自动化控制
• Automatic Control
120 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering
习输煤系统的智能化已成为一种趋势，利用巡检机器人在环境恶劣的输煤现场实现自动化的智慧巡检，准确识别煤仓是否溢出，皮带是否撕裂，作业现场是否有无关人员进入作业现场等等。同时，当犁煤器进行抬、落动作时，需要切换对应的视频画面至程控室监控屏。目前，机器视觉技术已经在很多领域得到大力发展，在输煤领域也有利用机器视觉实现输煤皮带堵煤、撕裂、跑偏等的检测。本文相较于当前解决方案，设计了基于机器视觉技术，并结合输煤程控现有系统，并联控现场工业电视，当对应犁煤器动作时，巡检机器人可自主行走至对应位置，采集落煤口视频，利用机器视觉相关算法，准确识别犁煤器是否动作到位，煤仓口是否有煤料溢出等等。 无线视频服务器
煤仓口的煤料溢出时，可利用光流法、背景差分法等等，准确识别溢出煤料形成的外形轮廓。本系统可与现有的输煤程控系统通过通信接口相连接，并将现有的工业电视系统接入，实现现场设备的自动控制与视频联动。
1 系统总体设计
1.1 巡检机器人嵌入式视觉处理单元
本文以温州发电有限公司输煤系统煤仓间为基础，配套开发了输煤系统轨道式巡检机器人，该机器人架设安装在煤仓间皮带上方，可实现自主行走、沿线设备的智能检测灯等。本文在巡检机器人本体上搭载数字摄像机，并将视频信息采集至机载的嵌入式视觉处理单元，系统内部的视觉算法依次完成图像滤波去噪、灰度转换、canny 边缘检测。同时，将原始图像进行颜提取，根据煤料与背景之间的颜差异，辅助边缘检测的结果，得出是否煤料溢出的判断。
本文采用了嵌入式PC 作为主控制器，该控制器中搭建Linux 操作系统，并移植opencv 视觉库。因输煤系统巡检机器人需要处理可见光以及红外图像，本文采用了数字摄像机与红外热成像仪作为视频采集终端。并通过以太网接口与嵌入式PC 相连接，视频码流在嵌入式
火电厂输煤系统煤仓间智慧监盘系统设计
文/杨勇
PC 中进一步压缩，最终通过无线通信终端传输至后台服务器。
1.2 输煤程控系统、机器人通信单元
火电厂输煤系统一般采用PLC 搭建控制系统，针对火电厂输煤系统煤仓间设备，程控PLC 控制系统可控制现场犁煤器、皮带机、拉绳开关、跑偏开关、撕裂开关等等。因输煤程控室往往离输煤皮带较远、离煤仓间也有较远距离，使得巡检机器人与输煤程控系统之间的通信较为困难。本文采用2.4Ghz 的无线自组网通信网络，并架设足够的中继器，有效解决输煤现场设备互相遮挡，视频信号传输的带宽要求。程控室无线通信网关选用菲尼克斯工业无线网控制器，采用12dbi 增益的全向玻璃钢天线，并在天线馈线中段安装防浪涌装置，有效降低雷击、浪涌对设备的危害。1.3 工业电视智慧监盘全息打印
本文以温州发电有限公司输煤系统煤仓间为基础，配套开发了输煤系统轨道式巡检机器人，巡检机器人通过机器视觉算法，将检测的结果通过无线通信设备传输至输煤程控室。输煤程控室的主控PLC 根据当前动作的犁煤器、需要监测的煤仓编号，发出机器人移动位置的指令，使得巡检机器人行走至作业点。同时，程控PLC 通过以太网口与工业电视的控制主板相连接，将现场固定机位所采集的对应机位的工业电视画面，以及巡检机器人的实时画面显示在监控大屏上。
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此外，为了提高巡检机器人定位精度，本文所设计的轨道式巡检机器人利用两个驱动轮、两个从动轮实现轨道行走，为了实现巡检机器人在轨道上的准确定位，本文在主动轮上安装高精度编码器，通过记录主动轮正反转圈数，实时测得轨道式巡检机器人的位置。同时，为了消除系统的累积误差，在轨道上间隔安装基准点，提高机器人的定位精度。本文采用了绝对型旋转编码器，具备位置唯一、抗干扰、无需掉电记忆。该编码器通过串行接口与嵌入式云台控制器相连接，控制器将获取的位置信息存储至EEPROM 。当轨道式巡检机器人自主巡检时，只需按照存储的既定巡检任务，行走至对应监测点，控制云台，获取正确的视频图像信息。
2 系统算法设计
2.1 基于背景差分的溢煤检测
背景差分是一种常见的运动目标检测方法，其原理是通过将视频码流中当前帧与之前采集的背景图像进行差分运算，再选取合适的阈值来提取溢出的煤料。背景差分首先要建立
一个背景图像模型，然后利用连续两帧之间差分运算的结果，比对选取的阈值。如果当前帧与背景的差值大于选定的阈值则把这些像素点的集合作为疑似区域，即煤料；如果当前帧与背景的差值小于设定的阈值则把这些像素点看作是静止区域，即背景。这样就把溢出的煤料从图像中分离出来。
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利用背景差分法进行溢出煤料的检测，其关键是建立图像检测的背景模型。本文设计的输煤系统煤仓间落煤口，场景较为简单，背景基本不会发生什么变化。本文在系统没有进行上煤操作时，选取多帧数据作为背景模型。同时，考虑到火电厂输煤系统日间、夜间不同的光照条件，本文选取不同时间，不同成像条件下的图像信息，加权计算最终的背景模型。2.2 基于角点检测的犁煤器动作监测
输煤系统犁煤器一般为三角形状，具有典型的角点特征，本文采用哈里斯角点检测算法实现对犁煤器抬到位、落到位的监测。其算法基本思想是使用一个固定窗口在图像上进行任意方向上的滑动，比较滑动前与滑动后两种情况，窗口中的像素灰度变化程度，如果存在任意方向上的滑动，都有着较大灰度变化，那么我们可以认为该窗口中存在角点。在系统初始设置阶段，只需操作工人在现场手动操作犁煤器完成一次完整的抬到位、落到位，系统即可准确完成标定工作。
2.3 基于机器学习的皮带落物检测
在输煤现场中，皮带落是指意外掉落在输煤皮带上的无关杂物，例如工具、衣物、板材、甚至人或者动物等，及时识别落物，并发出安全预警，对于输煤系统的安全生产有重大意义。
机器学习算法可以分为三大类：监督学习、无监督学习和强化学习。监督学习可用于一个特定的数据集（训练集）具有某一属性（标签），但是其他数据没有标签或者需要预测标签的情况。无监督学习可用于给定的没有标签的数据集（数据不是预分配好的），目的就是要出数据间的潜在关系。强化
学习位于这两者之间，每次预测都有一定形式的反馈，但是没有精确的标签或者错误信息。本文涉及的应用场景中，皮带落物的种类一般为工具、衣物、板材、甚至人或者动物等。上述物体的形态、颜都有较大差异，通过机器学习算法对上述物体进行学习，提高对物体识别的准确率。
3 系统运行界面
本文将工业电视与输煤程控系统融合在
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Automatic Control •
自动化控制
Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 121
【关键词】电气工程 自动化 智能技术 应用
1 引言
随着社会的不断发展，我国经济持续增长，在工业生产中需要应用到更多的资源，所以在进行电气工程的自动化运行时也需要越来越多的资源作为电气工程生产的支撑。目前我国的电气工程已经深入到各个生产领域，因此电气工程的自动化运行就显得尤为重要，工程运行效率关系着企业的经济效益增长，通过智能化技术应用能够有效实现电气工程自动化的运行效率提升，而且有效实现了电气工程中生
电气工程及其自动化的智能化技术
文/庞保柱
产的安全性和稳定性，促进了企业的进一步发
展。
2 电气工程自动化智能技术应用的优势
2.1 功能便捷
在电气自动化系统中应用智能化技术能
够通过相应的智能控制器实现对系统的调节，让系统发挥最大的功能性，而且应用智能化控制器可以实现响应系统的变化，逐渐提升设备自身性能，确保电气工程自动化控制的良好应用。与以往的自动控制器相比，智能控制器在
功能调节上能够发挥最大的价值，同时也更加适合电气工程自动化的具体应用。另外，应用智能化控制器还可以实现电气工程自动化生产中的远程控制，实现远程对数据的分析和掌握，最终实现无人化管理，有效推进电气工程的良好发展。
2.2 提高工作准确性
在应用以往的自动化控制器进行电气工程自动化生产控制时，需要明确掌握控制的对象，还要加强对内部变化的掌握实现，电气自动化中的模型设计其中存在非常多的影响因素，如果不能合理的实现影响因素控制，将会造成模型设计的准确性不高，严重影响到电气工程自动化工作效率，也不能达到电气工程自
动化生产目标。而在应用智能化控制器之后，可以实现对控制对象的模型设计，不需要对影响因素进行分析，利用智能化控制器可以实现自动掌握相关因素的变化，提升了电气工程中运行的科学性和稳定性。2.3 细化程度高
在电气工程自动化运行时，应用智能化控制器能够提升细化能力，在不同的数据处理过程中可以实现数据的细化，即使是输入了陌生数据，也可以实现对数据的细化，极大程度满足电气工程自动化生产需要。通过对智能控制器的应用，可以实现被控制对象的不同效果，也可以实现效果的提升，当控制系统中的控制对象出现变化时，将不能够实现良好的控制对一起，利用机器视觉技术，实现了视频与程控
床铰
系统的联动，软件采用intouch 与QT 上位机设计软件，运行界面如图1。
4 小结
本文以温州发电有限公司输煤系统煤仓为案例，设计了基于机器视觉以及程控PLC 系统的智慧监盘系统。该系统实现了煤仓间上煤自动监控，为机器视觉在传统输煤领域的应用进行了探索。
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参考文献
[1]宋晓明.变电站智能巡检机器人关键技术
研究[D].长沙理工大学,2013.
[2]鲁守银，苏建军.机器人在变电站设
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[3]矫德余.基于嵌入式系统的智能巡检机器
人研制[D].
中国石油大学,2010.
[4]高青.山西长治久安变电站巡检机器人的
应用研究[D].华北电力大学,2012.
作者简介
杨勇（1973-），男，浙江省温州市人。大学本科学历。技术主管，工程师。研究方向为电气自动化。
作者单位
浙能温州发电有限公司 浙江省乐清市 325602
图1：系统运行界面图
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