基于計算機視覺技術(shù)礦山運輸智能調(diào)速控制系統(tǒng)研究

馬曉琳

(晉能控股煤業(yè)集團忻州窯礦， 山西 大同 037000)

1 前言

帶式輸送機是煤礦井下主要運輸設(shè)備，具有運輸連續(xù)、運量大、運送距離長等優(yōu)點。受到煤層賦存條件限制，煤炭開采存在一定的不均衡性，帶式輸送機長時間處于輕載、空載狀態(tài)，從而浪費大量的電能[1]。帶式輸送機通過變頻器不僅可實現(xiàn)軟啟動而且可實現(xiàn)變頻調(diào)速，但是絕大多數(shù)礦井將變頻器作為軟啟動設(shè)備使用，未能充分發(fā)揮變頻器自動調(diào)速功能或者僅通過手動方式調(diào)節(jié)帶式輸送機運行速度[2-3]。因此，設(shè)計一種帶式輸送機智能調(diào)速控制系統(tǒng)，依據(jù)井下煤炭運輸需要對輸送機運行速度進行智能調(diào)速，對提高帶式輸送機運行效率并降低設(shè)備能耗具有重要意義。

帶式輸送機智能調(diào)速依據(jù)運輸煤量自動調(diào)整，煤量監(jiān)測以及運輸速度控制是實現(xiàn)帶式輸送機智能調(diào)速控制關(guān)鍵，其中煤量監(jiān)測是智能調(diào)速的基礎(chǔ)。目前帶式輸送機常用的煤量監(jiān)測方法有直接法、間接法[4-6]。直接法是通過激光稱、電子稱等設(shè)備直接獲取輸送機帶上瞬時煤炭量，具有煤量監(jiān)測結(jié)果穩(wěn)定、可信度高等優(yōu)點，但是也存在安裝、移動困難、投入大等問題。間接法是通過獲取采煤工作面刮板輸送機、帶式輸送機開關(guān)信號、電流、功率等間接參數(shù)獲取到輸送帶上煤量，該種方式只能反應(yīng)輸送機上運輸?shù)目偯毫髁浚瑹o法掌握輸送帶上煤流分布以及瞬時煤量。隨著礦井生產(chǎn)規(guī)模增加，帶式輸送機長度、寬度不斷提升，如神東煤炭下屬礦井單臺帶式輸送機運輸長度達到8 700 m、輸送帶寬度達到1 600 mm，即便輸送機帶上有一段處于滿載，電動機電流波動較小，容易導(dǎo)致輸送機出現(xiàn)灑煤或者堆煤問題。近些年來，隨著計算機、圖像識別技術(shù)等快速發(fā)展，計算機視覺技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用逐漸增加，從而為輸送機運輸煤流量監(jiān)測提供了一種新的技術(shù)方法[7]。因此，本文將計算機視覺技術(shù)應(yīng)用到輸送機煤流量監(jiān)測中，通過信號處理、圖像處理等技術(shù)得到輸送帶上煤流位置及分布，從而實時掌握輸送帶上煤流量。依據(jù)獲取到煤流量信息采用階梯調(diào)速方式實現(xiàn)輸送機運輸煤量與運行速度間的智能匹配，通過變頻器調(diào)整輸送機運行，從而達到提高輸送機運行效率并降低設(shè)備運行能耗目的。

2 帶式輸送機智能階梯調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于計算機視覺技術(shù)的帶式輸送機智能階梯調(diào)速控制系統(tǒng)包括視覺信息采集單元、圖像處理單元、調(diào)速單元以及執(zhí)行單元等結(jié)構(gòu)模塊，具體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 帶式輸送機智能階梯調(diào)速控制系統(tǒng)組成

視覺信息采集單元主要通過使用數(shù)字相機獲取到輸送帶上煤流圖像，并通過井下布置的工業(yè)以太網(wǎng)將煤流圖像實時傳輸給圖像處理單元，圖像處理單元通過圖像處理技術(shù)、模式識別技術(shù)對獲取到的煤流圖像進行實時分析，從而獲取到輸送帶上實時煤流量；調(diào)速單元結(jié)合輸送機實時煤流量、運行速度等信息，采用模糊控制方式對實現(xiàn)帶式輸送機運行速度與運輸量間的匹配，并將匹配結(jié)果傳輸給帶式輸送機變頻控制器；最后通過調(diào)整變頻器輸出電流頻率實現(xiàn)對輸送機運行速度的智能控制，從而達到提高帶式輸送機運行效率并降低設(shè)備能耗目的。

為實時掌握不同位置帶式輸送機運輸煤流量，并對井下帶式輸送機運行速度的全覆蓋控制，可在運輸大巷、工作面運輸巷、主斜井等位置均布置數(shù)字相機獲取煤流圖像。

3 煤流量識別

帶式輸送機智能控制系統(tǒng)煤流量識別主要依據(jù)計算機視覺技術(shù)對獲取到的煤流圖形進行分析、處理，從而實時獲取到輸送機煤流量。具體帶式輸送機上煤流量識別裝置布置如圖2所示，在輸送帶上方一定距離布置激光發(fā)射器、數(shù)字相機，激光發(fā)射器在輸送帶煤流上形成的激光條紋提高煤流圖像質(zhì)量，數(shù)字相機用以采集設(shè)定區(qū)域內(nèi)輸送帶上煤流圖像。

圖2 煤流量識別裝置布置示意圖

將數(shù)字相機實時的視頻圖像按照預(yù)處理→感興趣區(qū)獲取→煤流特征提取→圖像分割處理等進行處理得到煤流區(qū)域面積，最后綜合比對煤流區(qū)域以及感興趣區(qū)面積，從而實時得到輸送機運輸?shù)乃矔r煤量，具體煤流量識別處理流程如圖3所示。在對輸送機運輸?shù)拿毫髁窟M行動態(tài)識別過程中，如何精準(zhǔn)的獲取煤流區(qū)域、感興趣區(qū)域是較為關(guān)鍵的兩個環(huán)節(jié)。感興趣區(qū)域主要是定位輸送帶寬度、位置，從而降低背景給識別結(jié)果帶來的影響，為獲取到運輸煤量提供參考；煤流區(qū)域在獲取到的感興趣區(qū)域基礎(chǔ)上通過將煤流顏色、能量以及運動等特征作為頻域、時域特征，在感興趣區(qū)域內(nèi)對滿足頻域、時域特征圖像提取，從而獲取得到煤流區(qū)域面積。

圖3 煤流量識別處理流程

山西某礦1506運輸大巷帶式輸送機額定運輸量為4 500 t/h，輸送機在滿載運行時獲取到的感興趣區(qū)內(nèi)像素點數(shù)量為120 000個，如在某時刻獲取到的煤流區(qū)圖像中像素點數(shù)量為59 800個，則此時帶式輸送機運輸?shù)拿毫髁坑嬎憬Y(jié)果如圖4所示。

圖4 煤流量計算結(jié)果

4 輸送機智能調(diào)速控制

4.1 階梯調(diào)速策略

通過計算機視覺技術(shù)獲取煤流量，智能調(diào)速控制系統(tǒng)依據(jù)煤流量對輸送機運行速度進行調(diào)控，由于煤流量處于動態(tài)的調(diào)整之中，若智能調(diào)速系統(tǒng)頻繁調(diào)整帶式輸送機運行速度，則容易造成變頻器、電動機以及輸送帶等設(shè)備磨損及故障發(fā)生率，同時不利于帶式輸送機高效運行。為此文中提出采用階梯調(diào)速策略對帶式輸送機運行速度進行調(diào)整。具體為某一區(qū)間帶式輸送機煤炭運輸量對應(yīng)一運行速度，從而避免頻繁調(diào)速帶來的問題。根據(jù)礦井1506運輸大巷煤炭運輸需要，提出的帶式輸送機運行速度與煤流量間階梯對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

圖5 機運行速度與煤流量間階梯對應(yīng)關(guān)系

4.2 智能調(diào)速控制

采用模糊控制方法實現(xiàn)帶式輸送機智能調(diào)速，具體調(diào)速原理如圖6所示。采用計算機視覺技術(shù)實時掌握帶式輸送機機上實時煤流量、速度傳感器掌握輸送機運行速度，將獲取到的信息輸入到預(yù)先設(shè)定的動力學(xué)模型中進行自動計算；模糊控制器根據(jù)煤流量信息以及動力學(xué)模型計算結(jié)果并依據(jù)預(yù)先設(shè)定的階梯調(diào)速策略對向變頻控制系統(tǒng)發(fā)出調(diào)速指令，變頻控制系統(tǒng)通過改變變頻器輸出電流頻率實現(xiàn)對帶式輸送機運行速度調(diào)整，從而完成帶式輸送機智能調(diào)速。

圖6 輸送機智能調(diào)速控制原理

為了簡化階梯調(diào)速流程，文中采用模糊控制策略進行智能調(diào)速。將獲取到的輸送機煤流信息、運行速度等信息通過模糊處理轉(zhuǎn)換成模糊控制量，通過模糊控制器內(nèi)置控制規(guī)則實現(xiàn)模糊決策，具體信息處理流程如圖7所示。將計算機視覺技術(shù)獲取到的煤流量Q、電動機電流I、輸送機運輸V1等作為輸入信息，經(jīng)過處理后得到控制指令。

圖7 模糊控制流程

5 現(xiàn)場應(yīng)用分析

在山西某礦1506運輸大巷使用智能階梯調(diào)速控制系統(tǒng)對帶式輸送機運行進行控制。運輸大巷內(nèi)使用的帶式輸送機型號為DTL- 1200、配套使用的電動機為3×400 kW，輸送帶帶強為2 500 N/m，運輸距離為1 650 m，運送速度4.8 m/s。該運輸巷現(xiàn)階段主要服務(wù)于3605綜放工作面煤炭運輸，工作面開采的6#煤層厚度3.6～8.9 m，受到煤層開采高度變化影響，工作面煤炭產(chǎn)量1 600～3 800 t/h，煤炭運輸量變化較大。

具體現(xiàn)場應(yīng)用后基于計算機技術(shù)獲取到的煤流量數(shù)據(jù)、智能階梯調(diào)速控制的帶式輸送機運輸速度曲線如圖8所示。從圖中看出：

圖8 輸送機煤流量及運行速度采集結(jié)果

(1)采用計算機視覺技術(shù)可較為精準(zhǔn)的掌握輸送機上煤流量變化情況，同時智能階梯調(diào)速控制系統(tǒng)在煤流量變化較小時保持輸送機運輸速度不變，當(dāng)煤流量增加或者減少到一定程度后輸送機運行速度則對應(yīng)的增加或者降低。

(2)在監(jiān)測期間帶式輸送機最大運輸煤炭量僅占額定運輸量的80%，帶式輸送機長時間保持3.5 m/s運行速度，在煤炭運輸時未出現(xiàn)輸送機異常停機、工作面堆煤或者溢煤等不良情況。智能階梯控制系統(tǒng)控制的帶式輸送機運輸量完全可滿足工作面煤炭運輸需要。

(3)帶式輸送機運輸處于高速運行(速度達到4.0 m/s及以上)、低速運行(速度在3.0 m/s及以下)時間僅為12 min，處于中速運行(速度在3.5 m/s)時間占比為96 min。帶式輸送機長時間處于中速運行，不僅可滿足工作面煤炭運輸需要而且避免頻繁調(diào)速。

(4)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)當(dāng)帶式輸送機處于高度運行時出現(xiàn)一定程度的速度頻繁增加問題，如在25～28 min間、100～110 min間智能階梯控制系統(tǒng)分別有2次、5次調(diào)速，調(diào)速速度較為頻繁，分析主要是由于部分模糊控制策略存在一定缺陷，在后續(xù)應(yīng)用過程中應(yīng)針對性進行改進，以便確保帶式輸送機運行速度穩(wěn)定。

6 結(jié)論

(1)為了提高煤礦井下帶式輸送機運行效率并降低設(shè)備運行能耗，基于計算機視覺技術(shù)以及智能控制系統(tǒng)設(shè)計一種帶式輸送機智能階梯控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)依據(jù)計算機視覺技術(shù)獲取到的煤流量作為調(diào)速依據(jù)，通過模糊控制策略對帶式輸送機運行速度進行調(diào)整。為了避免煤流量頻繁變化引起帶式輸送機運行速度頻繁調(diào)整問題，提出采用階梯調(diào)速方式確保帶式輸送機運行速度相對穩(wěn)定，具體為某一特定區(qū)間輸送機煤流量對應(yīng)一輸送機運行速度。

(2)在1506運輸大巷帶式輸送機使用智能階梯調(diào)速控制系統(tǒng)后，輸送機運行速度可根據(jù)運輸?shù)拿毫髁窟M行調(diào)整，煤流量在一定范圍內(nèi)時帶式輸送機運行速度保持不變?，F(xiàn)場應(yīng)用后，帶式輸送機長時間保持在3.5 m/s速度運輸，該運行速度不僅可滿足3605綜放工作面煤炭運輸需要，而且顯著降低了帶式輸送機能耗，應(yīng)用效果較為顯著。