基于視覺煤流檢測的礦井皮帶機變頻調速系統(tǒng)

俎少杰，王 強，韓進軍

（潞安化工集團王莊煤礦，山西 長治 046031）

引言

皮帶機輸煤是煤礦生產的一個重要環(huán)節(jié)，是保證煤礦安全、穩(wěn)定、高效運轉的重要保證。在煤礦地下開采過程中存在很多不確定因素，使得生產煤量時大時小。為了保證設備的運行安全，在選擇皮帶機電機功率時通常會保留足夠的功率裕量，然而在實際生產中，皮帶機很難達到滿載狀態(tài)，導致皮帶機輕載甚至空載狀態(tài)運行。這種運行狀態(tài)不僅加劇了皮帶和膠帶的磨損，縮短了使用壽命，而且傳輸皮帶的驅動電機功率較大，過多的輕載或空載運行導致大量電能的浪費。電能消耗是煤礦生產成本的重要部分，電機過高的空轉率不僅增加了生產成本，也帶來了巨大的能源浪費。目前大多數皮帶機驅動電機均設置了變頻調速裝置，這些變頻調速裝置在電機啟動過程中發(fā)揮作用，在生產過程中一直保持在工頻電源頻率下運行并沒有發(fā)揮調速作用，也是對生產設備的一種浪費。因此根據實時煤流量數據調節(jié)皮帶機轉速，對更好地利用設備、節(jié)約能源具有重要意義。

在保證生產效率的前提下，準確實時地掌握煤流量是對皮帶機進行變頻調速的前提[1-7]。傳統(tǒng)的煤流量統(tǒng)計采用電子膠帶秤、核子膠帶秤等，設備維護成本高、占地面積大、可靠性較差。本文設計一種基于視覺煤流檢測的礦井皮帶機調速系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用雙目立體相機、線激光器等作為硬件支持，結合人工智能領域先進的機器視覺、圖像處理等技術對皮帶機煤流量進行智能監(jiān)測；在獲得準確煤流量數據后由智能工控系統(tǒng)給定電機轉速并發(fā)出調速指令，使皮帶轉速能夠根據煤流量大小實現實時調整；當出現矸石或者錨桿意味著采樣時間段內煤流量過大，可能會造成堆煤、堵煤的情況，降低生產效率甚至損壞皮帶。采用本系統(tǒng)實時掌控皮帶煤流量，實現智能監(jiān)測與高速聯調，當出現煤流量過大時觸發(fā)報警，保證皮帶機的安全穩(wěn)定運行。

1 皮帶機變頻調速系統(tǒng)原理

基于視覺煤流檢測的皮帶機變頻調速系統(tǒng)如圖1 所示，該系統(tǒng)主要包括視覺煤流檢測系統(tǒng)、智能控制器、變頻調速系統(tǒng)、上位機等。視覺煤流檢測系統(tǒng)獲取煤流量大小，并將數據傳輸給智能控制器，根據功率平衡原理，控制器計算給出與當前煤流量匹配的轉速指令交給調速系統(tǒng)執(zhí)行，實現電機的變頻調速，同時判斷煤流量大小是否超過皮帶機允許的最大體積，若出現體積過大的情況，上位機系統(tǒng)顯示報警信息觸發(fā)報警。

圖1 基于視覺煤流檢測的皮帶機變頻調速系統(tǒng)示意圖

2 視覺煤流檢測系統(tǒng)

2.1 煤流圖像獲取

主動視覺檢測技術具有抗干擾性好、測量精度高、實時性強等優(yōu)點，該方法利用線激光器向被測場景照射可控光束，拍攝光束在場景表面所形成的圖像；為了獲得更準確的三維坐標，使用投影模板（下頁圖2），光線在煤堆表面的投影為交叉十字形狀，在獲得投影中心坐標后利用離散化方法投影截面面積，從而計算出煤流量體積。

圖2 投影模板

視覺煤流檢測系統(tǒng)原理如下頁圖3 所示。在輸煤傳送帶上方利用雙目立體相機以一定角度安裝，構造一個雙目立體視覺系統(tǒng)，根據當前皮帶轉速及雙目立體相機的拍攝范圍設定時間間隔Δt，設雙目立體相機兩個攝像頭之間的距離為l，皮帶機轉速為v，則雙目立體相機的圖像采集時間間隔為：

圖3 視覺煤流檢測系統(tǒng)

2.2 圖像處理

由于皮帶機工作環(huán)境存在大量的粉塵，導致相機拍攝的煤流圖像模糊，影響煤流體積計算的準確性，因此在相機拍攝完煤流圖像以后需要對圖像進行處理，以獲得清晰的煤流圖像。形態(tài)學圖像處理方法與傳統(tǒng)的圖像處理方法相比算法簡單，易于實現。形態(tài)學圖像處理方法主要包括圖像獲取與灰度化、圖像的腐蝕和膨脹、圖像的開運算和閉運算、二值圖像的歐拉數和面積計算等。

由于攝像機拍攝的圖像為彩色圖像，為了避免圖像條帶失真，更準確地獲得煤流圖像，在獲取圖像后對圖像進行灰度化處理，如圖4 所示，圖像上每個像素點都對應二維空間上的特定位置，并且每個像素點都對應不同的亮度值，該值在0（黑）～255（白）之間，這種用不同亮度值表示的圖像稱為灰度圖像。對灰度圖像進行二值化處理可以得到黑白分明的二值化圖像，如圖5 所示。二值化圖像使目標圖像與背景明顯區(qū)分，得到準確的煤流圖像，保證煤流體積計算的可靠性。閾值法是二值化處理的常用方法，利用圖像中目標圖像與背景的差異，把圖像灰度通過設置合適的閾值，選取一個合適的閾值，以確定某像素是目標還是背景，從而獲得二值化的圖像。本文將煤流圖像像素點的灰度值設置為0 或255，使整個圖像呈現出明顯的黑白效果。

圖4 煤流圖像

圖5 二值化圖像

在進行圖像二值化處理后可以找到十字投影中心，但二值化圖像中存在瑕點，這些瑕點對投影中心的精度存在不利影響，因此消去二值化圖像中瑕點的影響，對二值化圖像進行腐蝕處理，腐蝕處理后圖像如圖6 所示。由圖6 可知，腐蝕處理后瑕點消失，十字投影中心的坐標清晰明確。

圖6 腐蝕圖像

2.3 煤流體積計算

為了計算煤流體積，在圖像采集時間間隔Δt內，只要獲得投影中心的三維坐標，則可以計算出構造光源所在平面與煤堆的截面面積，那么Δt 時間間隔內流過構造光源所在平面的煤堆體積為：

式中：SΔt為煤流截面面積；v 為皮帶轉速。

由式（2）可知，要計算煤流體積必須求取煤堆截面面積，設在某個時間間隔內，截面示意圖如圖7 所示。設共有n 個十字狀投影中心，第i 個投影中心的Z 坐標值為Zi，Y 坐標值為Yi，則采用離散化的方法可求得截面積SΔt：

圖7 煤堆截面

3 變頻調速系統(tǒng)

3.1 變頻器構成及基本原理

由于變頻器能夠實現輸出電壓和頻率可調,被廣泛應用于大功率傳動裝置中，通過改變輸出電壓和頻率實現對電機調速運行，對節(jié)能減排、降低設備損耗等方面有著重要意義。變頻器包括電壓型變頻器和電流型變頻器兩類，目前應用最廣泛的是電壓型變頻器。變頻器內部結構包括一個二極管整流電路和一個IGBT 逆變電路，如圖8 所示，將工頻交流電整流為直流，再通過逆變器獲得期望頻率的交流電。

圖8 變頻器基本結構

帶式輸送機的牽引電機為交流三相異步電機，其轉速表達式為：

式中：n 為電機轉速；f 為輸入電機電源頻率；s 為電機轉差率；p 為極對數。

在電機結構確定的情況下，轉差率和極對數也就確定了，由式（4）可以看出，電機轉速與電源頻率成正比關系，因此變頻器改變電源的頻率就可以對電機轉速進行調整。

3.2 皮帶機調速原理

為實現節(jié)能調速，變頻器需要根據當前皮帶機上煤流量實時調整電機轉速，實現轉速與煤流量的匹配運行，信息處理中心根據煤流量計算期望的皮帶機轉速v1。PLC 控制器根據期望轉速v1與傳感器檢測的實際轉速v0控制變頻器輸出頻率，實現電機調速。

要實現皮帶機調速，關鍵在于皮帶機上的總煤流統(tǒng)計，本文采用兩套視覺煤流檢測系統(tǒng)，在皮帶機起點處安裝的視覺檢測系統(tǒng)S1在每個采樣時間間隔Δt 進行加法運算，在皮帶機終點安裝的視覺檢測系統(tǒng)S2在每個采樣時間間隔Δt 進行減法運算，則皮帶機上的總煤流為：

式中：V0為起始時刻皮帶機煤流量。

若假定開采的煤密度為常數，則皮帶機上煤總質量為：

式中：ρ 為煤的密度。

皮帶機輸出功率用于克服煤在皮帶機上的重力做功，當電機的輸出力矩恰好與總煤流質量相等時，皮帶機處于最佳節(jié)能運行狀態(tài)，兩者關系表達式為：

式中：g 為重力加速度；θ 為皮帶機安裝角度，安裝完成后認為該角度保持不變。

將力F 作為控制器輸入，轉換計算為電機給定轉速v1，控制器根據給定轉速與當前傳感器采集的轉速誤差對皮帶機進行調速，調速流程如圖9 所示。

圖9 皮帶機調速流程

4 結語

基于視覺檢測的煤流檢測系統(tǒng)與變頻器智能調速相結合，實現皮帶機節(jié)能運行。視覺煤流檢測系統(tǒng)利用雙目立體相機與線激光器獲取煤流圖像，利用先進的圖像處理技術獲得投影中心的坐標，從而獲得精確的煤流體積。根據煤流檢測結果，按照作用力平衡的原理，使得電機輸出力矩與皮帶機上煤總質量平衡，得到電機的期望轉速，變頻器根據期望轉速對電機進行調速，實現節(jié)能運行。