基于圖像處理的礦用帶式輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其能效分析

李阿紅

(咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽(yáng) 712000)

煤礦開(kāi)采過(guò)程中,帶式輸送機(jī)是非常重要的輔助運(yùn)輸裝備,具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離散裝物料連續(xù)運(yùn)輸?shù)缺姸鄡?yōu)勢(shì)[1]。隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采量的不斷增加,在提升煤礦開(kāi)采效率的同時(shí),如何降低成本,提升煤礦開(kāi)采效能是煤礦企業(yè)急需解決的問(wèn)題,也是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]。在實(shí)際煤礦開(kāi)采時(shí),受眾多方面因素影響,工作面開(kāi)采的煤炭量存在很大的不均衡性,時(shí)而開(kāi)采量較大,時(shí)而開(kāi)采量較小[3]。在這樣的情況下,如果帶式輸送機(jī)連續(xù)以額定功率運(yùn)行,必然會(huì)存在能耗浪費(fèi)的問(wèn)題,增加煤礦開(kāi)采成本,與我國(guó)提倡的節(jié)能減排方針政策背道而馳,不利于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4]。

近年來(lái),圖像處理技術(shù)獲得了較快發(fā)展,在工業(yè)領(lǐng)域有比較成熟的應(yīng)用,可以將圖像處理技術(shù)引用到帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)上,利用圖像分析確定膠帶的輸送量,進(jìn)而對(duì)其運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié),以達(dá)到降低設(shè)備能耗的效果[5]。本文以DTL120型帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象,基于圖像處理技術(shù)設(shè)計(jì)了設(shè)備的控制系統(tǒng),并分析了能效,達(dá)到了預(yù)期效果。

1 帶式輸送機(jī)概述

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及其原理

帶式輸送機(jī)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,特別容易實(shí)現(xiàn)集中控制,當(dāng)前已經(jīng)成為煤礦領(lǐng)域非常重要的輸送裝備[6]。設(shè)備結(jié)構(gòu)方面相對(duì)簡(jiǎn)單,主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)滾筒、換向滾筒、膠帶、托輥、清掃裝置等,還包括張緊裝置。膠帶繞過(guò)驅(qū)動(dòng)滾筒、換向滾筒、張緊裝置形成閉環(huán),在張緊裝置的作用下,膠帶可以與驅(qū)動(dòng)滾筒和換向滾筒緊密接觸,并利用摩擦力實(shí)現(xiàn)力的傳遞[7]。

1.2 存在的問(wèn)題分析

某煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為378萬(wàn)t/a,工作面中使用的采煤機(jī),其最大瞬時(shí)采煤量為650 t/h,煤礦中使用的帶式輸送機(jī)額定輸送能力為1 000 t/h?？梢钥闯?帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸能力要比采煤機(jī)的采煤能力大很多。帶式輸送機(jī)使用的控制系統(tǒng)不具備變頻調(diào)速能力,使得設(shè)備只能按額定功率運(yùn)行,出現(xiàn)了“大牛拉小車”的現(xiàn)象。設(shè)備連續(xù)處在高功率運(yùn)行狀態(tài)下,而實(shí)際運(yùn)輸?shù)拿禾苛肯鄬?duì)較少,造成了能源浪費(fèi)現(xiàn)象,增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本,不利于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[8]。因此,有必要結(jié)合實(shí)際情況,基于先進(jìn)的圖像處理技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù),設(shè)計(jì)設(shè)備的控制系統(tǒng),使得設(shè)備能根據(jù)實(shí)際輸送的煤炭量調(diào)節(jié)運(yùn)輸速度,降低設(shè)備能耗和生產(chǎn)成本。

2 帶式輸送機(jī)圖像采集及其預(yù)處理

2.1 圖像采集

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是利用圖像識(shí)別技術(shù)分析膠帶的煤流量,因此圖像采集質(zhì)量直接決定了煤流量計(jì)算的準(zhǔn)確性,進(jìn)而影響系統(tǒng)的整體性能。由于帶式輸送機(jī)在礦井工作,井下環(huán)境比較昏暗,在利用工業(yè)相機(jī)對(duì)帶式輸送機(jī)圖像進(jìn)行采集時(shí),必須進(jìn)行照明以保證圖像采集的效果,且需要合理選擇照明方式[9]。目前比較常用的照明方式主要包括直接照明、背光照明、漫射照明、同軸照明和低角度照明,在對(duì)煤礦現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上,本系統(tǒng)選用直接照明方式。這種方式具備亮度高、照射范圍大等特點(diǎn),適合礦井環(huán)境。帶式輸送機(jī)圖像采集及其照明方式如圖1所示。

圖1 帶式輸送機(jī)圖像采集方式Fig.1 Image acquisition method of belt conveyor

2.2 帶式輸送機(jī)圖像特征

利用工業(yè)相機(jī)采集獲得的帶式輸送機(jī)現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖2所示?？梢钥闯?整體拍攝質(zhì)量較好,圖片主要由3部分構(gòu)成:①設(shè)備所在的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境;②設(shè)備托輥、膠帶以及機(jī)架;③膠帶上方輸送的煤炭物料。拍攝照片的主要特征表現(xiàn)為:有近一半?yún)^(qū)域?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)背景,只有一半?yún)^(qū)域?yàn)槟z帶及其煤炭物料,煤炭物料與膠帶之間的對(duì)比度不是特別明顯。巷道背景信息屬于干擾項(xiàng),在對(duì)圖片進(jìn)行預(yù)處理時(shí),需要對(duì)其進(jìn)行清除。受現(xiàn)場(chǎng)光線影響,導(dǎo)致膠帶與煤炭物料的對(duì)比度不是特別明顯,需要利用圖像處理技術(shù)增強(qiáng)兩者之間的對(duì)比度,以便圖像處理時(shí)能準(zhǔn)確區(qū)分,保證圖像處理精度。

圖2 帶式輸送機(jī)現(xiàn)場(chǎng)圖片F(xiàn)ig.2 On-site pictures of belt conveyors

2.3 圖像的預(yù)處理流程

圖像預(yù)處理是圖像處理技術(shù)中的基礎(chǔ)操作,也是非常重要的操作,作用是對(duì)圖像中的干擾項(xiàng)進(jìn)行清除,提升圖像中的有用信息比例。常見(jiàn)的圖像預(yù)處理操作包括圖像分割、圖像增強(qiáng)以及圖像壓縮等[10]。本研究中需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理的操作及其流程如圖3所示。

圖3 圖像預(yù)處理基本步驟Fig.3 Basic steps of image preprocessing

由圖3可知,針對(duì)輸入系統(tǒng)的圖像信息,首先需要?jiǎng)澐指信d趣的區(qū)域,將不感興趣的區(qū)域進(jìn)行剔除處理,然后對(duì)感興趣的區(qū)域進(jìn)行灰度化處理,再次進(jìn)行濾波、對(duì)比增強(qiáng)以及二值化處理,本研究進(jìn)行二值化處理時(shí)使用的是OTSU算法。二值化處理后的圖像為黑白圖片,其中黑色區(qū)域?yàn)槊禾抠Y源區(qū)域,其余部分為白色。

3 基于圖像處理的帶速自動(dòng)化調(diào)節(jié)

3.1 煤流量統(tǒng)計(jì)方法

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,通過(guò)對(duì)落料口位置進(jìn)行調(diào)整,可以確保煤炭物料處在膠帶的正中間位置,即不管是煤炭還是膠帶都呈左右對(duì)稱分布。當(dāng)膠帶運(yùn)輸?shù)拿禾课锪舷鄬?duì)較少時(shí),則煤炭主要集中在膠帶中間位置,煤炭寬度相對(duì)較小。當(dāng)膠帶運(yùn)輸?shù)拿禾课锪舷鄬?duì)較多時(shí),在重力作用下,煤炭會(huì)向兩側(cè)拓展,此時(shí)對(duì)應(yīng)的煤炭寬度會(huì)變大。而帶式輸送機(jī)的膠帶寬度是固定值,因此可以利用煤炭寬度與膠帶寬度之間的比值(以下稱為煤寬比)來(lái)描述膠帶輸送的煤炭物料重量。煤寬比的計(jì)算原理如圖4所示。利用圖像技術(shù)處理時(shí),煤炭寬度和膠帶寬度都通過(guò)寬度方向上像素的數(shù)量來(lái)表示,每個(gè)像素的寬度乘以像素的數(shù)量,得到煤炭或膠帶的寬度。煤寬比的計(jì)算公式如下:R=xc/xm。其中,R為煤寬比;xc和xm分別為圖片中煤炭部分和膠帶部分對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)量。煤寬比越大意味著膠帶煤流量越大,需要提升運(yùn)行速度,煤寬比越小意味著膠帶煤流量也較小,此時(shí)可以結(jié)合實(shí)際情況降低膠帶運(yùn)行速度。

圖4 煤寬比的計(jì)算原理示意Fig.4 Schematic of calculation principle of coal width ratio

3.2 帶速與煤寬比匹配關(guān)系

正確確定膠帶運(yùn)行速度與煤寬比之間的匹配關(guān)系,是本系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵基礎(chǔ),為避免帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度頻繁調(diào)節(jié),進(jìn)而影響設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性,本研究將膠帶運(yùn)行速度劃分成為不同的等級(jí),系統(tǒng)對(duì)膠帶運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí),只在設(shè)定的幾個(gè)等級(jí)中確定一個(gè)速度運(yùn)行即可,這種設(shè)置模式能在一定程度上提升帶式輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。同樣地,劃分不同的煤寬比區(qū)間,每個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)一個(gè)膠帶運(yùn)行速度。

已有的研究表明,膠帶運(yùn)行速度和煤炭運(yùn)輸量是影響設(shè)備運(yùn)行功率的重要因素。適當(dāng)降低膠帶運(yùn)行速度,可以減小設(shè)備的運(yùn)行功率。帶式輸送機(jī)膠帶運(yùn)行速度與功率之間的關(guān)系如圖5所示,圖5中,Q為煤流量,Q3最大,Q1最小。由圖5可以看出,適當(dāng)降低膠帶運(yùn)行速度,可以減小設(shè)備的運(yùn)行功率。但降低膠帶運(yùn)行速度又會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題,比如會(huì)增加煤炭物料的線密度,增加膠帶上方煤炭的質(zhì)量,從而加大膠帶的張力。運(yùn)行速度與運(yùn)輸煤流量不匹配,還可能引發(fā)膠帶打滑問(wèn)題。所以必須科學(xué)確定帶速與煤寬比之間的匹配關(guān)系,這樣才能在保證設(shè)備運(yùn)行安全的前提下,降低其運(yùn)行功率,達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

圖5 帶式輸送機(jī)膠帶運(yùn)行速度與功率之間的關(guān)系Fig.5 The relationship between the operating speed and power of the belt conveyor belt

在確定膠帶速度等級(jí)時(shí),如果膠帶速度等級(jí)過(guò)少,則達(dá)不到降低能耗的效果。如果膠帶速度等級(jí)過(guò)多,則膠帶運(yùn)行時(shí)速度頻繁切換,會(huì)影響設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性,特別是速度切換過(guò)程必然會(huì)對(duì)其運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生沖擊。本研究在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,將膠帶速度等級(jí)確定為4個(gè),分別為高速、中速、低速和怠速,對(duì)應(yīng)的運(yùn)行速度分別為2.5、1.9、1.3、0.7 m/s,以上4個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的變頻器輸出電壓頻率分別為50、38、26、14 Hz。根據(jù)煤寬比的定義,其計(jì)算結(jié)果在0～1內(nèi)。結(jié)合實(shí)際情況同樣將其劃分成為4個(gè)區(qū)間,分別為0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～1.0,以上4個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)的膠帶運(yùn)行速度依次為怠速、低速、中速和高速。

3.3 膠帶運(yùn)行速度自動(dòng)調(diào)整

帶式輸送機(jī)膠帶運(yùn)行速度自動(dòng)調(diào)整原理如圖6所示。由圖6可知,針對(duì)膠帶機(jī)輸送系統(tǒng),每個(gè)輸送機(jī)都設(shè)置有監(jiān)控視頻?？紤]到后續(xù)帶式輸送機(jī)的煤炭輸送量只與第1臺(tái)輸送機(jī)有關(guān),因此只有第1臺(tái)輸送機(jī)的攝像機(jī)與帶速自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)相連接。對(duì)第1臺(tái)帶式輸送機(jī)的圖片進(jìn)行處理分析,即可判斷整個(gè)輸送系統(tǒng)的煤炭量。每臺(tái)輸送機(jī)上配備有變頻器,并且與PLC控制器進(jìn)行連接。帶速自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)圖像處理結(jié)果下達(dá)指令,指令通過(guò)PLC控制器下達(dá)到所有輸送機(jī)的變頻器中,變頻器根據(jù)指令輸出對(duì)應(yīng)的電壓頻率,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的控制。

圖6 膠帶運(yùn)行速度自動(dòng)調(diào)整原理Fig.6 Schematic diagram of automatic adjustment of belt running speed

4 帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的能效分析

4.1 能效現(xiàn)狀分析

煤礦的主運(yùn)輸巷道共設(shè)置有4臺(tái)帶式輸送機(jī),每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)輸能力均為1 000 t/s,運(yùn)輸長(zhǎng)度分別為751、273、1 242、2 163 m,4臺(tái)設(shè)備的電動(dòng)機(jī)功率依次為4×160 kW、2×160 kW、4×160 kW和4×250 kW。膠帶寬度為1.2 m,額定帶速為2.5 m/s。為分析使用本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)前帶式輸送機(jī)的能效,對(duì)4臺(tái)設(shè)備電機(jī)連續(xù)1個(gè)月時(shí)間的監(jiān)測(cè)功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,剔除異常數(shù)據(jù)以及檢修日的數(shù)據(jù),得到帶式輸送機(jī)正常情況下每天的平均運(yùn)行時(shí)間為12.9 h。利用同樣的方式統(tǒng)計(jì)了帶式輸送機(jī)連續(xù)1個(gè)月內(nèi)的運(yùn)輸量,每天平均的運(yùn)輸量為9 866 t。

使用基于圖像處理的變頻系統(tǒng)前,帶式輸送機(jī)以高功率恒速運(yùn)行。對(duì)4臺(tái)設(shè)備電機(jī)的平均功率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),電機(jī)平均功率依次為527、265、584、879 kW。工業(yè)用電分為3個(gè)階段,分別為低谷、平段和高峰,不同階段電價(jià)存在差異,電價(jià)依次為0.415 5、0.732 1、1.1 456元/kWh,帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)在上述3個(gè)階段的時(shí)間依次為5.7、3.2、4.0 h?；谝陨蠑?shù)據(jù),計(jì)算得出4臺(tái)帶式輸送機(jī)日平均消耗電量為29 089.5 kWh,平均消耗電費(fèi)20 956.8元。

4.2 新系統(tǒng)的能效分析

為研究新系統(tǒng)的節(jié)能效果,將新系統(tǒng)部署到帶式輸送機(jī)工程實(shí)踐中,并挑選設(shè)備連續(xù)運(yùn)行時(shí)間及輸送煤炭量與未使用系統(tǒng)前平均運(yùn)行時(shí)間及輸送量相同的一天,提取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析。帶式輸送機(jī)膠帶運(yùn)行速度隨時(shí)間的演變曲線如圖7所示。由圖7可知,在12.9 h的運(yùn)行過(guò)程中,帶式輸送機(jī)膠帶運(yùn)行速度出現(xiàn)了明顯的變化。出現(xiàn)這種情況的主要原因是本系統(tǒng)利用圖像處理技術(shù)實(shí)時(shí)分析輸送的煤流量,根據(jù)煤流量大小調(diào)節(jié)膠帶速度,以達(dá)到節(jié)能降耗的效果。圖7中數(shù)據(jù)說(shuō)明,工作面在進(jìn)行煤礦開(kāi)采時(shí),不同時(shí)刻開(kāi)采獲得的煤炭量存在一定的差異。

圖7 帶式輸送機(jī)膠帶運(yùn)行速度隨時(shí)間的演變曲線Fig.7 Evolution curve of the belt speed of the belt conveyor with time

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了膠帶在不同速度的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間,結(jié)果如圖8所示。可以看出,帶式輸送機(jī)大部分時(shí)間以額定運(yùn)行速度工作,為7.93 h。處于中速狀態(tài)的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為3.76 h,處于怠速運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間非常短,只有1.21 h。為計(jì)算帶式輸送機(jī)1 d消耗的電費(fèi),統(tǒng)計(jì)了設(shè)備在12.9 h運(yùn)行過(guò)程中屬于不同時(shí)間段的時(shí)長(zhǎng)。在高速運(yùn)行階段,處于高峰、平段和低谷的時(shí)長(zhǎng)分別為3.38、2.33、2.22 h;在中速運(yùn)行階段,對(duì)應(yīng)3個(gè)時(shí)間段的時(shí)長(zhǎng)分別為0.62、0.18、2.96 h;在怠速運(yùn)行階段,3個(gè)階段對(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)分別為0、0.69、0.52 h。帶式輸送機(jī)處于不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí),其消耗功率存在差異,帶式輸送機(jī)不同運(yùn)行速度對(duì)應(yīng)的平均功率見(jiàn)表1?？梢钥闯?帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度越高,消耗功率越大,速度越低則消耗功率越低。

表1 帶式輸送機(jī)不同運(yùn)行速度對(duì)應(yīng)的平均功率Tab.1 Average power corresponding to different operating speeds of the belt conveyor kW

圖8 膠帶不同速度的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間Fig.8 Cumulative running time of belt at different speeds

基于以上數(shù)據(jù),對(duì)使用新系統(tǒng)后的帶式輸送機(jī)的能效進(jìn)行計(jì)算得,4臺(tái)帶式輸送機(jī)日消耗的電量24 031.6 kWh,設(shè)備日消耗電費(fèi)為18 071.32元。

4.3 能效對(duì)比分析

基于以上分析可以看出,在設(shè)備運(yùn)行時(shí)間及輸送煤炭量基本相同的情況下,未使用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以前,設(shè)備每天消耗的電量為29 089.5 kWh,使用本系統(tǒng)以后,同樣的設(shè)備每天消耗的電量降低到了24 031.6 kWh,電能消耗降低幅度為17.39%。使用系統(tǒng)前后,帶式輸送機(jī)每日消耗的電費(fèi)分別為20 956.8元和18 071.32元,每日可以節(jié)省的電費(fèi)為2 885.48元,電費(fèi)的降低幅度為13.77%。假設(shè)工作面每年平均工作時(shí)間300 d,則新系統(tǒng)的投入應(yīng)用,每年可以為企業(yè)節(jié)省電費(fèi)86.6萬(wàn)元左右。另外,系統(tǒng)的成功應(yīng)用使得帶式輸送機(jī)不需要長(zhǎng)時(shí)間高功率工作,會(huì)在一定程度上降低設(shè)備損耗,進(jìn)而降低設(shè)備運(yùn)行故障率,不僅能節(jié)省一定的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本,還能延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

5 結(jié)論

以煤礦中使用的帶式輸送機(jī)為對(duì)象,基于先進(jìn)的圖像處理技術(shù)和變頻技術(shù)設(shè)計(jì)了帶式輸送機(jī)的控制系統(tǒng),并將其應(yīng)用到工程實(shí)踐中,分析了能效。利用工業(yè)相機(jī)在照明系統(tǒng)的作用下進(jìn)行攝像,對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理后獲得二值圖,基于二值圖可計(jì)算煤寬比。系統(tǒng)將煤寬比劃分為4個(gè)等級(jí),對(duì)應(yīng)有4個(gè)等級(jí)的膠帶運(yùn)行速度,控制系統(tǒng)可根據(jù)煤寬比區(qū)間自動(dòng)調(diào)節(jié)膠帶運(yùn)行速度,達(dá)到節(jié)能降耗的效果。將系統(tǒng)部署到煤礦工程實(shí)踐中,對(duì)系統(tǒng)的能效進(jìn)行對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用使得設(shè)備能耗降低了17.39%,電費(fèi)降低了13.77%,每年可以為企業(yè)節(jié)省86.6萬(wàn)元的電費(fèi)。