基于AI 智能視頻識別帶式輸送機自動調速系統研究

張鈺煜

（洛陽義安礦業有限公司，河南 新安 471800）

煤礦通過自動化、智能化建設實現智能控制，降低能耗和成本投入，提高設備運行可靠性，延長設備使用壽命。其中，井下主煤流皮帶機圖像識別控制調速系統[1-3]是煤礦智能化的一個重要組成部分。由于傳統帶式輸送機運輸機信息感知水平低以及智能化水平低，帶式輸送機運輸機自動化仍以集中監控為主，不能實現帶式輸送機工作狀態的準確判斷、自適應調節以及協同工作，并沒有真正實現帶式輸送機運輸機的自動化和智能化[4-5]。為此，洛陽義安礦業有限公司結合礦井生產特點，提出帶式輸送機AI 智能視頻識別保護控制系統。該系統將視頻分析、工業控制等系統集成，在變頻器調速和PLC 控制的基礎上，研究根據帶式輸送機煤流量的變化實時動態調整皮帶變頻電機的轉速，使運輸系統由“逆流”啟動向“智能”啟動方式的轉變，從而實現節能降耗。

1 帶式輸送機圖像識別技術原理

AI 智能視頻識別保護控制系統通過改造傳統帶式輸送機驅動系統及應用AI 圖像分析技術，實現智能、節能調速。一是對上倉帶式輸送機驅動系統進行改造，在原帶式輸送機驅動后方加裝一套永磁同步變頻直驅系統，形成一用一備驅動模式，采用永磁同步變頻電動機與傳動滾筒直接連接，根據工況需要，可實現帶式輸送機零至額定轉速范圍內無級調速；二是在改造驅動系統的基礎上，應用AI智能視頻識別調速控制系統，該系統由全煤流分析平臺、AI 分析裝置、KJJ660 型礦用隔爆兼本質安全型綜合接入網關、KBA12W 型煤流攝像儀及激光器組成，AI 智能視頻識別調速控制系統結構如圖1。系統運行時，在變頻器調速和PLC 控制的基礎上，利用AI 圖像分析技術，對礦井主運輸帶式輸送機和輔助運輸帶式輸送機煤量進行識別和分析，統計全煤流的實時煤量，根據帶式輸送機煤流量的變化實時動態調整輸送機變頻電機的轉速，最后形成數據庫，方便以后的煤量統計和數據分析。

圖1 AI 智能視頻識別調速控制系統結構圖

2 基于智能視頻的煤流量監測

2.1 圖像識別技術主要設備及參數

（1）圖像識別技術主要設備及其功能、安裝連接方式及具體安裝位置見表1。

表1 圖像識別技術主要設備明細表

（2）圖像識別技術參數。① 大塊煤監測識別：能夠對攝像機所拍到的視頻畫面進行實時分析，誤報率≤1%。② 自動記錄事件視頻：無須用戶干涉，系統可以自動進行事件信息記錄。③ 聯動控制：能夠對堆煤、大塊煤、錨桿、水煤等情況進行自動識別，同時輸出信號給控制系統，達到報警（或停機）目的。④ 礦用本安型高清數字攝像儀分辨率≥200 萬像素。⑤ 監控主機：8 G 內存，2 G 顯存，以便于達到系統圖像處理和分析的實時性。⑥ 大塊煤監測系統現場布置五個攝像頭，通過MODBUS-TCP 協議將大塊煤監測結果及聯動信息提供給集控系統。⑦ 本系統的監測結果通過井下工業以太網傳至系統監控軟件。

2.2 煤流量監測流程

控制系統采用圖像識別技術對煤流量進行實時監測。圖像識別技術設備安裝示意圖如圖2。

圖2 圖像識別技術設備安裝示意圖

在永磁同步變頻驅動帶式輸送機的上級轉載帶式輸送機合適位置上方安裝煤流智能攝像儀和線型激光器，用于煤流量監測。智能攝像儀利用線型激光標定光源，通過圖像邊緣檢測法、閾值分割法等多種算法對圖像進行識別處理，結合皮帶的寬度，計算皮帶上煤的橫截面積，再根據皮帶的運行速度和運行時間以及密度，通過積分算法計算出皮帶上的煤量，最后拍攝圖片通過智能攝像儀報警開關量輸出接口，上傳至綜合網關。

3 變頻調速控制

3.1 永磁驅動系統安裝

永磁同步變頻電動機安裝在上倉帶式輸送機原驅動裝置設備硐室后方，結合現場實際條件，需施工一個設備硐室，用于放置永磁電機、冷卻水箱等驅動及配套設備。永磁同步變頻驅動系統結構簡單，維護方便。永磁同步電機型號：TBVF-400/60YC（1140 V），電機功率400 kW，電壓等級1140 V，額定轉速60 r/min，冷卻方式IC46W（水冷）；控制系統配備BPJ-630/1140 型交流變頻器，額定功率630 kW，電壓等級1140 V，變頻控制；冷卻系統配備ZDLQ-65B 型自循環水箱，容積700 L，采用不銹鋼材質，配備雙泵電機（一用一備），流量12.5 m3/h，揚程25 m，水壓在0.3～0.8 MPa，流量2.5 t/h，滿足配套設備冷卻要求；散熱功率65 kW，滿足現場電機、變頻器冷卻需要。永磁同步變頻電機驅動改造主要設備明細見表2。

表2 主要設備配置明細表

3.2 變頻調速控制

在上倉帶式輸送機控制硐室內安裝綜合網關，綜合網關接收智能攝像儀拍攝的煤量圖片，根據當前煤量變化計算出合適的帶速并發出帶速信號給變頻器，綜合網關控制變頻器，變頻器根據預先設定的邏輯帶速，實現0～3.15 m/s變頻調速控制，達到“煤多快跑、煤少慢跑”的節能控制。

4 控制系統運行效果分析

4.1 系統運行效果

（1）系統通過智能視頻分析技術實時識別皮帶的瞬時煤量和實時計算輸送機的平均瞬時運料量，識別準確度高。

（2）調速性能優良，根據負載可實現智能無級調速功能；軟起性能優良，依靠變頻器實現穩定、平滑軟起動，且調速時，皮帶速度上升或下降平穩，實現節約電能、減少設備磨損、延長設備使用壽命等目標。

（3）系統啟動轉矩大，轉矩可達額定轉矩2.2倍，滿足設備重載起動需求；短時過載轉矩達2 倍額定轉矩，滿足設備過載運行需求；啟動電流低，電流低于2 倍額定電流，降低對電網帶來的沖擊和電網故障。

（4）運行效率高。輕載、重載時均可保持較高的運行效率，較傳統驅動方式運行效率起點高，且變化絕對值幅度較小，節約電能效果明顯。

4.2 經濟效益

AI 智能視頻識別調速控制系統圖像識別技術在上倉帶式輸送機應用后，電機輸入功率由346 kW減小至293 kW，每年可節省電費19.59 萬元；因設備性能可靠，維護量少，每年上倉帶式輸送機可節約各類維護費用和人工費用6 萬元。每年總計可節約費用投入25.59 萬元。

5 結論

（1）洛陽義安礦業有限公司通過對井下主煤流帶式輸送機圖像識別技術研究及應用，順利實現井下上倉帶式輸送機永磁同步變頻電動機AI 智能視頻識別調速控制功能。AI 智能視頻識別調速控制系統安裝投用后，智能效果明顯，與上倉輸送機永磁同步變頻控制系統聯控使用，并實時采集東膠帶式輸送機、西膠帶式輸送機開停機信號，根據物料輸送量情況自動調整永磁同步變頻電動機運行轉速，實現升速、降速和自動停機功能，減少電能消耗，提高帶式輸送機安全運行系數，減少設備磨損，延長設備使用壽命。

（2）上倉帶式輸送機驅動系統經過安裝改造運行，上倉帶式輸送機形成CST 可控啟動傳輸裝置+永磁同步變頻雙驅動系統，兩套系統一用一備。永磁同步變頻直驅系統結構簡單、啟動平滑、運行平穩、調速效果優良、傳動效率高、能耗低，系統基本免維護，并與AI 智能視頻識別調速控制系統聯控，實現智能變頻調速，保障帶式輸送機安全高效運行。

（3）AI 智能視頻識別調速控制系統圖像識別技術在上倉帶式輸送機應用后，每年上倉帶式輸送機節約電費、各類維護費用及人工費總計25.59 萬元。