主斜井膠帶機視頻智能調速的研究

舒漢國

摘要：煤礦主斜井大傾角膠帶運輸機采用智能視頻分析技術，實現膠帶機視頻數據采集、加工集成，提高煤礦企業資金的利用效率，降低用電、人工成本費用，是當今煤礦企業科技創新發展的一大方向。主斜井膠帶機視頻智能調速技術利用煤礦現有的信息化網絡平臺，實現主煤流運輸系統的安全生產視頻監視、控制、智能可視化管理。

Abstract： The large inclined angle belt conveyor of coal mine main inclined shaft adopts intelligent video analysis technology to realize the video data collection and processing integration of the belt conveyor， improve the utilization efficiency of coal mine enterprises' funds， and reduce the cost of electricity and labor， which is a big direction of the development of science and technology innovation in coal mine enterprises today. The video intelligent speed control technology of the main inclined well belt machine utilizes the existing information network platform of the coal mine to realize the video surveillance， control and intelligent visual management of the safety production of the main coal flow transportation system.

關鍵詞：視頻;智能調速;控制;實時監測;節電

Key words： video;intelligent speed regulation;control;real-time monitoring;power saving

中圖分類號：TD63+4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）07-0127-03

0 ?引言

膠帶運輸機是煤礦的主要運輸設備，受開采條件和生產時間的影響，無法保證膠帶運輸機運煤量均勻和連續運行，導致主煤流系統或單臺膠帶運輸機在負載較輕或無負載的狀態下運行時間較長，不僅造成額定（或設定）轉速和空、輕載狀態下運行的電能浪費，而且也使膠帶運輸機傳動系統、轉動部件、膠帶形成無效磨損，同時縮短了機械設備使用壽命。因此研究視頻智能調速控制系統，通過在膠帶運輸機上方安裝攝像機監控物料狀態，控制主煤流系統各條膠帶運輸機的停、啟和調速，實現智能和集中控制，有效節省人力，減少膠帶機空、輕載運行損失、減少設備機械磨損。

1 ?現狀及可行性分析論證

煤炭生產礦井，主斜井膠帶運輸機和工作面順槽膠帶運輸機大部分使用了變頻調速，根據運輸量，雖定期進行了人工設定調速和每條膠帶機啟停設置，但節能效果尚不明顯。近幾年，多家單位利用給煤機定量、電子稱稱重、紅外線等方式檢測運輸量，但目前尚無有效、可靠的方案檢測運輸量變化、運輸量分布，真正實現智能調速的目的。另外，膠帶運輸機的開啟需要從末端依次啟動，先啟動的一直處于空轉狀態，且每臺膠帶運輸機需安排司機操作。

通過主斜井膠帶機視頻智能調速控制系統研究，利用智能視頻可判斷帶面上有無煤量、瞬時斷面煤量、膠帶運行速度，經過邏輯分析可實現膠帶運輸機的智能調速控制及主煤流膠帶運輸機的順煤流啟停。

2 ?研究的技術難點與技術關鍵

2.1 研究的技術難點

視頻采集背景的復雜性：受巷道光照影響，膠帶機運行時，引起煤量與背景顏色的變化，可能造成運煤量的虛假檢測。采用不同的色彩空間可以減輕光照變化對算法的影響，但無法完全消除其影響;場景中煤流反光點前景目標與膠帶背景的相互轉換，煤流反光點與膠帶背景顏色相似時通常被檢測為前景，這給煤流的分割與特征提取帶來困難。

煤流信息特征的取舍：采集到的視頻圖片包含大量的信息，但煤流運行時的信息一般是時時變化的，選取合適、準確有價值的特征信息，保證檢測的有效性比較困難。

膠帶機調速信號處理問題：煤流量檢測是實時變化的，按照煤流量實時采集信號進行調速，會導致調整頻率過快，影響膠帶機電動機和轉動部位的壽命。因此只有通過數學模型計算和西門子PLC邏輯編程，對采集到的煤流信號進行分析和邏輯編程，再控制膠帶機變頻器調速，才能科學合理地達到調速目的。

攝像檢測設備及PLC編程問題：攝像機的圖像是否清晰，光照不足，巷道潮濕，煤塵大等環境下能否正常工作，信號輸出是否真實，PLC邏輯程序是否滿足調速要求等都會影響膠帶機調速結果，都會導致膠帶機失控或其他事故。

2.2 技術關鍵

①采用低照度的視頻源和攝像機，保證視頻采集信息的穩定性。

②攝像機安裝與補充光照，采用統一的安裝位置、高度和補光方式。

③將煤流量檢測后的視頻信息全部接入PLC主機，根據膠帶的啟停順序、煤流量檢測、信號采集分析進行PLC邏輯編程，達到最佳的膠帶機調速效果。

④膠帶機故障信息出現后，調速系統停止運行，將故障報警信號上傳到主驅動機房監控組態頁面，并將故障報警信號利用喊話器傳到整條膠帶機沿線，提醒膠帶機司機及巡巷人員處理故障，故障處理后系統恢復調速狀態。

⑤視頻智能調速系統與膠帶機原有保護系統實現對接，能準確判斷膠帶機主動降速和打滑減速，如果電機高轉速而膠帶運行速度過低，智能調速系統產生報警，同時原煤運輸中原有膠帶機保護裝置一旦發出報警信號（如打滑、跑偏、堆煤、煙霧、滾筒超溫）時，視頻智能調速系統自動停止，實現無調速運行狀態，保障膠帶機原有保護系統的功能，實現安全運輸。

3 ?采用的研究方法、技術手段、技術原理和工藝技術路線

煤流量檢測：視頻采集時設定一個檢測區域，煤流量經過檢測區域發生變化時，智能檢測器發出輸出信號給PLC控制主機，利用變頻器控制電動機轉速實現高、中、低、怠速四擋自動切換，達到膠帶機調速及節電目的。同時檢測膠帶有無煤量狀態，啟停順煤流膠帶機。（圖1-圖4）

當智能檢測器檢測到膠帶上有煤，滿足PLC高速條件，發出調速信號給變頻器，控制電動機自動調為高速。當智能檢測器檢測到膠帶上有煤，滿足PLC中速條件，發出調速信號給變頻器，控制電動機自動調為中速。低速、怠速與高速、中速具有同樣的調速原理。上一級膠帶機煤流檢測，實現對下一級膠帶機的控制，達到順煤流啟停膠帶機。

視頻智能控制系統自身故障，膠帶機無故障，屏蔽智能調速系統，PLC主機控制變頻器恢復正常設定速度，自身故障如：視頻信號丟失、視頻模糊、PLC故障、調速信號器故障、智能控制主機電源故障等，同時膠帶機沿線語音箱報警給膠帶機司機及巡巷人員，同步上傳到調度室，調度室語音報警，顯示報警故障位置，狀態等。

4 ?達到的效果

①在礦區內以太網及膠帶機數據庫的支持下，將監測、監控、監視、通信進行有效地集成加工。主煤流線各條膠帶機設備集中控制，包括：膠帶機順序啟停，單機啟停，集中聯鎖、事故閉鎖，現場就地解鎖，語音及組態界面報警、信號、故障記錄。

②故障時，參與集控的所有膠帶機按停機順序，自故障設備逆煤流膠帶機全部停車，在主驅動機房控制室上位機顯示報警、顯示故障原因。

③主煤流系統膠帶機以下三種模式運行：順煤流順序控制、單機集中控制、單機就地控制。順序控制模式時，按照順煤流啟動或停車順序及聯鎖邏輯進行自動控制;單機集中控制模式時，由膠帶機司機在膠帶機機頭進行手動啟停;設備檢修時可轉為單機就地控制模式。

④膠帶機控制方式可方便轉換，單機集中、就地控制模式具備就地及遠程解鎖功能。

⑤主煤流運輸系統順煤流啟停車，即先啟動上一級膠帶機，煤流快到達下一級膠帶機時，下一級膠帶機啟動，煤流線所有膠帶機啟動后，所有膠帶機聯鎖關系建立，所有膠帶機聯鎖關系均為下一級膠帶機閉鎖上一級膠帶機。

⑥煤流線所有膠帶機集中控制時，各條膠帶機要求實現電氣閉鎖，解鎖狀態下不允許啟動膠帶機，當單條膠帶機發現故障時，應能夠在膠帶機機頭控制室進行單條膠帶機解鎖，該膠帶機解鎖后運行狀態不應改變，其他膠帶機應仍處于閉鎖狀態，此時被解鎖的膠帶機應處于亮燈閃爍狀態，提醒膠帶機司機控制系統有膠帶機處于解鎖狀態，不允許啟動，直到所有膠帶機全部恢復到閉鎖狀態下才允許運行帶煤。

⑦膠帶機任何操作及控制方式下，現場停機閉鎖按鈕都有操作的優先權，可以在緊急及故障狀態下實現緊急停機，只有被按下的閉鎖按鈕或保護開關通過膠帶機司機復位后才能重新啟動。

⑧為確保膠帶機控制室司機不出現誤操作，通過控制室啟動的膠帶機，在上位機屏幕上點動膠帶機后，應出現一個膠帶機啟車確認點擊窗口，以提醒司機是否確實要啟動膠帶機或解鎖膠帶機。

5 ?實現的功能

①主斜井驅動機房增設1臺工控機，與原有的工控機功能相同，并互為備用。可在集控室不同電腦界面上操作監視，司機可在工控機上對膠帶機集中控制系統運行和其他控制方式進行選擇，實現煤流線所有膠帶機自動順序啟停或單臺膠帶機的遠方/就地啟停。

②膠帶機啟動預警功能：膠帶機啟動前，通過語音向膠帶機沿線發出啟動預告信號，提醒膠帶機沿線工作人員注意安全。

③膠帶機啟動/暫停功能：膠帶機啟車過程中若有任一條膠帶機故障或禁啟，控制系統立即暫停啟車過程，閉鎖上一級來煤膠帶機，其它膠帶機延時運行，若故障在延時期內排除，可繼續啟動下一級膠帶機;否則，停止已啟動的所有膠帶機。

④故障處理、暫停/解鎖功能：膠帶機運行過程中某條膠帶機發生故障時，故障膠帶機至井下煤倉口各條膠帶機立即停車，故障點沿煤流方向以后的膠帶機煤炭運空后，延時停機。若故障短時能處理完，司機可解除故障信號，這時膠帶機停機過程自動停止，未停完的膠帶機不再繼續停機。控制系統向各條膠帶機重新發啟動預告信號，預告結束后便自動啟動膠帶機至井下煤倉口，使煤流線膠帶機恢復正常運行。

⑤以太網絡功能：PLC與I/O接口之間采用遠程分站體系結構，該煤礦遠程分站可將I/O分別設置在井下各水平配電點，以減少控制電纜距離，降低電磁干擾，實現控制系統布線優化。（圖5）

⑥膠帶機機頭控制室及調度室通過高清晰電腦顯示器，對主煤流線膠帶機運行狀態實現動態圖形顯示。

⑦膠帶機機頭控制室及調度室集控系統具有常規office管理功能：如煤流量監控圖片打印、膠帶機啟停時間記錄、膠帶機運行時間記錄、每天膠帶機運行次數、膠帶機持續運行記錄、顯示、柱狀圖等。保證司機及技術人員操作使用靈活、方便，膠帶機各種啟停功能齊全，可擴展其他功能。

⑧膠帶機控制室工控機上具有膠帶機運行實時數據存取、畫面顯示、歷史曲線圖、故障報警信息、統計制表打印、月報表、年報表等功能。組態畫面顯示膠帶機電流、電壓、負載量等參數、膠帶機控制方式、膠帶機順序運行狀況、膠帶機控制狀態，也能顯示所有膠帶機參數。當控制膠帶機故障或狀態變化時，以不同顏色顯示在電腦界面。按照膠帶機控制要求設計組態畫面，有足夠的組態畫面保證所有膠帶機的運行和控制狀況準確顯示。

6 ?技術平臺

6.1 軟件平臺

采用SE組態軟件進行PLC上位機編程。膠帶機控制信號及保護裝置信號通過工業以太網通信，經光纖中繼模塊與光纜接入主斜井驅動機房PLC主站，通過PLC系統編程和SE組態軟件，將控制信號集成至膠帶機機頭控制室現有的人機界面內，實現主煤流三條膠帶機的啟停，實現膠帶機保護裝置動作及故障停車的操作與反饋功能的控制。膠帶機順序控制邏輯以梯形圖形式進行編輯，編程格式為梯形圖及PLC常用語言。

6.2 硬件平臺

增加4個PLC分站及1個PLC通訊分站，增加1臺工控機，敷設控制電纜、通信光纜，增加光纖中繼模塊，形成光纖通訊網絡。

7 ?結語

根據《膠帶運輸機工程設計規范》，通過視頻智能調速及順煤流控制系統的研究，主煤流運輸系統關鍵部位可視化，順煤流啟動，膠帶機保護裝置更加靈敏可靠，科學合理的實現主斜井膠帶機、棧橋膠帶機、配倉膠帶機根據運煤量視頻智能調速，實現主運輸系統減人提效，減少設備空運轉，降低用電成本，促進煤礦安全生產可持續發展。

參考文獻：

[1]膠帶運輸機工程設計規范.

[2]2016版煤礦安全規程.

[3]西門子PLC編程教程.

[4]焦方杰，于興建.煤礦安全生產標準化[2017].中國礦業大學.

[5]智慧礦山技術研究.