火電廠輸煤系統(tǒng)煤倉間智慧監(jiān)盤系統(tǒng)設(shè)計

文/楊勇

輸煤系統(tǒng)的智能化已成為一種趨勢，利用巡檢機器人在環(huán)境惡劣的輸煤現(xiàn)場實現(xiàn)自動化的智慧巡檢，準(zhǔn)確識別煤倉是否溢出，皮帶是否撕裂，作業(yè)現(xiàn)場是否有無關(guān)人員進入作業(yè)現(xiàn)場等等。同時，當(dāng)犁煤器進行抬、落動作時，需要切換對應(yīng)的視頻畫面至程控室監(jiān)控屏。目前，機器視覺技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到大力發(fā)展，在輸煤領(lǐng)域也有利用機器視覺實現(xiàn)輸煤皮帶堵煤、撕裂、跑偏等的檢測。本文相較于當(dāng)前解決方案，設(shè)計了基于機器視覺技術(shù)，并結(jié)合輸煤程控現(xiàn)有系統(tǒng)，并聯(lián)控現(xiàn)場工業(yè)電視，當(dāng)對應(yīng)犁煤器動作時，巡檢機器人可自主行走至對應(yīng)位置，采集落煤口視頻，利用機器視覺相關(guān)算法，準(zhǔn)確識別犁煤器是否動作到位，煤倉口是否有煤料溢出等等。

煤倉口的煤料溢出時，可利用光流法、背景差分法等等，準(zhǔn)確識別溢出煤料形成的外形輪廓。本系統(tǒng)可與現(xiàn)有的輸煤程控系統(tǒng)通過通信接口相連接，并將現(xiàn)有的工業(yè)電視系統(tǒng)接入，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的自動控制與視頻聯(lián)動。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 巡檢機器人嵌入式視覺處理單元

本文以溫州發(fā)電有限公司輸煤系統(tǒng)煤倉間為基礎(chǔ)，配套開發(fā)了輸煤系統(tǒng)軌道式巡檢機器人，該機器人架設(shè)安裝在煤倉間皮帶上方，可實現(xiàn)自主行走、沿線設(shè)備的智能檢測燈等。本文在巡檢機器人本體上搭載數(shù)字攝像機，并將視頻信息采集至機載的嵌入式視覺處理單元，系統(tǒng)內(nèi)部的視覺算法依次完成圖像濾波去噪、灰度轉(zhuǎn)換、canny邊緣檢測。同時，將原始圖像進行顏色提取，根據(jù)煤料與背景之間的顏色差異，輔助邊緣檢測的結(jié)果，得出是否煤料溢出的判斷。

本文采用了嵌入式PC作為主控制器，該控制器中搭建Linux操作系統(tǒng)，并移植opencv視覺庫。因輸煤系統(tǒng)巡檢機器人需要處理可見光以及紅外圖像，本文采用了數(shù)字攝像機與紅外熱成像儀作為視頻采集終端。并通過以太網(wǎng)接口與嵌入式PC相連接，視頻碼流在嵌入式PC中進一步壓縮，最終通過無線通信終端傳輸至后臺服務(wù)器。

1.2 輸煤程控系統(tǒng)、機器人通信單元

火電廠輸煤系統(tǒng)一般采用PLC搭建控制系統(tǒng)，針對火電廠輸煤系統(tǒng)煤倉間設(shè)備，程控PLC控制系統(tǒng)可控制現(xiàn)場犁煤器、皮帶機、拉繩開關(guān)、跑偏開關(guān)、撕裂開關(guān)等等。因輸煤程控室往往離輸煤皮帶較遠、離煤倉間也有較遠距離，使得巡檢機器人與輸煤程控系統(tǒng)之間的通信較為困難。本文采用2.4Ghz的無線自組網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，并架設(shè)足夠的中繼器，有效解決輸煤現(xiàn)場設(shè)備互相遮擋，視頻信號傳輸?shù)膸捯?。程控室無線通信網(wǎng)關(guān)選用菲尼克斯工業(yè)無線網(wǎng)控制器，采用12dbi增益的全向玻璃鋼天線，并在天線饋線中段安裝防浪涌裝置，有效降低雷擊、浪涌對設(shè)備的危害。

1.3 工業(yè)電視智慧監(jiān)盤

本文以溫州發(fā)電有限公司輸煤系統(tǒng)煤倉間為基礎(chǔ)，配套開發(fā)了輸煤系統(tǒng)軌道式巡檢機器人，巡檢機器人通過機器視覺算法，將檢測的結(jié)果通過無線通信設(shè)備傳輸至輸煤程控室。輸煤程控室的主控PLC根據(jù)當(dāng)前動作的犁煤器、需要監(jiān)測的煤倉編號，發(fā)出機器人移動位置的指令，使得巡檢機器人行走至作業(yè)點。同時，程控PLC通過以太網(wǎng)口與工業(yè)電視的控制主板相連接，將現(xiàn)場固定機位所采集的對應(yīng)機位的工業(yè)電視畫面，以及巡檢機器人的實時畫面顯示在監(jiān)控大屏上。

此外，為了提高巡檢機器人定位精度，本文所設(shè)計的軌道式巡檢機器人利用兩個驅(qū)動輪、兩個從動輪實現(xiàn)軌道行走，為了實現(xiàn)巡檢機器人在軌道上的準(zhǔn)確定位，本文在主動輪上安裝高精度編碼器，通過記錄主動輪正反轉(zhuǎn)圈數(shù)，實時測得軌道式巡檢機器人的位置。同時，為了消除系統(tǒng)的累積誤差，在軌道上間隔安裝基準(zhǔn)點，提高機器人的定位精度。本文采用了絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器，具備位置唯一、抗干擾、無需掉電記憶。該編碼器通過串行接口與嵌入式云臺控制器相連接，控制器將獲取的位置信息存儲至EEPROM。當(dāng)軌道式巡檢機器人自主巡檢時，只需按照存儲的既定巡檢任務(wù)，行走至對應(yīng)監(jiān)測點，控制云臺，獲取正確的視頻圖像信息。

2 系統(tǒng)算法設(shè)計

2.1 基于背景差分的溢煤檢測

背景差分是一種常見的運動目標(biāo)檢測方法，其原理是通過將視頻碼流中當(dāng)前幀與之前采集的背景圖像進行差分運算，再選取合適的閾值來提取溢出的煤料。背景差分首先要建立一個背景圖像模型，然后利用連續(xù)兩幀之間差分運算的結(jié)果，比對選取的閾值。如果當(dāng)前幀與背景的差值大于選定的閾值則把這些像素點的集合作為疑似區(qū)域，即煤料；如果當(dāng)前幀與背景的差值小于設(shè)定的閾值則把這些像素點看作是靜止區(qū)域，即背景。這樣就把溢出的煤料從圖像中分離出來。

利用背景差分法進行溢出煤料的檢測，其關(guān)鍵是建立圖像檢測的背景模型。本文設(shè)計的輸煤系統(tǒng)煤倉間落煤口，場景較為簡單，背景基本不會發(fā)生什么變化。本文在系統(tǒng)沒有進行上煤操作時，選取多幀數(shù)據(jù)作為背景模型。同時，考慮到火電廠輸煤系統(tǒng)日間、夜間不同的光照條件，本文選取不同時間，不同成像條件下的圖像信息，加權(quán)計算最終的背景模型。

2.2 基于角點檢測的犁煤器動作監(jiān)測

輸煤系統(tǒng)犁煤器一般為三角形狀，具有典型的角點特征，本文采用哈里斯角點檢測算法實現(xiàn)對犁煤器抬到位、落到位的監(jiān)測。其算法基本思想是使用一個固定窗口在圖像上進行任意方向上的滑動，比較滑動前與滑動后兩種情況，窗口中的像素灰度變化程度，如果存在任意方向上的滑動，都有著較大灰度變化，那么我們可以認為該窗口中存在角點。在系統(tǒng)初始設(shè)置階段，只需操作工人在現(xiàn)場手動操作犁煤器完成一次完整的抬到位、落到位，系統(tǒng)即可準(zhǔn)確完成標(biāo)定工作。

2.3 基于機器學(xué)習(xí)的皮帶落物檢測

在輸煤現(xiàn)場中，皮帶落是指意外掉落在輸煤皮帶上的無關(guān)雜物，例如工具、衣物、板材、甚至人或者動物等，及時識別落物，并發(fā)出安全預(yù)警，對于輸煤系統(tǒng)的安全生產(chǎn)有重大意義。

機器學(xué)習(xí)算法可以分為三大類：監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)和強化學(xué)習(xí)。監(jiān)督學(xué)習(xí)可用于一個特定的數(shù)據(jù)集（訓(xùn)練集）具有某一屬性（標(biāo)簽），但是其他數(shù)據(jù)沒有標(biāo)簽或者需要預(yù)測標(biāo)簽的情況。無監(jiān)督學(xué)習(xí)可用于給定的沒有標(biāo)簽的數(shù)據(jù)集（數(shù)據(jù)不是預(yù)分配好的），目的就是要找出數(shù)據(jù)間的潛在關(guān)系。強化學(xué)習(xí)位于這兩者之間，每次預(yù)測都有一定形式的反饋，但是沒有精確的標(biāo)簽或者錯誤信息。本文涉及的應(yīng)用場景中，皮帶落物的種類一般為工具、衣物、板材、甚至人或者動物等。上述物體的形態(tài)、顏色都有較大差異，通過機器學(xué)習(xí)算法對上述物體進行學(xué)習(xí)，提高對物體識別的準(zhǔn)確率。

3 系統(tǒng)運行界面

圖1：系統(tǒng)運行界面圖

本文將工業(yè)電視與輸煤程控系統(tǒng)融合在一起，利用機器視覺技術(shù)，實現(xiàn)了視頻與程控系統(tǒng)的聯(lián)動，軟件采用intouch與QT上位機設(shè)計軟件，運行界面如圖1。

4 小結(jié)

本文以溫州發(fā)電有限公司輸煤系統(tǒng)煤倉為案例，設(shè)計了基于機器視覺以及程控PLC系統(tǒng)的智慧監(jiān)盤系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了煤倉間上煤自動監(jiān)控，為機器視覺在傳統(tǒng)輸煤領(lǐng)域的應(yīng)用進行了探索。