主斜井胶带机视频智能调速的研究

舒汉国

摘要：煤矿主斜井大倾角胶带运输机采用智能视频分析技术，实现胶带机视频数据采集、加工集成，提高煤矿企业资金的利用效率，降低用电、人工成本费用，是当今煤矿企业科技创新发展的一大方向。主斜井胶带机视频智能调速技术利用煤矿现有的信息化网络平台，实现主煤流运输系统的安全生产视频监视、控制、智能可视化管理。

Abstract： The large inclined angle belt conveyor of coal mine main inclined shaft adopts intelligent video analysis technology to realize the video data collection and processing integration of the belt conveyor， improve the utilization efficiency of coal mine enterprises' funds， and reduce the cost of electricity and labor， which is a big direction of the development of science and technology innovation in coal mine enterprises today. The video intelligent speed control technology of the main inclined well belt machine utilizes the existing information network platform of the coal mine to realize the video surveillance， control and intelligent visual management of the safety production of the main coal flow transportation system.

关键词：视频;智能调速;控制;实时监测;节电

Key words： video;intelligent speed regulation;control;real-time monitoring;power saving

中图分类号：TD63+4                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）07-0127-03

0  引言

胶带运输机是煤矿的主要运输设备，受开采条件和生产时间的影响，无法保证胶带运输机运煤量均匀和连续运行，导致主煤流系统或单台胶带运输机在负载较轻或无负载的状态下运行时间较长，不仅造成额定（或设定）转速和空、轻载状态下运行的电能浪费，而且也使胶带运输机传动系统、转动部件、胶带形成无效磨损，同时缩短了机械设备使用寿命。因此研究视频智能调速控制系统，通过在胶带运输机上方安装摄像机监控物料状态，控制主煤流系统各条胶带运输机的停、启和调速，实现智能和集中控制，有效节省人力，减少胶带机空、轻载运行损失、减少设备机械磨损。

1  现状及可行性分析论证

煤炭生产矿井，主斜井胶带运输机和工作面顺槽胶带运输机大部分使用了变频调速，根据运输量，虽定期进行了人工设定调速和每条胶带机启停设置，但节能效果尚不明显。近几年，多家单位利用给煤机定量、电子称称重、红外线等方式检测运输量，但目前尚无有效、可靠的方案检测运输量变化、运输量分布，真正实现智能调速的目的。另外，胶带运输机的开启需要从末端依次启动，先启动的一直处于空转状态，且每台胶带运输机需安排司机操作。

通过主斜井胶带机视频智能调速控制系统研究，利用智能视频可判断带面上有无煤量、瞬时断面煤量、胶带运行速度，经过逻辑分析可实现胶带运输机的智能调速控制及主煤流胶带运输机的顺煤流启停。

2  研究的技术难点与技术关键

2.1 研究的技术难点

视频采集背景的复杂性：受巷道光照影响，胶带机运行时，引起煤量与背景颜色的变化，可能造成运煤量的虚假检测。采用不同的色彩空间可以减轻光照变化对算法的影响，但无法完全消除其影响;场景中煤流反光点前景目标与胶带背景的相互转换，煤流反光点与胶带背景颜色相似时通常被检测为前景，这给煤流的分割与特征提取带来困难。

煤流信息特征的取舍：采集到的视频图片包含大量的信息，但煤流运行时的信息一般是时时变化的，选取合适、准确有价值的特征信息，保证检测的有效性比较困难。

胶带机调速信号处理问题：煤流量检测是实时变化的，按照煤流量实时采集信号进行调速，会导致调整频率过快，影响胶带机电动机和转动部位的寿命。因此只有通过数学模型计算和西门子PLC逻辑编程，对采集到的煤流信号进行分析和逻辑编程，再控制胶带机变频器调速，才能科学合理地达到调速目的。

摄像检测设备及PLC编程问题：摄像机的图像是否清晰，光照不足，巷道潮湿，煤尘大等环境下能否正常工作，信号输出是否真实，PLC逻辑程序是否满足调速要求等都会影响胶带机调速结果，都會导致胶带机失控或其他事故。

2.2 技术关键

①采用低照度的视频源和摄像机，保证视频采集信息的稳定性。

②摄像机安装与补充光照，采用统一的安装位置、高度和补光方式。

③将煤流量检测后的视频信息全部接入PLC主机，根据胶带的启停顺序、煤流量检测、信号采集分析进行PLC逻辑编程，达到最佳的胶带机调速效果。

④胶带机故障信息出现后，调速系统停止运行，将故障报警信号上传到主驱动机房监控组态页面，并将故障报警信号利用喊话器传到整条胶带机沿线，提醒胶带机司机及巡巷人员处理故障，故障处理后系统恢复调速状态。

⑤视频智能调速系统与胶带机原有保护系统实现对接，能准确判断胶带机主动降速和打滑减速，如果电机高转速而胶带运行速度过低，智能调速系统产生报警，同时原煤运输中原有胶带机保护装置一旦发出报警信号（如打滑、跑偏、堆煤、烟雾、滚筒超温）时，视频智能调速系统自动停止，实现无调速运行状态，保障胶带机原有保护系统的功能，实现安全运输。

3  采用的研究方法、技术手段、技术原理和工艺技术路线

煤流量检测：视频采集时设定一个检测区域，煤流量经过检测区域发生变化时，智能检测器发出输出信号给PLC控制主机，利用变频器控制电动机转速实现高、中、低、怠速四挡自动切换，达到胶带机调速及节电目的。同时检测胶带有无煤量状态，启停顺煤流胶带机。（图1-图4）

当智能检测器检测到胶带上有煤，满足PLC高速条件，发出调速信号给变频器，控制电动机自动调为高速。当智能检测器检测到胶带上有煤，满足PLC中速条件，发出调速信号给变频器，控制电动机自动调为中速。低速、怠速与高速、中速具有同样的调速原理。上一级胶带机煤流检测，实现对下一级胶带机的控制，达到顺煤流启停胶带机。

视频智能控制系统自身故障，胶带机无故障，屏蔽智能调速系统，PLC主机控制变频器恢复正常设定速度，自身故障如：视频信号丢失、视频模糊、PLC故障、调速信号器故障、智能控制主机电源故障等，同时胶带机沿线语音箱报警给胶带机司机及巡巷人员，同步上传到调度室，调度室语音报警，显示报警故障位置，状态等。

4  达到的效果

①在矿区内以太网及胶带机数据库的支持下，将监测、监控、监视、通信进行有效地集成加工。主煤流线各条胶带机设备集中控制，包括：胶带机顺序启停，单机启停，集中联锁、事故闭锁，现场就地解锁，语音及组态界面报警、信号、故障记录。

②故障时，参与集控的所有胶带机按停机顺序，自故障设备逆煤流胶带机全部停车，在主驱动机房控制室上位机显示报警、显示故障原因。

③主煤流系统胶带机以下三种模式运行：顺煤流顺序控制、单机集中控制、单机就地控制。顺序控制模式时，按照顺煤流启动或停车顺序及联锁逻辑进行自动控制;单机集中控制模式时，由胶带机司机在胶带机机头进行手动启停;设备检修时可转为单机就地控制模式。

④胶带机控制方式可方便转换，单机集中、就地控制模式具备就地及远程解锁功能。

⑤主煤流运输系统顺煤流启停车，即先启动上一级胶带机，煤流快到达下一级胶带机时，下一级胶带机启动，煤流线所有胶带机启动后，所有胶带机联锁关系建立，所有胶带机联锁关系均为下一级胶带机闭锁上一级胶带机。

⑥煤流线所有胶带机集中控制时，各条胶带机要求实现电气闭锁，解锁状态下不允许启动胶带机，当单条胶带机发现故障时，应能够在胶带机机头控制室进行单条胶带机解锁，该胶带机解锁后运行状态不应改变，其他胶带机应仍处于闭锁状态，此时被解锁的胶带机应处于亮灯闪烁状态，提醒胶带机司机控制系统有胶带机处于解锁状态，不允许启动，直到所有胶带机全部恢复到闭锁状态下才允许运行带煤。

⑦胶带机任何操作及控制方式下，现场停机闭锁按钮都有操作的优先权，可以在紧急及故障状态下实现紧急停机，只有被按下的闭锁按钮或保护开关通过胶带机司机复位后才能重新启动。

⑧为确保胶带机控制室司机不出现误操作，通过控制室启动的胶带机，在上位机屏幕上点动胶带机后，应出现一个胶带机启车确认点击窗口，以提醒司机是否确实要启动胶带机或解锁胶带机。

5  实现的功能

①主斜井驱动机房增设1台工控机，与原有的工控机功能相同，并互为备用。可在集控室不同电脑界面上操作监视，司机可在工控机上对胶带机集中控制系统运行和其他控制方式进行选择，实现煤流线所有胶带机自动顺序启停或单台胶带机的远方/就地启停。

②胶带机启动预警功能：胶带机启动前，通过语音向胶带机沿线发出启动预告信号，提醒胶带机沿线工作人员注意安全。

③胶带机启动/暂停功能：胶带机启车过程中若有任一条胶带机故障或禁启，控制系统立即暂停启车过程，闭锁上一级来煤胶带机，其它胶带机延时运行，若故障在延时期内排除，可继续启动下一级胶带机;否则，停止已启动的所有胶带机。

④故障处理、暂停/解锁功能：胶带机运行过程中某条胶带机发生故障时，故障胶带机至井下煤仓口各条胶带机立即停车，故障点沿煤流方向以后的胶带机煤炭运空后，延时停机。若故障短时能处理完，司机可解除故障信号，这时胶带机停机过程自动停止，未停完的胶带机不再继续停机。控制系统向各条胶带机重新发启动预告信号，预告结束后便自动启动胶带机至井下煤仓口，使煤流线胶带机恢复正常运行。

⑤以太网络功能：PLC与I/O接口之间采用远程分站体系结构，该煤矿远程分站可将I/O分别设置在井下各水平配电点，以减少控制电缆距离，降低电磁干扰，实现控制系统布线优化。（图5）

⑥胶带机机头控制室及调度室通过高清晰电脑显示器，对主煤流线胶带机运行状态实现动态图形显示。

⑦胶带机机头控制室及调度室集控系统具有常规office管理功能：如煤流量监控图片打印、胶带机启停时间记录、胶带机运行时间记录、每天胶带机运行次数、胶带机持续运行记录、显示、柱状图等。保证司机及技术人员操作使用灵活、方便，胶带机各种启停功能齐全，可扩展其他功能。

⑧胶带机控制室工控机上具有胶带机运行实时数据存取、画面显示、历史曲线图、故障报警信息、统计制表打印、月报表、年报表等功能。组态画面显示胶带机电流、电压、负载量等参数、胶带机控制方式、胶带机顺序运行状况、胶带机控制状态，也能显示所有胶带机参数。当控制胶带机故障或状态变化时，以不同颜色显示在电脑界面。按照胶带机控制要求设计组态画面，有足够的组态画面保证所有胶带机的运行和控制状况准确显示。

6  技术平台

6.1 软件平台

采用SE组态软件进行PLC上位機编程。胶带机控制信号及保护装置信号通过工业以太网通信，经光纤中继模块与光缆接入主斜井驱动机房PLC主站，通过PLC系统编程和SE组态软件，将控制信号集成至胶带机机头控制室现有的人机界面内，实现主煤流三条胶带机的启停，实现胶带机保护装置动作及故障停车的操作与反馈功能的控制。胶带机顺序控制逻辑以梯形图形式进行编辑，编程格式为梯形图及PLC常用语言。

6.2 硬件平台

增加4个PLC分站及1个PLC通讯分站，增加1台工控机，敷设控制电缆、通信光缆，增加光纤中继模块，形成光纤通讯网络。

7  结语

根据《胶带运输机工程设计规范》，通过视频智能调速及顺煤流控制系统的研究，主煤流运输系统关键部位可视化，顺煤流启动，胶带机保护装置更加灵敏可靠，科学合理的实现主斜井胶带机、栈桥胶带机、配仓胶带机根据运煤量视频智能调速，实现主运输系统减人提效，减少设备空运转，降低用电成本，促进煤矿安全生产可持续发展。

参考文献：

[1]胶带运输机工程设计规范.

[2]2016版煤矿安全规程.

[3]西门子PLC编程教程.

[4]焦方杰，于兴建.煤矿安全生产标准化[2017].中国矿业大学.

[5]智慧矿山技术研究.