上述作業方式較為繁瑣，需要現場人員與控制室人員保持密切溝通；同時，也會造成葉輪給煤機在無煤狀態下的空載運行，造成能源浪費。因此，如何根據卸煤位置、卸煤量等參數，智能調節葉輪給煤機運行位置和變頻器運行頻率，實現葉輪給煤機的自動控制，是本文的研究重點。

隨著人工智能的快速發展，其重要分支——機器視覺近年來在眾多領域得到廣泛應用。與此同時，機器視覺的硬件實現也朝著小型化、定制化方向發展。本文將機器視覺技術應用到葉輪給煤機的控制系統，并完成了系統的嵌入式硬件設計。利用機器視覺識別落煤位置和在線估算煤量，實現智能調節運行區間和變頻器頻率。

1 系統總體設計

本文采用樹莓派為控制主板，并利用2.4GHz 無線通信手段，實現葉輪給煤機就地控制箱與遠程主控室的數據通信。實際使用中，在地面卸煤口布設數字攝像機，并通過無線網絡將落煤口視頻信息傳輸至葉輪給煤機就地控制箱，葉輪給煤機就地控制箱內的嵌入式機器視覺控制板對視頻信息進行處理，判斷當前卸煤位置和煤量，控制葉輪給煤機行走電機和變頻器。此外，葉輪給煤機同時將有關狀態信息傳輸至輸煤系統現有的PLC 控制系統，在實現了硬件兼容與數據共享的同時，亦可實現控制室人員遠控操作。

以韶關電廠輸煤系統為例，該系統選用4臺葉輪給煤機分別給2 條輸煤皮帶卸煤。系統包含葉輪給煤機就地控制箱、視頻采集控制器、語音對講系統、通信網關控制箱、程控室PLC控制柜、控制室上位機等組成。系統框圖如圖1所示。

圖1：系統框圖

圖2：上位機畫面

安裝于卸煤口上方的視頻采集控制器負責采集卸煤時的圖像信息，將視頻信息壓縮打包后，通過無線通信終端發送至葉輪給煤機就地控制箱；葉輪給煤機就地控制箱內集成機器視覺處理單元，完成視頻信息的智能識別與檢測，判定當前卸煤位置和卸煤量，操作葉輪給煤機本體運行至卸煤區間，并在線調節葉輪給煤機變頻器運行頻率。此外，相關機器視覺處理單元可識別現場的人員，當無關人員進入作業區域時，發出語音告警。

安裝于卸煤口現場的語音對講系統負責采集現場的音頻數據，并通過無線通信終端將音頻信息發送至葉輪給煤機就地控制箱；葉輪給煤機就地控制箱則通過通信網關，將音頻信息傳送至控制室上位機；該語音對講系統既可以滿足現場作業人員與控制室當班人員的對講需求，又可在機器視覺單元識別出人員進入作業區域時，語音提醒相關人員退出作業區域。

安裝于地面以下的葉輪給煤機就地控制箱，負責接收視頻采集器采集的現場卸煤視頻信息，內部集成機器視覺算法，利用opencv機器視覺庫有效識別卸煤所形成的堆型，并定位其位置坐標，控制葉輪給煤機行走至卸煤區間；同時，根據煤堆型估算煤量，并以此計算卸煤所需給煤機運行頻率，完成變頻器頻率設定；此外，葉輪給煤機就地控制箱可將上述音頻、視頻信息通過通信網關，傳輸至程控PLC，實現與現有控制系統的高度融合。

2 硬件設計

本文主要設計開發了視頻采集控制器、語音對講系統、葉輪給煤機就地控制箱。

2.1 視頻采集控制器

視頻采集控制器采用STM32 微控芯片作為中央處理器，STM32 系列產品基于低功耗的 ARM Cortex-M4 處理器內核，內部集成SPI、SCI、以外網接口等模塊。其最小系統包括電源電路、JTAG 電路、無線通信擴展電路等。其中電源電路采用AMS1117-3.3 電源芯片，該芯片可以輸出相應電壓供STM32 內核使用。同時，高速JTAG 電路，可保證代碼燒寫以及在線仿真的速度。該視頻采集控制器模塊包含電源轉換模塊、數字高清攝像機、以外網接口、輔助照明控制單元、無線通信單元等。其中，電源轉換模塊采用金升陽ACDC 轉換模塊，將AC220V 轉換為DC12V、DC5V，分別給數字攝像機、STM32 主控芯片供電。數字攝像機選用?？低暩咔寮t外型攝像機，可實現自動白平衡、自動曝光等功能，有效克服卸煤現場因卸煤作業時粉塵的影響。夜間來煤時，該控制器集成的輔助照明控制單元可實現大范圍補光，滿足夜間檢測的需求。無線通信采用2.4GHzzigbee 通信終端，利用串行接口與STM32 相聯，STM32 將視頻數據傳輸至位于地面以下的葉輪給煤機就地控制箱。

2.2 語音對講系統

該語音對講系統采用STM32 作為主控芯片，通過AUX 總線擴展麥克風與廣播系統，為解決現場機械噪聲所帶來的干擾，本系統采用定向收聲、特定頻率收聲技術：利用機器視覺定位現場人員后，根據其位置坐標，調節麥克風收聲波束，并過濾掉人類語音頻率之外的噪聲，最終實現現場語音的高清采集。該模塊集成了低功耗射頻收發器和微處理器，具有耗能少、組網便捷、通信質量穩定等優點；可實現點對點的數據傳輸；可組成星型和 MESH型的網狀網絡結構。建立與地下葉輪給煤機就地控制箱的數據互聯。

2.3 葉輪給煤機就地控制箱

葉輪給煤機就地控制箱采用樹莓派為控制主板，樹莓派3B+主板移植嵌入式操作系統，基于QT5.6.0 集成開發環境開發葉輪給煤機智能控制軟件。葉輪給煤機就地控制箱包含給煤機行走控制單元、變頻器控制單元、機器視覺處理單元、無線通信單元、以太網通信單元等。葉輪給煤機行走控制單元包含行走電機控制器、防碰撞預警開關、聲光報警器；變頻器控制單元包含4-20mA 模擬輸出通道，用來給定變頻器運行頻率；機器視覺處理單元集成基于光流法、背景差分法等機器視覺智能算法，圖像經過濾波，二值化，目標識別與圖像分割，有效識別卸煤堆型以及人員特征。無線通信單元采用2.4GHzzigbee 通信終端，利用RS485接口與樹莓派3B+主板相聯，用以接收地面視頻采集控制器傳輸的視頻信息。同時，該無線通信接口亦可接收來自語音對講系統傳輸的音頻信息，并利用通信網關，將視頻、音頻信息回傳至程控室。

3 上位機軟件設計

本文設計的基于圖像處理的葉輪給煤機控制系統，可自主實現卸煤控制，無需人工干預。葉輪給煤機就地控制箱將就地設備的所有運行狀態數據，通過通信網關傳輸至程控PLC，并設計了上位機軟件。在必要時，亦可實現葉輪給煤機的人工操作。在輸煤程控上位機監控軟件中，監控畫面根據運行人員操作實際情況有明確的位置顯示，可以遠程啟動、停止、東行、西行、停機指令及相應設備運行狀態。實時監控畫面如圖2。

4 小結

本文提出了基于圖像處理的葉輪給煤機自動控制系統，實現了機器視覺技術在傳統輸煤系統的應用探索，并利用無線通信手段，搭建了作業現場自組網無線通信平臺，有效提高了卸煤效率，減少人工。