基于視頻識(shí)別的膠帶機(jī)自適應(yīng)變頻調(diào)速系統(tǒng)

王 軍，賈宇濤，李明利，任文清

(國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)煤炭生產(chǎn)已從落后的人工開(kāi)采模式向機(jī)械化開(kāi)采方式轉(zhuǎn)變，以致全國(guó)煤炭產(chǎn)量逐年猛增。神東煤炭集團(tuán)公司大柳塔煤礦從1996年原煤生產(chǎn)360萬(wàn)t增至2019年完成產(chǎn)量3 300萬(wàn)t。致使礦井井田邊界急劇擴(kuò)大，井下膠帶機(jī)運(yùn)輸線不斷延長(zhǎng)，膠帶運(yùn)輸機(jī)數(shù)量不斷增加。大柳塔煤礦以打造“智慧礦山”為契機(jī)，充分發(fā)揮礦井信息化發(fā)展優(yōu)勢(shì)，提高煤炭生產(chǎn)自動(dòng)化水平，目前大柳塔煤礦井下運(yùn)輸皮帶已全部實(shí)現(xiàn)了變頻控制，且主運(yùn)輸全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程集中控制。工作人員可在調(diào)度指揮中心對(duì)井下每部膠帶機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停和手動(dòng)調(diào)速控制。但由于井下皮帶數(shù)量眾多，搭接關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，且每部皮帶運(yùn)輸煤流尚不均勻，工作人員不可能動(dòng)態(tài)調(diào)整每部皮帶的運(yùn)輸速度。而帶式輸送機(jī)裝機(jī)功率較大，大多在裝機(jī)容量富裕的狀態(tài)下工作，即膠帶機(jī)常處在輕載或空載狀態(tài)下工作，這必然會(huì)造成皮帶用電效率低、設(shè)備損耗大和皮帶有效利用率低等問(wèn)題[1-3]。

為此，結(jié)合視頻識(shí)別技術(shù)，通過(guò)研究網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)對(duì)膠帶機(jī)煤流信號(hào)的采集、識(shí)別和轉(zhuǎn)換等過(guò)程的原理，以膠帶機(jī)安全運(yùn)行為前提，設(shè)計(jì)出一套煤礦井下運(yùn)輸皮帶閉環(huán)自適應(yīng)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，并將此系統(tǒng)應(yīng)用于大柳塔煤礦活井南翼一部膠帶機(jī)，以期達(dá)到煤炭生產(chǎn)“節(jié)能降耗、降本增效”的目的。

1 自適應(yīng)變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成和工作原理

基于視頻的帶式輸送機(jī)自動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)由視頻采集、圖像處理、調(diào)速控制以及執(zhí)行單元組成[4-6]。其中視頻采集單元主要是利用數(shù)字?jǐn)z像儀從井下獲取視頻圖像，并通過(guò)以太網(wǎng)上傳到地面視頻圖像處理單元；視頻處理單元利用模式識(shí)別技術(shù)與圖像處理技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，獲取帶式輸送機(jī)上的瞬時(shí)煤量；在調(diào)速控制單元中，分析膠帶機(jī)機(jī)頭、落煤點(diǎn)的瞬時(shí)煤量信號(hào)，計(jì)算膠帶機(jī)的運(yùn)輸長(zhǎng)度，結(jié)合運(yùn)輸系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立運(yùn)輸系統(tǒng)模型[7-9]。在運(yùn)輸系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)瞬時(shí)煤量、煤量分布、運(yùn)輸長(zhǎng)度、運(yùn)輸速度等參數(shù)計(jì)算各膠帶機(jī)與運(yùn)煤量相匹配的皮帶運(yùn)行速度，然后通過(guò)改變變頻器的工作頻率來(lái)調(diào)節(jié)膠帶機(jī)的運(yùn)輸速度，使得膠帶機(jī)速度達(dá)到預(yù)定的要求，從而實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)的節(jié)能運(yùn)行?；谝曨l識(shí)別的膠帶機(jī)自適應(yīng)變頻調(diào)速系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 基于視頻的帶式輸送機(jī)自動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)框架

為了準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)膠帶機(jī)上的瞬時(shí)煤量以及實(shí)現(xiàn)全礦井的調(diào)速運(yùn)行，需要在連采膠帶機(jī)、綜采順槽膠帶機(jī)、大巷膠帶機(jī)、主井膠帶機(jī)以及上倉(cāng)膠帶機(jī)等各機(jī)頭、落煤點(diǎn)以及對(duì)煤流量影響的地方安裝數(shù)字?jǐn)z像儀。根據(jù)上游膠帶機(jī)的煤量、運(yùn)輸長(zhǎng)度、帶寬和當(dāng)前速度[10-11]，計(jì)算達(dá)到的時(shí)間和煤量，預(yù)測(cè)控制算法調(diào)整轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的閉環(huán)自適應(yīng)控制，提速超前，降速滯后。

2 煤量識(shí)別

膠帶機(jī)動(dòng)態(tài)煤量識(shí)別主要利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)對(duì)井下膠帶機(jī)視頻進(jìn)行分析、加工和處理實(shí)時(shí)獲取輸送機(jī)上的瞬時(shí)煤量，其處理流程如圖2所示。獲取膠帶機(jī)攝像機(jī)信息，如攝像儀IP、端口號(hào)、用戶名、密碼、設(shè)備開(kāi)啟狀態(tài)、模板數(shù)據(jù)等，分別在系統(tǒng)上對(duì)應(yīng)至每一條膠帶機(jī)，然后將采集的視頻圖像經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理、獲取煤流區(qū)域、煤流區(qū)域面積等處理，最后將獲取的煤流區(qū)域面積進(jìn)行比對(duì)，實(shí)時(shí)計(jì)算帶式輸送機(jī)的相對(duì)瞬時(shí)煤量，并給膠帶機(jī)變頻器發(fā)送加大或者減少工作頻率輸出，達(dá)到控制膠帶機(jī)瞬時(shí)速度的目的。為驗(yàn)證帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)煤量識(shí)別算法的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，在神東大柳塔煤礦大柳塔井、活雞兔井選取膠帶機(jī)滿載、半載、空載以及連采、綜采等不同情況下分別測(cè)試煤量，得到綜采順槽膠帶機(jī)煤量持續(xù)穩(wěn)定，分布波動(dòng)不大，膠帶機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定；連采膠帶機(jī)煤量分布波動(dòng)大，需要頻繁調(diào)節(jié)搭接膠帶機(jī)的運(yùn)行頻率。

圖2 瞬時(shí)煤量識(shí)別流程

3 系統(tǒng)運(yùn)行效能分析

基于視頻的帶式輸送機(jī)自動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)已經(jīng)在大柳塔煤礦實(shí)施，現(xiàn)已經(jīng)部署了整個(gè)礦井。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性，對(duì)大柳塔煤礦活雞兔井南翼一部膠帶機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期的采集和相關(guān)分析，現(xiàn)對(duì)此膠帶機(jī)2019年10月1日—2019年11月25日取得的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析得出2-2煤南翼1部膠帶機(jī)每日電機(jī)平均轉(zhuǎn)速主要集中在75%～90%之間，加權(quán)平均轉(zhuǎn)速為85.85%，每日平均運(yùn)行時(shí)間為16.74 h，如圖3所示，降速幅度約為15%，相對(duì)的膠帶機(jī)托輥、膠帶機(jī)帶面磨損率也將降低約15%，其使用壽命也將延長(zhǎng)15%甚至更多，大大降低了備件消耗成本和設(shè)備維修成本，而且在調(diào)速系統(tǒng)使用過(guò)程中，并未出現(xiàn)過(guò)灑煤、堆煤以及異常停機(jī)等現(xiàn)象，達(dá)到了煤礦生產(chǎn)節(jié)能降耗、降本增效的目的。

圖3 活雞兔井2-2煤南翼一部膠帶機(jī)運(yùn)行情況

礦井閉環(huán)自適應(yīng)優(yōu)化運(yùn)輸控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了煤礦膠帶機(jī)智能變頻調(diào)速的功能，從系統(tǒng)運(yùn)行情況來(lái)看，有效節(jié)約了電力能耗，減少了傳動(dòng)設(shè)備磨損率，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效果明顯；在煤礦創(chuàng)新創(chuàng)效上首次采用瞬時(shí)煤量監(jiān)測(cè)方法，提高了礦井智能化水平，并在不增加運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)備投資的前提下，提高運(yùn)行負(fù)荷效率，進(jìn)一步提高了煤礦生產(chǎn)能力。此套系統(tǒng)還可以為現(xiàn)有煤礦信息化提供便捷，對(duì)此系統(tǒng)現(xiàn)有的部分?jǐn)z像機(jī)視頻信號(hào)、膠帶機(jī)控制設(shè)備、膠帶機(jī)上位控制系統(tǒng)、控制網(wǎng)絡(luò)均可再次利用，尤其膠帶機(jī)攝像機(jī)視頻信號(hào)可供礦井工業(yè)電視使用，實(shí)現(xiàn)了多責(zé)多能，提高了礦井信息化、智能化水平。

4 結(jié)語(yǔ)

煤礦井下運(yùn)輸皮帶閉環(huán)自適應(yīng)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在滿足提速超前、降速滯后的同時(shí)，極大地改善了煤礦井下變頻膠帶機(jī)無(wú)法利用變頻器特性，發(fā)揮設(shè)備運(yùn)行最優(yōu)性能的局面，提高煤炭生產(chǎn)運(yùn)輸中的自動(dòng)化水平，有效降低設(shè)備電能和損耗、延長(zhǎng)設(shè)備壽命。同時(shí)，該系統(tǒng)具有配置靈活、成本低的特點(diǎn)，對(duì)降低煤礦生產(chǎn)成本具有很高的應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)煤炭生產(chǎn)中“節(jié)能降耗、降本增效”的目的。