基于視頻識別的膠帶機自適應變頻調速系統

王 軍，賈宇濤，李明利，任文清

(國能神東煤炭集團有限責任公司大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

近年來，我國煤炭生產已從落后的人工開采模式向機械化開采方式轉變，以致全國煤炭產量逐年猛增。神東煤炭集團公司大柳塔煤礦從1996年原煤生產360萬t增至2019年完成產量3 300萬t。致使礦井井田邊界急劇擴大，井下膠帶機運輸線不斷延長，膠帶運輸機數量不斷增加。大柳塔煤礦以打造“智慧礦山”為契機，充分發揮礦井信息化發展優勢，提高煤炭生產自動化水平，目前大柳塔煤礦井下運輸皮帶已全部實現了變頻控制，且主運輸全系統實現了遠程集中控制。工作人員可在調度指揮中心對井下每部膠帶機進行遠程啟停和手動調速控制。但由于井下皮帶數量眾多，搭接關系錯綜復雜，且每部皮帶運輸煤流尚不均勻，工作人員不可能動態調整每部皮帶的運輸速度。而帶式輸送機裝機功率較大，大多在裝機容量富裕的狀態下工作，即膠帶機常處在輕載或空載狀態下工作，這必然會造成皮帶用電效率低、設備損耗大和皮帶有效利用率低等問題[1-3]。

為此，結合視頻識別技術，通過研究網絡攝像機對膠帶機煤流信號的采集、識別和轉換等過程的原理，以膠帶機安全運行為前提，設計出一套煤礦井下運輸皮帶閉環自適應變頻調速控制系統，并將此系統應用于大柳塔煤礦活井南翼一部膠帶機，以期達到煤炭生產“節能降耗、降本增效”的目的。

1 自適應變頻調速系統的組成和工作原理

基于視頻的帶式輸送機自動調速控制系統由視頻采集、圖像處理、調速控制以及執行單元組成[4-6]。其中視頻采集單元主要是利用數字攝像儀從井下獲取視頻圖像，并通過以太網上傳到地面視頻圖像處理單元；視頻處理單元利用模式識別技術與圖像處理技術進行實時分析處理，獲取帶式輸送機上的瞬時煤量；在調速控制單元中，分析膠帶機機頭、落煤點的瞬時煤量信號，計算膠帶機的運輸長度，結合運輸系統拓撲結構建立運輸系統模型[7-9]。在運輸系統模型的基礎上，依據瞬時煤量、煤量分布、運輸長度、運輸速度等參數計算各膠帶機與運煤量相匹配的皮帶運行速度，然后通過改變變頻器的工作頻率來調節膠帶機的運輸速度，使得膠帶機速度達到預定的要求，從而實現膠帶機的節能運行。基于視頻識別的膠帶機自適應變頻調速系統框架如圖1所示。

圖1 基于視頻的帶式輸送機自動調速控制系統框架

為了準確監測膠帶機上的瞬時煤量以及實現全礦井的調速運行，需要在連采膠帶機、綜采順槽膠帶機、大巷膠帶機、主井膠帶機以及上倉膠帶機等各機頭、落煤點以及對煤流量影響的地方安裝數字攝像儀。根據上游膠帶機的煤量、運輸長度、帶寬和當前速度[10-11]，計算達到的時間和煤量，預測控制算法調整轉速，實現全系統的閉環自適應控制，提速超前，降速滯后。

2 煤量識別

膠帶機動態煤量識別主要利用計算機圖像處理技術對井下膠帶機視頻進行分析、加工和處理實時獲取輸送機上的瞬時煤量，其處理流程如圖2所示。獲取膠帶機攝像機信息，如攝像儀IP、端口號、用戶名、密碼、設備開啟狀態、模板數據等，分別在系統上對應至每一條膠帶機，然后將采集的視頻圖像經過圖像預處理、獲取煤流區域、煤流區域面積等處理，最后將獲取的煤流區域面積進行比對，實時計算帶式輸送機的相對瞬時煤量，并給膠帶機變頻器發送加大或者減少工作頻率輸出，達到控制膠帶機瞬時速度的目的。為驗證帶式輸送機動態煤量識別算法的實時性和準確性，在神東大柳塔煤礦大柳塔井、活雞兔井選取膠帶機滿載、半載、空載以及連采、綜采等不同情況下分別測試煤量，得到綜采順槽膠帶機煤量持續穩定，分布波動不大，膠帶機運行穩定；連采膠帶機煤量分布波動大，需要頻繁調節搭接膠帶機的運行頻率。

圖2 瞬時煤量識別流程

3 系統運行效能分析

基于視頻的帶式輸送機自動調速控制系統已經在大柳塔煤礦實施，現已經部署了整個礦井。為了驗證系統的穩定性和有效性，對大柳塔煤礦活雞兔井南翼一部膠帶機數據進行長期的采集和相關分析，現對此膠帶機2019年10月1日—2019年11月25日取得的相關數據進行分析，分析得出2-2煤南翼1部膠帶機每日電機平均轉速主要集中在75%～90%之間，加權平均轉速為85.85%，每日平均運行時間為16.74 h，如圖3所示，降速幅度約為15%，相對的膠帶機托輥、膠帶機帶面磨損率也將降低約15%，其使用壽命也將延長15%甚至更多，大大降低了備件消耗成本和設備維修成本，而且在調速系統使用過程中，并未出現過灑煤、堆煤以及異常停機等現象，達到了煤礦生產節能降耗、降本增效的目的。

圖3 活雞兔井2-2煤南翼一部膠帶機運行情況

礦井閉環自適應優化運輸控制系統實現了煤礦膠帶機智能變頻調速的功能，從系統運行情況來看，有效節約了電力能耗，減少了傳動設備磨損率，產生的經濟效果明顯；在煤礦創新創效上首次采用瞬時煤量監測方法，提高了礦井智能化水平，并在不增加運輸系統設備投資的前提下，提高運行負荷效率，進一步提高了煤礦生產能力。此套系統還可以為現有煤礦信息化提供便捷，對此系統現有的部分攝像機視頻信號、膠帶機控制設備、膠帶機上位控制系統、控制網絡均可再次利用，尤其膠帶機攝像機視頻信號可供礦井工業電視使用，實現了多責多能，提高了礦井信息化、智能化水平。

4 結語

煤礦井下運輸皮帶閉環自適應變頻調速控制系統在滿足提速超前、降速滯后的同時，極大地改善了煤礦井下變頻膠帶機無法利用變頻器特性，發揮設備運行最優性能的局面，提高煤炭生產運輸中的自動化水平，有效降低設備電能和損耗、延長設備壽命。同時，該系統具有配置靈活、成本低的特點，對降低煤礦生產成本具有很高的應用價值，實現煤炭生產中“節能降耗、降本增效”的目的。