基于AI 智能視頻識別帶式輸送機自動調(diào)速系統(tǒng)研究

張鈺煜

（洛陽義安礦業(yè)有限公司，河南 新安 471800）

煤礦通過自動化、智能化建設(shè)實現(xiàn)智能控制，降低能耗和成本投入，提高設(shè)備運行可靠性，延長設(shè)備使用壽命。其中，井下主煤流皮帶機圖像識別控制調(diào)速系統(tǒng)[1-3]是煤礦智能化的一個重要組成部分。由于傳統(tǒng)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(jiān)控為主，不能實現(xiàn)帶式輸送機工作狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷、自適應(yīng)調(diào)節(jié)以及協(xié)同工作，并沒有真正實現(xiàn)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(yè)有限公司結(jié)合礦井生產(chǎn)特點，提出帶式輸送機AI 智能視頻識別保護(hù)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將視頻分析、工業(yè)控制等系統(tǒng)集成，在變頻器調(diào)速和PLC 控制的基礎(chǔ)上，研究根據(jù)帶式輸送機煤流量的變化實時動態(tài)調(diào)整皮帶變頻電機的轉(zhuǎn)速，使運輸系統(tǒng)由“逆流”啟動向“智能”啟動方式的轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 帶式輸送機圖像識別技術(shù)原理

AI 智能視頻識別保護(hù)控制系統(tǒng)通過改造傳統(tǒng)帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)及應(yīng)用AI 圖像分析技術(shù)，實現(xiàn)智能、節(jié)能調(diào)速。一是對上倉帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行改造，在原帶式輸送機驅(qū)動后方加裝一套永磁同步變頻直驅(qū)系統(tǒng)，形成一用一備驅(qū)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(jù)工況需要，可實現(xiàn)帶式輸送機零至額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無級調(diào)速；二是在改造驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用AI智能視頻識別調(diào)速控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由全煤流分析平臺、AI 分析裝置、KJJ660 型礦用隔爆兼本質(zhì)安全型綜合接入網(wǎng)關(guān)、KBA12W 型煤流攝像儀及激光器組成，AI 智能視頻識別調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。系統(tǒng)運行時，在變頻器調(diào)速和PLC 控制的基礎(chǔ)上，利用AI 圖像分析技術(shù)，對礦井主運輸帶式輸送機和輔助運輸帶式輸送機煤量進(jìn)行識別和分析，統(tǒng)計全煤流的實時煤量，根據(jù)帶式輸送機煤流量的變化實時動態(tài)調(diào)整輸送機變頻電機的轉(zhuǎn)速，最后形成數(shù)據(jù)庫，方便以后的煤量統(tǒng)計和數(shù)據(jù)分析。

圖1 AI 智能視頻識別調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 基于智能視頻的煤流量監(jiān)測

2.1 圖像識別技術(shù)主要設(shè)備及參數(shù)

（1）圖像識別技術(shù)主要設(shè)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(shù)主要設(shè)備明細(xì)表

（2）圖像識別技術(shù)參數(shù)。① 大塊煤監(jiān)測識別：能夠?qū)z像機所拍到的視頻畫面進(jìn)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(tǒng)可以自動進(jìn)行事件信息記錄。③ 聯(lián)動控制：能夠?qū)Χ衙?、大塊煤、錨桿、水煤等情況進(jìn)行自動識別，同時輸出信號給控制系統(tǒng)，達(dá)到報警（或停機）目的。④ 礦用本安型高清數(shù)字?jǐn)z像儀分辨率≥200 萬像素。⑤ 監(jiān)控主機：8 G 內(nèi)存，2 G 顯存，以便于達(dá)到系統(tǒng)圖像處理和分析的實時性。⑥ 大塊煤監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場布置五個攝像頭，通過MODBUS-TCP 協(xié)議將大塊煤監(jiān)測結(jié)果及聯(lián)動信息提供給集控系統(tǒng)。⑦ 本系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果通過井下工業(yè)以太網(wǎng)傳至系統(tǒng)監(jiān)控軟件。

2.2 煤流量監(jiān)測流程

控制系統(tǒng)采用圖像識別技術(shù)對煤流量進(jìn)行實時監(jiān)測。圖像識別技術(shù)設(shè)備安裝示意圖如圖2。

圖2 圖像識別技術(shù)設(shè)備安裝示意圖

在永磁同步變頻驅(qū)動帶式輸送機的上級轉(zhuǎn)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(jiān)測。智能攝像儀利用線型激光標(biāo)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(jìn)行識別處理，結(jié)合皮帶的寬度，計算皮帶上煤的橫截面積，再根據(jù)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(guān)量輸出接口，上傳至綜合網(wǎng)關(guān)。

3 變頻調(diào)速控制

3.1 永磁驅(qū)動系統(tǒng)安裝

永磁同步變頻電動機安裝在上倉帶式輸送機原驅(qū)動裝置設(shè)備硐室后方，結(jié)合現(xiàn)場實際條件，需施工一個設(shè)備硐室，用于放置永磁電機、冷卻水箱等驅(qū)動及配套設(shè)備。永磁同步變頻驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)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(zhuǎn)速60 r/min，冷卻方式IC46W（水冷）；控制系統(tǒng)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(tǒng)配備ZDLQ-65B 型自循環(huán)水箱，容積700 L，采用不銹鋼材質(zhì)，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(shè)備冷卻要求；散熱功率65 kW，滿足現(xiàn)場電機、變頻器冷卻需要。永磁同步變頻電機驅(qū)動改造主要設(shè)備明細(xì)見表2。

表2 主要設(shè)備配置明細(xì)表

3.2 變頻調(diào)速控制

在上倉帶式輸送機控制硐室內(nèi)安裝綜合網(wǎng)關(guān)，綜合網(wǎng)關(guān)接收智能攝像儀拍攝的煤量圖片，根據(jù)當(dāng)前煤量變化計算出合適的帶速并發(fā)出帶速信號給變頻器，綜合網(wǎng)關(guān)控制變頻器，變頻器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的邏輯帶速，實現(xiàn)0～3.15 m/s變頻調(diào)速控制，達(dá)到“煤多快跑、煤少慢跑”的節(jié)能控制。

4 控制系統(tǒng)運行效果分析

4.1 系統(tǒng)運行效果

（1）系統(tǒng)通過智能視頻分析技術(shù)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(zhǔn)確度高。

（2）調(diào)速性能優(yōu)良，根據(jù)負(fù)載可實現(xiàn)智能無級調(diào)速功能；軟起性能優(yōu)良，依靠變頻器實現(xiàn)穩(wěn)定、平滑軟起動，且調(diào)速時，皮帶速度上升或下降平穩(wěn)，實現(xiàn)節(jié)約電能、減少設(shè)備磨損、延長設(shè)備使用壽命等目標(biāo)。

（3）系統(tǒng)啟動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩2.2倍，滿足設(shè)備重載起動需求；短時過載轉(zhuǎn)矩達(dá)2 倍額定轉(zhuǎn)矩，滿足設(shè)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(wǎng)帶來的沖擊和電網(wǎng)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(tǒng)驅(qū)動方式運行效率起點高，且變化絕對值幅度較小，節(jié)約電能效果明顯。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

AI 智能視頻識別調(diào)速控制系統(tǒng)圖像識別技術(shù)在上倉帶式輸送機應(yīng)用后，電機輸入功率由346 kW減小至293 kW，每年可節(jié)省電費19.59 萬元；因設(shè)備性能可靠，維護(hù)量少，每年上倉帶式輸送機可節(jié)約各類維護(hù)費用和人工費用6 萬元。每年總計可節(jié)約費用投入25.59 萬元。

5 結(jié)論

（1）洛陽義安礦業(yè)有限公司通過對井下主煤流帶式輸送機圖像識別技術(shù)研究及應(yīng)用，順利實現(xiàn)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(diào)速控制功能。AI 智能視頻識別調(diào)速控制系統(tǒng)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(tǒng)聯(lián)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(jù)物料輸送量情況自動調(diào)整永磁同步變頻電動機運行轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)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(shù)，減少設(shè)備磨損，延長設(shè)備使用壽命。

（2）上倉帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)經(jīng)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(qū)動系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)一用一備。永磁同步變頻直驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、啟動平滑、運行平穩(wěn)、調(diào)速效果優(yōu)良、傳動效率高、能耗低，系統(tǒng)基本免維護(hù)，并與AI 智能視頻識別調(diào)速控制系統(tǒng)聯(lián)控，實現(xiàn)智能變頻調(diào)速，保障帶式輸送機安全高效運行。

（3）AI 智能視頻識別調(diào)速控制系統(tǒng)圖像識別技術(shù)在上倉帶式輸送機應(yīng)用后，每年上倉帶式輸送機節(jié)約電費、各類維護(hù)費用及人工費總計25.59 萬元。