智能锌镁矿热炉开炉机器人控制系统设计
时间：2021-04-07 08:00:23 来源：达达文档网 本文已影响 人 
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摘要：为了提高矿热炉出炉效率，降低生产能耗，改善生产环境，通过对现有出炉工艺及出炉设备的研究，设计了一种基于工业控制计算机的智能化锌镁矿热炉开炉机器人。本文介绍了出炉机器人系统构成，基本工作原理、电气控制系统组成及控制算法。着重介绍了智能出炉机器人电气控制部分的设计思路及智能识别算法，该系统结构简单，安装维护成本低，可在金属冶炼领域中推广和运作，具有很好的节能效果及经济效益。
Abstract： The intelligent zinc-magnesium submerged arc furnace discharged robot based on industrial control computer was designed by studying the existing process and equipment of submerged arc furnace， in order to improve the efficiency， reduce the energy consumption and improve the production environment. This article describes the robot"s structure， electrical control system and control algorithm. It mainly introduces the design idea and intelligent identification algorithm of the electrical control part of the intelligent furnace discharged robot. The system has simply structure， low installation and maintenance cost， and can be popularized and operated in the field of metal smelting.
关键词：开炉机器人;智能识别;ARM cotex STM32;Canny边缘检测算法
Key words： submerged arc furnace discharge robot;Intelligent Identification;ARM cotex STM32;Canny edge detection algorithm
中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）28-0207-03
0 引言
矿热炉又称电弧电炉或电阻电炉是一种耗电量巨大的工业电炉，主要用于还原冶炼矿石，碳质还原剂及溶剂等原料，是生产锰铁、硅铁、钨铁、铬铁和硅锰合金等铁合金的关键设备。由于原材料中所含的矿物质较多，矿热炉在冶炼过程会产生较多的矿物沉淀，这些沉淀物易堵塞出料孔，使矿热炉的出料速度缓慢导致冶炼效率下降，能耗浪费巨大。而矿热炉在冶炼之后炉内温度高达1500余度，人工进行堵眼及炉口清渣操作难度大、危险性高，且耗时长不利于安全生产及节能，因此本文介绍一种具有智能识别功能的锌镁矿热炉开炉机器人，实现对矿热炉开炉全过程智能控制，最大限度降低设备功耗、减少人员参与，排除安全隐患、提高生产效率[1]。
1 矿热炉炉前作业机器人系统构成
开炉机器人主要由基础轨道、开炉钻孔平台、堵眼机构、自动氧管、钢钎切换盒、自动氧管连接机构、往复运行机构、监测机构、远程控制模块5部分组成。如图1所示。
2 系统基本工作原理
根据矿热炉出炉工艺要求，方案设计采用机械液压系统，综合应用动态图像分析理论、机器人神经元网络系统辨识理论，现代自动控制理论，计算机软件C++语言算法设计等技术，实现矿热炉开炉钻眼、人工通氧、人工钢钎往复助流、泥炮堵眼，全过程无人值守。系统结构框图如图2所示。
出炉机器人与企业中控室之间通过无线网桥/工业光纤通信实现互联，中控室判断开炉时间，向开炉机器人发出开炉指令，机器人中央控制计算机—工业嵌入式ARM系统发出指令，控制机器人的炉前高温摄像镜头获取炉眼位置空间坐标，在出炉口建立空间坐标系，中央控制计算机根据坐标位置驱动车体三轴向电机、液压运动系统运动，使开眼机构钻头位置和炉眼位置对准，并控制钻眼钻头在炉眼位置开孔钻眼，当钻头内置深度传感器判断当前钻眼深度符合要求时，钻头快速自动撤离;钻头撤出后，图像分析系统分析当前炉眼炉液流动情况，判断是否需要通氧烧穿作业，如不需要，设备进入捅钎助流待命阶段。如果需要通氧烧穿操作，则自动通氧系统介入，向炉眼内部输送氧管，并开通氧气起弧，促进炉眼未熔化的炉料熔化，高温摄像镜头实时监控炉眼，当检测到有熔液流出，中央计算机控制通氧阀关闭，停止通氧并撤离通氧机构，并进入钢钎助流待命阶段;当视觉系统检测炉眼的炉渣过多，熔液流量较低时，中央计算机迅速调整姿态，根据当前各机构的坐标位置，控制捅钎机构中心和炉眼位置对准，并控制钢钎输送机构，驱動助流钢钎在炉眼内部做往复运动实现助流，同时控制系统根据摄像头采集的炉眼流量情况更换钢钎，确保熔液顺利流出;待熔液流尽后，中央计算机控制捅钎机构撤回助流装置，启动堵炉眼装置，由液压系统执行堵眼工作自动完成出炉工作。
3 出炉机电气控制系统构成
①控制系统硬件，以ARM Cotex STM32F407嵌入式MCU为核心，搭载液压阀体驱动电路、液压电磁阀、大车行进电机驱动电路、大车行进电机、高清网络摄像头、堵泥传感器、凿岩传感器、小车位置传感器、温度传感器、震动传感器、流量传感器、扭矩传感器及远程控制工控机等构成具有人机交互功能的硬件平台[2]，硬件构架原理图如图3所示。
②软件采用跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架QT编写完成，采用多任务、多线程的编程方法，实现对出炉机器人各功能单元的控制管理、信息采集及汇总处理，其主要功能包含：系统管理、基础信息存储查询、控制管理、历史数据查询等。系统管理程序主要包括初始化子模块、文件处理子模块、人机界面子模块。初始化子模块完成运动控制模块初始化、传感器初始化、电动机、机器人状态初始化等。文件处理子模块完成历史数据的记录分析，人机界面子模块完成机器人状态的实时监控、各种参数的输入、曲线显示等。控制类程序是整个软件系统的核心，包括传感器数据处理子模块、机器人运动规划子模块、运动控制子模块。传感器数据处理子模块主要完成传感器数据的采集、处理等;机器人运动规划子模块主要是根据系统据传感器数据信息对机器人运动状态进行判断，并利用优化算法规划机器人的运动过程;运动控制子模块主要是接收工控机指令，对机器人进行移动控制。
③出炉机器人智能识别系统设计。
出炉机器人对出炉口情况的正确判断是其实现智能化控制的重要条件，系统智能识别采用openCV专业图像分析软件，给每帧图像进行数学取模，通过openCV软件的优化功能实现图像的平滑、滤波去噪及锐化处理，保留出炉口痕迹图像原始特征信息，提高炉口图像清晰度，从而有效地对炉口图像进行边缘检测和特征提取。图像算法的编写基于Canny边缘检测算法对炉眼熔液流动图像进行边缘提取，有效提升炉口边界的清晰度。并用该方法对典型的炉口图像进行了实验比较分析。得到图像边缘清晰检测结果。再利用小波多分辨分析和离散小波的优势，对炉口图像进行小波分解与重构，得到不同分解尺度下炉口图像的多分辨小波特征。运用标记控制的形态学重构分水岭分割算法对进行了处理，实现炉口坐标位置判断及炉口出炉状况的精确判断及智能控制[3][4]。如图4所示。
4 总结
锌镁矿热炉开炉机器人投入使用后，出炉工序可实现无人操作，出炉时间缩短10分钟。以单台30吨矿热炉为例，每次出炉可节约用电8000度节约成本3000元，经济效益十分可观。既可有效排除工人在高危高温工况下作业的安全隐患减少企业人力成本，又可提高出炉效率实现节能，是金属冶炼领域重型设备的智慧化升级的良好开端。
参考文献：
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