基于機器視覺的礦井排水控制系統設計

李 莎,李先紅

(太原工業學院，山西 太原 030008)

0 引言

煤炭是我國的主要能源之一，也是應用最廣泛的能源之一，在化工與火力發電方面有著重要的地位。在煤礦類型中，有露天煤礦，也有深井煤礦，露天煤礦與深井煤礦相比更方便開采，也更安全。然而為了生存和能源的需求，不得不進行深井煤礦的開發，在深井煤礦的開發過程中隨時都會有各種不同來源的水涌入礦井，礦井排水設備須及時地將這些涌入的水排送到礦井外，否則，可能會阻礙井下的正常生產，使得井下的安全得不到保障，會造成嚴重的后果，輕者淹沒礦井并停產，重者可能會造成礦毀人亡的重大事故[1]，因此排水設備是煤礦建設和生產中不可缺少的，排水泵的安全可靠運行對保證礦井安全生產起著非常重要的作用[2]。為此，本文采用機器視覺和PLC技術設計了一套礦井排水控制系統。

1 礦井排水控制系統方案設計

礦井排水控制系統由檢測系統、監控系統和控制系統三部分組成，通過幾個系統之間的相互協調，組成一個比較完整的系統，控制完成礦井的排水。礦井排水控制系統組成框圖如圖1所示。

圖1 礦井排水控制系統組成框圖

1.1 檢測系統設計

目前，礦井排水控制系統中檢測系統所用的傳感器有液位、真空度、溫度、壓力和流量等傳感器。而本課題研究是將機器視覺加入到檢測系統中代替一部分傳感器，使整個系統變得更加智能。如果把以前的檢測系統看作是電信號反饋系統，則機器視覺的加入使檢測系統由電量反饋系統變成了圖像和電量反饋系統，不僅使機器能夠“看清”內部的工作動態，還能使工作人員也能夠看清內部的工作狀態[3]。

在排水倉中放置一個標記比較清楚的水位標尺桿，然后在水倉的斜上方安裝一部高清的防水、防爆和防腐蝕的工業攝像頭，通過圖像處理識別水位標尺桿上的數字來測定水位高度和水的流速，從而控制水泵的開啟，用攝像頭來代替液位傳感器和流量傳感器。

PLC獲取檢測信號的過程如下：首先，攝像頭獲取一幀彩色圖像，將圖像傳送到地面監控站的上位機中；然后，經過上位機將圖像進行各種算法的處理之后，識別出水位的高度和水的流速；最后，將信號傳送到PLC，控制器根據信號的強弱來控制排水泵。

1.2 控制系統設計

水泵啟動開關的電量參數由PLC控制系統及其配套的A/D模塊和上位機圖像處理軟件共同完成，通過工業以太網將檢測信號上傳到遠程控制中心，控制系統可實現自我檢查。

控制系統有4種控制方式：全自動、半自動、就地手動、遠程手動。

全自動運行時，整個系統就像是一個機器人，攝像頭就是它的眼睛，控制器就相當于它的大腦，眼睛實時采集水倉水位狀態和監控排水倉中的一切事物，并將采集到的水倉水位情況反饋給大腦(控制器)，控制器經過判斷思考(處理)后，按照信號啟停相應的水泵或按照各臺水泵的溫度控制啟動相應水泵的運行或停機。不需要人工參與，并且攝像頭還能記下排水倉內的一切狀況。在運行過程中，下位機脫離上位機的通訊時仍能正常工作。

半自動控制運行時，工作人員按照攝像頭傳回的視頻信息選擇控制啟動排水泵，本功能既有一鍵啟動水泵的功能，也可以根據攝像頭反饋回來的信息進行人為控制需要啟動的水泵，反之關泵也一樣。

遠程控制時，由授權值班工作人員通過上位計算機控制水泵的啟動和停止。系統在正常運行過程中，不論何種工作方式，均可實時將現場的各種參數、視頻信息、設備狀態通過工業以太網傳到遠程控制中心，由遠程工作人員對信息進行相應的操作。

就地手動工作方式時，根據攝像頭反饋回來的水倉水位，通過就地控制柜操作手動控制水泵的啟停。

1.3 監控系統設計

監控系統在煤礦排水系統中也是有著非常重要的作用，它可以間接或直接地給工作人員反饋信息。本系統主要由可編程控制器、工控機、控制柜、網絡交換機、工業攝像頭、電動閥門、真空泵、離心泵和各種傳感器組成，工控機為上位機，其可以作為監控系統的界面，可編程控制器為下位機。

2 礦井排水控制系統硬件選型

2.1 水泵溫度檢測

本系統主要檢測排水泵的溫度，排水泵的溫度只需檢測表面溫度就可以，因此選用Pt100貼片式溫度傳感器，該傳感器安裝方便，用幾顆螺絲就能固定；測溫范圍廣，最低可測-200 ℃，最高可測400 ℃。通過傳感器測量排水泵的溫度，使其輪流替換工作。

2.2 流體壓力檢測

本系統選用MIK-P300壓力變送器，該系列壓力變送器由高性能的薄膜式壓力傳感器與信號調理電路組成，測量范圍為0～1 000 kPa，精度等級有0.5級、0.3級、0.1級可選。該系列的產品技術獨特、性能優越，具有體積小、重量輕、抗腐蝕能力強、安裝簡便、能在惡劣的環境下長期穩定工作的特點，特別適合頻繁沖擊壓力的測量，是目前最理想的流體壓力測量儀表。

2.3 真空度檢測

為了使排水泵能夠安全有效地啟動，就必須選用真空度傳感器檢測排水管道內的真空度，然后根據真空度值控制真空泵和排水泵。本系統選用的真空度傳感器為德國的HM27系列真空/絕壓變送器，該傳感器被廣泛應用于航空航天、醫療設備等自動化領域中。該系列的傳感器精度高、性能穩定可靠、可長期連續使用、抗腐蝕能力強、抗過載能力強、響應快和防爆能力好。

2.4 攝像頭

攝像機是機器視覺系統中的靈魂，在整個系統中占主導地位。攝像頭的功能就是將環境中光信號的強弱程度轉變成不同的電壓信號，然后再將不同的電壓信號轉變成不同的數字存儲到計算機中，數字不同表現出的像素點顏色不同，最后由成千上萬個像素點組成一幅圖像。在機器視覺系統中，選擇一個比較適中的攝像頭是非常重要的，如果選擇的攝像頭像素過大就會給上位機的圖像處理帶來嚴重的負擔，導致處理后的數據錯誤或滯后傳輸；選擇的像素過小，處理完的數據就可能會出現錯誤。因此，攝像機像素的選擇要考慮運行環境、檢測的目標和分辨率。本控制系統選用MV-E系列像素為500萬的CMOS彩色千兆網工業相機，該攝像頭分辨率高、信噪比較好、支持中斷自動連接功能，相機還自帶幀存，支持Windows、Linux下的程序開發。

3 礦井排水控制系統軟件設計

3.1 礦井排水控制系統軟件整體設計

圖2為礦井排水控制系統程序流程。系統啟動后，首先要進行各模塊之間的通訊檢查、系統初始化、檢測各I/O口；然后啟動攝像頭程序，圖像處理程序開始工作，將處理后的信號傳送給PLC；系統進行自檢測，判斷處于什么狀態下工作，然后系統開始處理各個I/O讀入的信號。

圖2 礦井排水控制系統程序流程

3.2 圖像處理

圖3為圖像處理程序流程。系統啟動后，攝像頭也隨之啟動開始工作，讀取圖像，并將圖像傳送到地面的上位機，圖像處理程序開始執行，執行順序為：首先，判斷讀入的圖像是否有效，如果圖像有效，先將傳入的彩色圖像轉化為灰度圖像；然后，將灰度圖像通過高斯濾波、二值化、邊緣化和腐蝕膨脹等算法進行圖像處理，處理完的圖像傳送到識別算法的程序中進行判斷并識別。

圖3 圖像處理程序流程

3.3 水泵啟停

在煤礦的排水控制系統中水泵是被控對象，是系統的核心，因此，水泵的安全啟停在系統中有著舉足輕重的作用。水泵的安全啟停主要有以下因素：①水倉內水位的高低；②水泵的溫度，保護水泵；③真空度；④水倉內水的流速。水泵啟停程序流程見圖4。

圖4 水泵啟停程序流程

4 結語

礦井排水控制系統的實施主要采用了PLC+機器視覺的技術，實現了對井下排水系統的實時監測與監控，避免了對工人造成的傷害，同時保證了井下水位達到一定數值時自動啟停排水泵，從而保證了礦井生產的有序進行。