基于视频监控与PLC的选煤厂皮带机自动化控制系统设计_刘安重.pdf

收稿日期:2023 04 14第一作者:刘安重(1971)，本科，高级工程师，研究方向为电气自动化。E mail:byfeng163163 com基于视频监控与 PLC 的选煤厂皮带机自动化控制系统设计刘安重(国家能源集团准能集团选煤厂，内蒙古 鄂尔多斯 010399)摘要:针对选煤厂皮带机自动化控制系统对皮带机日常运行的监控能力差，导致皮带机故障识别准确性低、控制指令响应时间长的问题，设计基于视频监控与 PLC 的选煤厂皮带机自动化控制系统。硬件方面增设了视频监控设备，增加了传感器部分，更新 CPU 处理器并优化 CPU 开发板参数，同时，增设了 PCL 控制装置，优化视频监控传感器参数和系统视频监控功能。软件方面设定PLC 编程环节，使用视频监控与 PLC 模块采集数据，通过最值法对视频监控采集结果进行预处理。采用双线性变换法，将高通模拟滤波器转化为高通数字滤波器，并采集结果进行滤波处理，获取相应的控制指令，构建 PID 控制器，实现选煤厂皮带机自动化控制。系统应用测试结果表明，该系统可有效提升皮带机故障识别准确性，缩短系统报警延迟与控制指令响应时间，进一步提升皮带机的自动化控制能力。关键词:视频监控;PLC 装置;自动化控制;可编程逻辑控制器;洗煤厂;皮带机中图分类号:TM762文章编号:1000 0682(2023)04 0018 05文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th 2023 04 004Design of automatic control system for belt conveyor in coalpreparation plant based on video monitoring and PLCLIU Anzhong(National Energy Group Zhuneng Coal Preparation Plant，Ordos City，Inner Mongolia Autonomous egion 010399，China)Abstract:In response to the poor monitoring ability of the automatic control system of the belt con-veyor in the coal preparation plant to the daily operation of the belt conveyor，which leads to low accuracyin identifying belt conveyor faults and long response time to control commands，a coal preparation plantbelt conveyor automatic control system based on video monitoring and PLC is designed In terms of hard-ware，video monitoring equipment has been added，sensor components have been added，CPU processorshave been updated，and CPU development board parameters have been optimized At the same time，PCL control devices have been added to optimize video monitoring sensor parameters and system videomonitoring functions In terms of software，PLC programming is set up，and video monitoring and PLCmodules are used to collect data The video monitoring collection results are preprocessed using the maxi-mum value method By using bilinear transformation method，the high pass analog filter is transformedinto a high pass digital filter，and the results are collected for filtering processing，obtaining correspond-ing control instructions，and constructing a PID controller to achieve automatic control of the belt convey-or in the coal preparation plant The system application test results indicate that，the system can effec-tively improve the accuracy of belt conveyor fault identification，shorten the system alarm delay and con-trol command response time，and further improve the automatic control capability of the belt conveyorKeywords:video surveillance;PLC device;automatic control;PLC;coal washing plant;belt con-veyor81工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期0引言煤炭作为当前应用较为稳定的资源，在我国的工业建设中起到了十分重要的作用。随着工业制造业对煤炭需求量的不断增加，煤炭产业需要对其进行精细化处理1 2。在煤炭的开采作用中，需要进行远距离的运输，且煤炭本身会造成机械损失。因此，需要对煤炭进行选择，大量的选煤厂应运而生。当前，大量的选煤厂通过皮带机对预选煤炭进行运输与识别，进一步提升了煤炭细化选择的质量与速率。皮带机在洗煤厂智能生产线上起到了不可替代的作用，进一步提升了洗煤厂劳动生产力，降低了洗煤厂人工成本。以往的皮带机控制过程中，多使用选煤厂皮带机自动化控制系统对其进行管控，但整体管控效果较差不能达到人们预期的效果3 4。对比多种设备与技术后，选择视频监控技术与 PLC 模块对当前的选煤厂皮带机自动化控制系统进行优化，对原有系统的硬件与软件模块进行完善，以此提升皮带机自动化控制效果。1皮带机自动化系统优化设计根据当前皮带机自动化系统存在的问题，对系统的硬件部分进行针对性完善，完善后系统硬件框架如图 1 所示。图 1皮带机自动化系统硬件结构图如图 1 所示，本次研究中对原有自动化系统中增设了视频监控设备与 PCL 控制装置。为保证此两部分设备可应用到原有系统框架中，同期增加了传感器部分，具体优化内容设定如下。由于原有系统分为主站与分站两部分，需要对两者的 CPU 进行更新。对比多种 CPU 处理器后，选择西门子 CPU 作为主站与从站的核心处理器，具体芯片型号为 SIMATIC 57 12005。此芯片具有扩展性强、设计灵活度较高的特点，且整体编程较为便利，可适应洗煤厂工作环境。按照上述设定，对CPU 开发板参数进行优化:(1)接口:S232;(2)WAN/LAN:以太网;(3)通信技术:5G;(4)供电方式:直流供电;(5)额定电压:9 V 36 V;(6)工作温度:20 50;(7)工作湿度:10%H 80%H;(8)安全防护:IP30。1 1视频监控设计由于皮带机传送带整体较长，需要增加大量的视频监控传感器。为实现视频监控传感器的稳定运行，在原有的系统硬件中增加了专门负责通讯的CM 1241 S485 模块。考虑到此次研究中应用了PLC 控制装置，需要对视频监控传感器参数进行优化，优化后结果如下所示:(1)接口类型:S485;(2)数据位:8;(3)通信技术:4G;(4)安装方式:壁挂安装或落地安装;(5)工作温度:20 50;(6)工作湿度:10%H 80%H;(7)工作气压:75 kPa 100 kPa。对上述参数进行整理，使用此对预选硬件进行调试，将调试后的硬件按照到当前的系统硬件框架中，优化系统视频监控功能。1 2PLC 装置设计本次研究中，将 PLC 装置安装到分站控制器CPU 中，使其对监控装置以及分站中的其他设备进行控制。与此同时，使用此装置对预设的控制指令进行编程分析，将其转化为分站可使用的自动化控制指令，使皮带机可按照预设的生产程序工作。对比多种 PLC 装置后，将其基本结构设定如图 2所示。图 2PLC 装置硬件结构图912023 年第 4 期工业仪表与自动化装置如图 2 所示，此 PLC 装置中设有独立电源，此电源主要由隔离变压器与 PS3076 7 组成。与此同时，此装置中含有独立的网络接口与总线接口，可实现系统网络连接，通过网络信息传输的方式实现分站与总站的互联，实现皮带机监控与管理的协调。对上文中设定内容进行整理，将其按照图 1 中内容进行有序连接，以此完成对系统硬件的优化。2皮带机自动化控制方法设计2 1PLC 模块编程本次研究中，使用视频监控与 PLC 模块进行数据采集。通过文献研究发现，PLC 在网络中共设有2 种通信方式，分别为串行通信与并行通信，此次研究中将着重使用串行通信方式。本次研究中，将 PLC 编程环节设定如下:(1)准备工作。明确皮带机的工作流程与控制有要求，将控制系统划分为多个模块，确定每个模块的工作要求，并进行相应的编程，简化编程内容;(2)设计出程序逻辑流程图8 9。根据模块内容与要求，按照各个模块之间的联系，绘制出完整的流程图，为后续的程序编程提供基础，使工作流程步骤化;(3)编写控制流程。根据前期设定的流程，分模块进行程序编写，确定模块程序之间的联系，将其汇总为系统程序，增强程序可读性;(4)模拟调试。在 PLC 模块编程完成后，使用系统总线将此程序导入到 PLC 模块中，修改程序中的错误与漏洞;(5)整理编程文件。对编程完成的文件进行存储处理，将其导入系统的总站控制终端，通过其实现系统的控制性能。2 2视频监控预处理为了更好实现视频监控的应用效果，首先对视频监控采集结果进行预处理。通过最值法将采集到的图像中 GB 分量最为明显的分量作为当前像素的灰度值，则有:H(x，y)=max(，G，B)(1)此环节处理完成后，会出现部分模糊图像，使用下述公式对图像进行退化处理，则有:h(x，y)=f(x，y)g(x，y)+n(x，y)(2)其中:f(x，y)表示原始图像;g(x，y)表示点扩散函数;n(x，y)表示图像中的噪声函数;表示卷积函数。应用此公式，对图像中的模糊位置进行初次处理，并使用点扩散函数10 11 对动态模糊点进行处理，则有:w(x，y)=1TT0p(x vtcos，y vtsin)dt(3)其中:v 表示视频监控传感器运动速度;表示视频监控传感器相对移动位置;w(x，y)表示视频监控设备获取到的最后图像;p(x，y)表示原始图像上坐标(x，y)的像素值。此计算环节完成后，使用 Lpalacian 函数对图像的空间域进行测定，则有:p(x，y)=0101 41010(4)通过空间域分析可以更好地完成图像空间的测定。根据上述部分，对图像中的模糊位置进行处理，并将其作为后续控制指令编程基础。2 3PID 控制设定考虑到皮带机控制过程中，使用视频监控设备采集到的内容需要进行相应的处理过程。根据图像处理要求，通过传输函数 A(x)表示采集的图像，并通过滤波器将其转换为 A(y)。此次研究中使用冲击函数12 14 作为系统的控制信号，将信号归一处理为低通 F(x)形式，假设滤波器的阶数设定为 N=3，则有:F(x)=1(x3+2x2+2x+1)(5)根据公式(1)模拟低通到高通的频率变化，并模拟得到高通 F(y)，则有:F(y)=F(x)y3(y3+2x2+22x+3)(6)其中:=2fp，fp表示截至频率。根据双线性变换法，将高通模拟滤波器转化为高通数字滤波器:F(y)=FA(x)(7)使用上述公式，对采集到的图像信号进行滤波处理，获取相应的控制指令。将此部分信号作为输入量，构建 PID 控制器15 17，此控制器输入量与输出量之间的关系可表示为:u(kT)=k1g(kT)+TTikj=0g(jT)+TdTg(kT)g(kT T)(8)其中:k1表示控制比例系数;Ti表示积分时间常数;Td表示微分时间常数;g 表示控制误差系数;j 表示滤波器处理系数。对上述内容进行整理，得到此次研究中提出的控制器，并将其应用到系统软件模块中。02工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期3系统应用测试3 1系统测试准备此次系统测试中，默认系统的功能模块可正常使用。并通过此系统对皮带机的基础运行过程进行检测，检测结果如 3 所示。图 3皮带机视频监测结果由图 3 可以确定，文中系统具有较高的皮带机检测能力，在此次研究中将获取 5 组皮带机运行 10分钟的视频作为数据基础，使用文中系统、基础系统以及机器视觉系统对皮带机的胶带跑偏以及锚杆误放问题进行检测，并将 3 种不同系统的异常识别准确性、报警延迟时间和指令响应时间作为测试指标，以此获取文中系统的基础性能分析结果。3 2皮带机运行异常识别准确性测试分析选煤厂皮带机在运行过程中容易出现皮带损坏或断裂、皮带导向偏差和传动机构故障等问题，影响皮带机的正常运行，为此测试 3 种系统的异常识别准确性，以提高皮带机的安全性。按照上文中设定的系统测试环节，所测测试结果如图 4 所示。图 4皮带机运行异常识别准确性测试结果对上述实验结果进行分析可以看出，在不同的皮带机运行问题识别过程中。文中系统在对胶带跑偏故障与锚杆误放进行识别时，识别准确率最高可达到 99%，整体识别准确率较高，进一步的保证了皮带机控制指令编程结果的可靠性与科学性。与文中系统相比，机器视觉系统和机器视觉系统的最高识别准确率可达到 97%，整体识别准确率水平较低，使用其无法获取到较为有效的控制指令，且在指令编程过程中需要对指令进行大量复核，会对指令编写时间与报警时间造成影响。综上所述，文中系统在增加视频监控后可有效提升控制系统的故障识别能力。3 3系统报警延迟测试分析在选煤厂皮带机的运行过程中，通过系统报警可实时监测设备的运行状态，提高设备的可靠性和稳定性。若系统报警的延迟长，则会增加设备运行的安全风险，降低生产效率。为此，测试 3 种不同系统的报警延迟，延迟越短，表明系统的报警能力越高，测试结果如图 5 所示。图 5系统报警延迟测试结果122023 年第 4 期工业仪表与自动化装置对上图实验结果进行分析可以看出，无论是胶带跑偏故障还是锚杆误放故障，文中系统在对皮带机故障进行预警时，报警延迟始终低于 1 min，可在最短的时间内完成预警信息的编写，并在短时间内将编写好的信息发送出去。与文中系统相比，机器视觉系统和基础系统的报警延迟较长，其中，基础系统在胶带跑偏预警中的最高延迟达到了 2 2 min，机器视觉系统在锚杆误放预警中的最高延迟达到了2 5 min，两种对比系统的报警延迟均高于文中系统。综上所示，文中系统的报警能力相对较高。3 4系统控制指令响应时间测试分析系统控制指令响应时间是指控制系统接收到指令到做出响应的时间，响应时间的长短将直接影响到设备的控制精度和响应速度，系统响应时间越短，系统的控制能力越佳，测试结果如图 6 所示。图 6系统控制指令响应时间测试结果对上图实验结果进行分析可以看出，文中系统在根据控制指令对皮带机进行控制时，可在最短的时间内对皮带机的运行状态进行调整，不论是胶带跑偏控制指令响应时间还是锚杆误放控制指令响应时间，始终低于 1 5 min。与文中系统相比，机器视觉系统和基础系统的响应时间分别在 2 5 min 和2 0 min 左右，响应时间较长。其中，基础系统在两种系统控制指令中的响应时间最长，最高响应时间达到2 7 min，这两种系统在实际应用过程中需要消耗大量的时间分析控制指令，控制性能较差。综合上述测试结果可以确定，文中系统的监控能力与控制能力均为 3 种系统中最佳，使用其可进一步提升皮带机的运行效果。4结束语此次研究针对当前皮带机自动化控制系统的性能问题，对其进行了针对性的优化与完善。通过硬件优化与软件完善的方式，对系统的应用效果进行针对性提升，并通过系统测试的方式确定文中系统的应用效果。随着科技的发展，可应用的硬件种类逐渐增加，在日后的研究中，还需不断将更先进的硬件设备应用到控制系统中，以此保证控制系统的控制效果。参考文献:1 郭庆华，卫中宽，张树森，等 基于选煤信息模型的智能化选煤厂三维可视化管理平台设计J 工矿自动化，2022，48(11):54 62 2 王伟伟，项世珍，董盛鹏，等 PAL 视频监控系统实时性分析和优化J 计算机应用，2021，41(S2):330 334 3 夏中，向敏，黄春梅 基于 CHBL 的 P2P 视频监控网络分层管理机制J 计算机科学，2021，48(09):278 285 4 蒋继红，李凯勇 自动化包装机械运行速度智能控制系统开发设计J 机械设计与研究，2022，38(02):23 26 5 赵亮，孙魁元，韩宝虎，等 基于人工智能视频分析的选煤厂安全管理研究J 中国安全科学学报，2021，31(S1):19 23 6李康，丁为民，郭彬彬，等 基于 PLC 和云平台的鹅孵化机监控系统设计与试验J 华南农业大学学报，2022，43(01):110 119 7 郭玉静，夏淑红 基于组态王和 PLC 的双锯片抛光机控制系统设计J 机床与液压，2021，49(10):99 102 8 赵亚坤，王然风，付翔 基于煤位连续检测的煤仓块煤精准落煤自动控制系统设计J 煤炭工程，2021，53(05):23 27 9陈瑜，郑欢，马瑞峻，等 基于 PLC 的拔抛秧机械手监控系统设计与试验J 华南农业大学学报，2021，42(05):97 104 10 陈汐，韩译锋，闫云凤，等 目标物智能跟踪与分割融合算法及其在变电站视频监控中的应用 J 中国电机工程学报，2020，40(23):7578 7587 11 陶锋，夏玉龙，崔文露，等 基于无线网桥的鄂北调水工程视频监控系统建设J 人民长江，2020，51(03):213 217(下转第 53 页)22工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期很好地实现多轴联动、手动运行、自动运行等功能，较好地完成自动装箱工作;并采用伺服反复示教的方法改变各控制点位的脉冲量，在保证生产线不间断运行的同时，进一步提高了自动化包装生产线的钢瓶装箱效率，从而提高生产效益。5结论根据自动化包装生产线的工作要求，对其装箱控制系统进行设计，采用上、下位机结合的控制方式，以 HMI 作为上位机，实现对系统运行状态的可视化监控，以 PLC 作为下位机，完成对钢瓶入箱动作的控制。实验结果表明，该装箱控制系统不仅可以实现对夹爪运行过程中各点位的精准控制，还能实时监控夹爪的工作状态，达到 16 个钢瓶/min 的装箱速度，满足设计要求和实际应用，为自动化包装生产线提供解决方案，可以在智能工厂中得到广泛运用。参考文献:1 胡兵，王小娟 基于 PLC 和触摸屏的马口瓶装箱机控制系统设计 J 包装工程，2017，38(05):157 161 2 林蒙丹，赵雪林 基于 PLC 的自动包装码垛生产线的研究与设计 J 包装工程，2019，40(11):148 154 3 葛畅 基于 PLC 的伺服装箱机控制系统的设计 J 包装与食品机械，2019，37(04):40 42 4常庆麒，赵海文，郝斌，等 基于 PLC 的电梯厅门机器人装箱控制系统设计 J 机床与液压，2018，46(03):75 78 5 霍天龙，张博 基于颜色识别的分类码垛机系统集成 J 机电工程技术，2021，50(03):135 138 6 曹麟，王耀南，肖方良，等 基于机器视觉的全自动智能包装系统 J 仪表技术与传感器，2010(03):22 24+27 7 王纯贤，郭会元，高世安，等 精裱纸盒自动装箱工作站设计与开发J 现代制造工程，2019(08):114119 8 LUO D Design and implementation of automatic packingmachine system based on PLCJ Frontiers in Compu-ting and Intelligent Systems，2022，2(1):129 131 9 杨旻，李光“不知火”柑橘全自动包装生产线的设计与研究 J 包装工程，2021，42(09):221 229 10 邹新 基于 PLC 和触摸屏的伺服定位系统设计J 现代制造技术与装备，2017(06):77 79 11 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