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