智能鋅鎂礦熱爐開爐機器人控制系統設計

馬曉莉

摘要：為了提高礦熱爐出爐效率，降低生產能耗，改善生產環境，通過對現有出爐工藝及出爐設備的研究，設計了一種基于工業控制計算機的智能化鋅鎂礦熱爐開爐機器人。本文介紹了出爐機器人系統構成，基本工作原理、電氣控制系統組成及控制算法。著重介紹了智能出爐機器人電氣控制部分的設計思路及智能識別算法，該系統結構簡單，安裝維護成本低，可在金屬冶煉領域中推廣和運作，具有很好的節能效果及經濟效益。

Abstract： The intelligent zinc-magnesium submerged arc furnace discharged robot based on industrial control computer was designed by studying the existing process and equipment of submerged arc furnace， in order to improve the efficiency， reduce the energy consumption and improve the production environment. This article describes the robot's structure， electrical control system and control algorithm. It mainly introduces the design idea and intelligent identification algorithm of the electrical control part of the intelligent furnace discharged robot. The system has simply structure， low installation and maintenance cost， and can be popularized and operated in the field of metal smelting.

關鍵詞：開爐機器人;智能識別;ARM cotex STM32;Canny邊緣檢測算法

Key words： submerged arc furnace discharge robot;Intelligent Identification;ARM cotex STM32;Canny edge detection algorithm

中圖分類號：TP242.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）28-0207-03

0? 引言

礦熱爐又稱電弧電爐或電阻電爐是一種耗電量巨大的工業電爐，主要用于還原冶煉礦石，碳質還原劑及溶劑等原料，是生產錳鐵、硅鐵、鎢鐵、鉻鐵和硅錳合金等鐵合金的關鍵設備。由于原材料中所含的礦物質較多，礦熱爐在冶煉過程會產生較多的礦物沉淀，這些沉淀物易堵塞出料孔，使礦熱爐的出料速度緩慢導致冶煉效率下降，能耗浪費巨大。而礦熱爐在冶煉之后爐內溫度高達1500余度，人工進行堵眼及爐口清渣操作難度大、危險性高，且耗時長不利于安全生產及節能，因此本文介紹一種具有智能識別功能的鋅鎂礦熱爐開爐機器人，實現對礦熱爐開爐全過程智能控制，最大限度降低設備功耗、減少人員參與，排除安全隱患、提高生產效率[1]。

1? 礦熱爐爐前作業機器人系統構成

開爐機器人主要由基礎軌道、開爐鉆孔平臺、堵眼機構、自動氧管、鋼釬切換盒、自動氧管連接機構、往復運行機構、監測機構、遠程控制模塊5部分組成。如圖1所示。

2? 系統基本工作原理

根據礦熱爐出爐工藝要求，方案設計采用機械液壓系統，綜合應用動態圖像分析理論、機器人神經元網絡系統辨識理論，現代自動控制理論，計算機軟件C++語言算法設計等技術，實現礦熱爐開爐鉆眼、人工通氧、人工鋼釬往復助流、泥炮堵眼，全過程無人值守。系統結構框圖如圖2所示。

出爐機器人與企業中控室之間通過無線網橋/工業光纖通信實現互聯，中控室判斷開爐時間，向開爐機器人發出開爐指令，機器人中央控制計算機—工業嵌入式ARM系統發出指令，控制機器人的爐前高溫攝像鏡頭獲取爐眼位置空間坐標，在出爐口建立空間坐標系，中央控制計算機根據坐標位置驅動車體三軸向電機、液壓運動系統運動，使開眼機構鉆頭位置和爐眼位置對準，并控制鉆眼鉆頭在爐眼位置開孔鉆眼，當鉆頭內置深度傳感器判斷當前鉆眼深度符合要求時，鉆頭快速自動撤離;鉆頭撤出后，圖像分析系統分析當前爐眼爐液流動情況，判斷是否需要通氧燒穿作業，如不需要，設備進入捅釬助流待命階段。如果需要通氧燒穿操作，則自動通氧系統介入，向爐眼內部輸送氧管，并開通氧氣起弧，促進爐眼未熔化的爐料熔化，高溫攝像鏡頭實時監控爐眼，當檢測到有熔液流出，中央計算機控制通氧閥關閉，停止通氧并撤離通氧機構，并進入鋼釬助流待命階段;當視覺系統檢測爐眼的爐渣過多，熔液流量較低時，中央計算機迅速調整姿態，根據當前各機構的坐標位置，控制捅釬機構中心和爐眼位置對準，并控制鋼釬輸送機構，驅動助流鋼釬在爐眼內部做往復運動實現助流，同時控制系統根據攝像頭采集的爐眼流量情況更換鋼釬，確保熔液順利流出;待熔液流盡后，中央計算機控制捅釬機構撤回助流裝置，啟動堵爐眼裝置，由液壓系統執行堵眼工作自動完成出爐工作。

3? 出爐機電氣控制系統構成

①控制系統硬件，以ARM Cotex STM32F407嵌入式MCU為核心，搭載液壓閥體驅動電路、液壓電磁閥、大車行進電機驅動電路、大車行進電機、高清網絡攝像頭、堵泥傳感器、鑿巖傳感器、小車位置傳感器、溫度傳感器、震動傳感器、流量傳感器、扭矩傳感器及遠程控制工控機等構成具有人機交互功能的硬件平臺[2]，硬件構架原理圖如圖3所示。

②軟件采用跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發框架QT編寫完成，采用多任務、多線程的編程方法，實現對出爐機器人各功能單元的控制管理、信息采集及匯總處理，其主要功能包含：系統管理、基礎信息存儲查詢、控制管理、歷史數據查詢等。系統管理程序主要包括初始化子模塊、文件處理子模塊、人機界面子模塊。初始化子模塊完成運動控制模塊初始化、傳感器初始化、電動機、機器人狀態初始化等。文件處理子模塊完成歷史數據的記錄分析，人機界面子模塊完成機器人狀態的實時監控、各種參數的輸入、曲線顯示等。控制類程序是整個軟件系統的核心，包括傳感器數據處理子模塊、機器人運動規劃子模塊、運動控制子模塊。傳感器數據處理子模塊主要完成傳感器數據的采集、處理等;機器人運動規劃子模塊主要是根據系統據傳感器數據信息對機器人運動狀態進行判斷，并利用優化算法規劃機器人的運動過程;運動控制子模塊主要是接收工控機指令，對機器人進行移動控制。

③出爐機器人智能識別系統設計。

出爐機器人對出爐口情況的正確判斷是其實現智能化控制的重要條件，系統智能識別采用openCV專業圖像分析軟件，給每幀圖像進行數學取模，通過openCV軟件的優化功能實現圖像的平滑、濾波去噪及銳化處理，保留出爐口痕跡圖像原始特征信息，提高爐口圖像清晰度，從而有效地對爐口圖像進行邊緣檢測和特征提取。圖像算法的編寫基于Canny邊緣檢測算法對爐眼熔液流動圖像進行邊緣提取，有效提升爐口邊界的清晰度。并用該方法對典型的爐口圖像進行了實驗比較分析。得到圖像邊緣清晰檢測結果。再利用小波多分辨分析和離散小波的優勢，對爐口圖像進行小波分解與重構，得到不同分解尺度下爐口圖像的多分辨小波特征。運用標記控制的形態學重構分水嶺分割算法對進行了處理，實現爐口坐標位置判斷及爐口出爐狀況的精確判斷及智能控制[3][4]。如圖4所示。

4? 總結

鋅鎂礦熱爐開爐機器人投入使用后，出爐工序可實現無人操作，出爐時間縮短10分鐘。以單臺30噸礦熱爐為例，每次出爐可節約用電8000度節約成本3000元，經濟效益十分可觀。既可有效排除工人在高危高溫工況下作業的安全隱患減少企業人力成本，又可提高出爐效率實現節能，是金屬冶煉領域重型設備的智慧化升級的良好開端。

參考文獻：

[1]牛博，馮萬棟，段永棟，王強.中鋼設備新一代礦熱爐自動化控制系統的研發和應用[N].世界金屬導報，2018-12-18（B06）.

[2]張陽光.電石出爐機器人自動燒眼控制方法研究[D].哈爾濱工業大學，2017：29-31.

[3]賈丙西，劉山，張凱祥，陳劍.機器人視覺伺服研究進展：視覺系統與控制策略[N].自動化學報，2015，41（5）：861-869.

[4]陳靜，李宗帥.基于工業控制計算機的移動機器人控制系統設計[J].機械與電子，2018，36（7）：60-67.

[5]王淑茹.GPRS遠傳抄表及能源管理系統[J].信息時代，2012（1）：57-59.