一种齿辊式破碎机的自动调速控制系统及控制方法技术领域
本发明涉及一种自动调速控制系统及控制方法，具体是一种齿辊式破碎机的自动调速
控制系统及控制方法，属于控制领域。
背景技术
破碎机是煤矿生产中的重要设备，齿辊式破碎机在煤矿井下及露天矿的应用十分广泛。
然而，齿辊式破碎机在使用过程中常会遇到来料不均匀，进入破碎机破碎腔的大块物料间
断出现，齿辊式破碎机如果要保证大块物料能被齿辊破碎就必须在大功率下工作，这样在
大块物料间断出现的间隙，破碎机就会在欠载状态下工作，造成电能的浪费；其次，当来
料连续集中时，可能导致破碎机堵塞，出现破碎电机过载的现象，时间长会损坏破碎机。
因而破碎机无论是在欠载还是过载下工作都不是最佳的工作状态，破碎机的工作寿命会受
到很大的影响。
为了使齿辊式破碎机能够根据工况不同调整工作状态，发挥破碎机的性能优势，现有
技术中也有一些自动控制系统，但这些系统调节方式多较复杂，维护成本较高，且控制可
靠性不高。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种结构简单、控制可靠性强的
齿辊式破碎机的自动调速控制系统，可以根据工况不同调整破碎电机的转速以使齿辊式破
碎机在最佳工作状态下运行，发挥出齿辊式破碎机的性能优势，减少设备的损坏和降低运
行成本，本发明的目的还在于提供一种调节方式简单、控制方式安全可靠的齿辊式破碎机
的自动调速控制方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种齿辊式破碎机的自动调速控制系统，
包括图像采集模块、图像处理模块、PLC自动控制模块和变频电机组，所述图像采集模块
包括摄像机和图像采集卡，摄像机安装在齿辊式破碎机的机架上方，摄像机的镜头正对来
料方向，摄像机的输出端和图像采集卡的输入端之间连接；所述的图像处理模块为计算机，
图像采集卡的输出端与计算机连接；所述PLC自动控制模块包括PLC控制器和变频部件，
图像处理模块的输出端与PLC控制器的输入端连接，PLC控制器的输出端与变频部件的输
入端连接；变频部件的输出端与变频电机组连接，所述变频电机组通过减速装置与齿辊式
破碎机的齿辊轴相连。
优选的，变频部件包括变频器Ⅰ和变频器Ⅱ，变频电机组包括变频电机Ⅰ和变频电机
Ⅱ，变频器Ⅰ的输出端与变频电机Ⅰ连接，变频器Ⅱ的输出端与变频电机Ⅱ连接，齿辊轴
有两根，变频电机Ⅰ和变频电机Ⅱ通过减速装置分别与一根齿辊轴相连。
本发明还提供了一种齿辊式破碎机的自动调速控制方法，包括如下步骤：
a.图像采集模块中的摄像机每隔一段时间间隔拍摄一张来料方向上的矿石照片，从而
完成矿石的光信号到模拟信号的转换，并将转换得到的模拟信号传输到图像采集卡中，图
像采集卡接收到矿石图像的模拟信号后，对矿石图像的模拟信号进行A/D转换，生成矿石
图像的数字信号；
b.生成的矿石图像的数字信号进入图像处理模块后，图像处理模块对数字信号依次进
行图像去噪、图像分割和矿石几何特征描述，矿石几何特征描述包括提取单一个体矿石的
平面投影面积S和整堆矿石作为一个整体的总体平面投影面积SZ，具体方法如下：
一副图像从左上角开始，沿着从左到右，从上到下的顺序依次对每一个像素点进行扫
描，扫描到一个没有被标记的像素值为1的像素点，将此像素点标记为M1，再对该像素点
邻域内的八个像素点扫描，如果还有没有被标记的像素值为1的点，继续标记为M1，如此
递归扫描完所有邻域内的像素点，直到没有被标记的像素值为1的点全部被标记为M1，则
这些被标记为M1的点就是一块矿石的面积；继续扫描图像，直到扫描到图像的右下角结
束；扫描过程中，再检测到的区域依次标记为M2，M3……Mi……Mn，这些区域分别对应
单个矿石所占的区域；
这些区域内像素点的个数表示了矿石在数字图像中所占的面积，根据确定的实际测量
单位和像素所对应的比例关系ρ就可以确定矿石的实际面积，比例关系如下：
![]()
令被标记为Mi的矿石所占的像素点的面积为Si，则该矿石所占区域的实际面积为：
S＝Si×ρ2；所有矿石所占的像素点的面积为：![]()
则所有矿石所占区域的实际面积为：
![]()
即最终获取了单一个体矿石的平面投影面积S和整堆矿石作为一个整体的
总体平面投影面积SZ；
c.PLC控制器中预先设定变频电机在不同转速下运行的临界条件，临界条件其一是与
单一个体矿石平面投影面积S进行比较的临界投影面积S’，其二是与矿石总体平面投影面
积SZ进行比较的临界投影面积Sa和Sb，其中Sa＜Sb；PLC自动控制模块接收到图像处理模
块获取的矿石几何特征的信号后，先将单一个体矿石的投影面积S与设定的临界投影面积S’
进行比较，如果S≥S’，则通过变频部件控制变频电机组在高转速下运行；如果S＜S’，则
继续判断矿石总体平面投影面积SZ是否在临界投影面积Sa、Sb之间，若Sa<SZ<Sb成立，变
频电机组保持在中间转速运行，若不是，则判断SZ≥Sb是否成立；若SZ≥Sb成立，则通过
变频部件控制变频电机组在高转速下运行；若不成立，则通过变频部件控制变频电机组在
低转速下运行；
d.变频电机组的转动通过减速装置传递到齿辊式破碎机的齿辊轴，从而带动齿辊式破
碎机运行。
本发明采用图像识别处理的方精确判断矿石的几何形态和来料的覆盖率，通过与PLC
控制器中预设的参数对比可以自动控制电机转速，从而使齿辊式破碎机在不同工况下合理
运行，有效避免因欠载或过载造成的资源浪费和使用故障，减少了设备的维修量，提高了
经济效益，充分发挥破碎机的性能优势；本发明采用PLC编程自动控制电机转速，不改变
破碎机原有机电系统，自动化程度高，方法简单可靠。
附图说明
图1是本发明的系统总成图；
图2是本发明的自动调速系统控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1至图2所示，一种齿辊式破碎机的自动调速控制系统，包括图像采集模块、图
像处理模块、PLC自动控制模块和变频电机组，图像采集模块包括摄像机和图像采集卡，
摄像机安装在齿辊式破碎机的机架上方，摄像机的镜头正对来料方向，摄像机的输出端和
图像采集卡的输入端之间连接；图像处理模块为计算机，图像采集卡的输出端与计算机连
接；所述PLC自动控制模块包括PLC控制器和变频部件，图像处理模块的输出端与PLC
控制器的输入端连接，PLC控制器的输出端与变频部件的输入端连接；变频部件的输出端
与变频电机组连接，变频电机组通过减速装置与齿辊式破碎机的齿辊轴相连。
图像采集模块主要对拍摄的矿石照片进行图像预处理，即摄像机完成矿石的光信号到
模拟信号的转换，再由图像采集卡完成矿石的模拟信号到数字信号的A/D转换；图像处理
模块对数字信号依次进行图像去噪、图像分割和矿石几何特征描述，矿石几何特征描述包
括提取单一个体矿石的平面投影面积S和整堆矿石作为一个整体的总体平面投影面积SZ；
PLC控制器可以根据内部程序判断的结果对变频部件发出指令，控制变频部件的频率，根
据变频部件的输出电流大小，使变频电机组的转速发生变化，由于变频电机组和齿辊轴之
间通过减速装置机械连接，变频电机组的转速变化会经过减速装置传递到齿辊轴上。
优选的，变频部件包括变频器Ⅰ和变频器Ⅱ，变频电机组包括变频电机Ⅰ和变频电机
Ⅱ，变频器Ⅰ的输出端与变频电机Ⅰ连接，变频器Ⅱ的输出端与变频电机Ⅱ连接，齿辊轴
有两根，变频电机Ⅰ和变频电机Ⅱ通过减速装置分别与一根齿辊轴相连。这样的设计适合
应用在具有两个齿辊的齿辊式破碎机上。
实现自动调速控制方法包括如下步骤：
a.变频电机组上设置有高、中、低3种不同的转速，刚启动变频电机组时保证变频电
机组在中间转速运行。图像采集模块中的摄像机每隔一段时间间隔拍摄一张来料方向上的
矿石照片，从而完成矿石的光信号到模拟信号的转换，并将转换得到的模拟信号传输到图
像采集卡中，图像采集卡接收到矿石图像的模拟信号后，对矿石图像的模拟信号进行A/D
转换，生成矿石图像的数字信号。
b.生成的矿石图像的数字信号进入图像处理模块后，图像处理模块对数字信号依次进
行图像去噪、图像分割和矿石几何特征描述，一副数字图像可以表示为二维数组的形式
f(x,y)，x,y分别表示像素点的坐标，f(x,y)表示图像的灰度，步骤如下：
(1)采用高斯滤波的方式对矿石图像进行去噪处理；
fs(x,y)＝G(x,y)*f(x,y)
fs(x,y)表示高斯滤波后的矿石数字图像。
(2)采用Canny边缘检测算法进行图像分割；
计算矿石图像的梯度：
▿
f
=
g
r
a
n
d
(
f
)
=
[
g
x
g
y
]
=
∂
f
∂
x
∂
f
∂
y
]]>
梯度幅度：
M
(
x
,
y
)
=
g
x
2
+
g
y
2
]]>
梯度方向：
α
(
x
,
y
)
=
arctan
[
g
y
g
x
]
]]>
对图像进行非最大抑制，如果M(x,y)的值小于像素点的任意两个邻域之一，则
令gN(x,y)＝0(抑制)；否则，令gN(x,y)＝M(x,y)；gN(x,y)表示进行非最大抑制后的矿石
数字图像。
矿石图像分割的最后一步是进行阈值处理，设定两个阈值，一个高阈值TH，一个低阈
值TL，进行如下判断并赋值：
gNH(x,y)＝gN(x,y)≥TH
gNL(x,y)＝gN(x,y)≤TL
gNH(x,y)表示的像素点一定是边缘，gNL(x,y)表示的像素点一定不是边缘，将gNH(x,y)
表示的点连接起来包围的区域就是矿石所占的区域。
(3)进行矿石几何特征的描述；
一副图像从左上角开始，沿着从左到右，从上到下的顺序依次对每一个像素点进行扫
描，扫描到一个没有被标记的像素值为1的像素点，(在一副灰度图像中，像素值为1表示
白色，像素值为0表示灰色)将此像素点标记为M1，再对该像素点邻域内的八个像素点扫
描，如果还有没有被标记的像素值为1的点，继续标记为M1，如此递归扫描完所有邻域内
的像素点，直到没有被标记的像素值为1的点全部被标记为M1，则这些被标记为M1的点
就是一块矿石的面积；继续扫描图像，直到扫描到图像的右下角结束。扫描过程中，再检
测到的区域依次标记为M2，M3……Mi……Mn，这些区域分别对应单个矿石的区域。
这些区域内像素点的个数表示了矿石在数字图像中所占的面积，根据确定的实际测量
单位和像素所对应的比例关系ρ就可以确定矿石的实际面积，比例关系如下：
![]()
令被标记为Mi的矿石所占的像素点的面积为Si，则该矿石所占区域的实际面积为：
S＝Si×ρ2；所有矿石所占的像素点的面积为：![]()
所有矿石所占区域的实际面积为：
![]()
即最终获取了单一个体矿石的平面投影面积S和整堆矿石作为一个整体的
总体平面投影面积SZ。
c.PLC控制器中预先设定变频电机在不同转速下运行的临界条件，临界条件其一是与
单一个体矿石平面投影面积S进行比较的临界投影面积S’，其二是与矿石总体平面投影面
积S总进行比较的临界投影面积Sa和Sb，其中Sa＜Sb。PLC自动控制模块接收到图像处
理模块获取的矿石几何特征的信号后，先将单一个体矿石的投影面积S与设定的临界投影
面积S’进行比较，如果S≥S’，说明来料矿石中有大块物料，此时PLC控制器控制变频部
件频率升高，输出电流变大，从而控制变频电机组在高转速下运行；反之，即S＜S’，说明
来料矿石中没有大块物料，则继续判断矿石总体平面投影面积SZ是否在临界投影面积Sa和
Sb之间。如果Sa<SZ<Sb成立，说明来料矿石连续均匀，变频电机组继续保持在中间转速运
行，若不成立，说明只存在SZ≥Sb或者SZ≤Sa这两种情况。此时判断SZ≥Sb是否成立，如
果SZ≥Sb成立，说明来料矿石连续且集中，此时PLC控制器控制变频部件频率升高，输出
电流变大，从而控制变频电机组在高转速下运行；如果不成立，说明来料间断且无大块物
料，此时PLC控制器控制变频部件频率降低，输出电流变小，从而控制变频电机组在低转
速下运行。
d.变频电机组的转动通过减速装置传递到齿辊式破碎机的齿辊轴，从而带动齿辊式破
碎机运行。