基于视频识别的胶带机自适应变频调速系统

王 军，贾宇涛，李明利，任文清

(国能神东煤炭集团有限责任公司大柳塔煤矿，陕西 神木 719315)

0 引言

近年来，我国煤炭生产已从落后的人工开采模式向机械化开采方式转变，以致全国煤炭产量逐年猛增。神东煤炭集团公司大柳塔煤矿从1996年原煤生产360万t增至2019年完成产量3 300万t。致使矿井井田边界急剧扩大，井下胶带机运输线不断延长，胶带运输机数量不断增加。大柳塔煤矿以打造“智慧矿山”为契机，充分发挥矿井信息化发展优势，提高煤炭生产自动化水平，目前大柳塔煤矿井下运输皮带已全部实现了变频控制，且主运输全系统实现了远程集中控制。工作人员可在调度指挥中心对井下每部胶带机进行远程启停和手动调速控制。但由于井下皮带数量众多，搭接关系错综复杂，且每部皮带运输煤流尚不均匀，工作人员不可能动态调整每部皮带的运输速度。而带式输送机装机功率较大，大多在装机容量富裕的状态下工作，即胶带机常处在轻载或空载状态下工作，这必然会造成皮带用电效率低、设备损耗大和皮带有效利用率低等问题[1-3]。

为此，结合视频识别技术，通过研究网络摄像机对胶带机煤流信号的采集、识别和转换等过程的原理，以胶带机安全运行为前提，设计出一套煤矿井下运输皮带闭环自适应变频调速控制系统，并将此系统应用于大柳塔煤矿活井南翼一部胶带机，以期达到煤炭生产“节能降耗、降本增效”的目的。

1 自适应变频调速系统的组成和工作原理

基于视频的带式输送机自动调速控制系统由视频采集、图像处理、调速控制以及执行单元组成[4-6]。其中视频采集单元主要是利用数字摄像仪从井下获取视频图像，并通过以太网上传到地面视频图像处理单元；视频处理单元利用模式识别技术与图像处理技术进行实时分析处理，获取带式输送机上的瞬时煤量；在调速控制单元中，分析胶带机机头、落煤点的瞬时煤量信号，计算胶带机的运输长度，结合运输系统拓扑结构建立运输系统模型[7-9]。在运输系统模型的基础上，依据瞬时煤量、煤量分布、运输长度、运输速度等参数计算各胶带机与运煤量相匹配的皮带运行速度，然后通过改变变频器的工作频率来调节胶带机的运输速度，使得胶带机速度达到预定的要求，从而实现胶带机的节能运行。基于视频识别的胶带机自适应变频调速系统框架如图1所示。

图1 基于视频的带式输送机自动调速控制系统框架

为了准确监测胶带机上的瞬时煤量以及实现全矿井的调速运行，需要在连采胶带机、综采顺槽胶带机、大巷胶带机、主井胶带机以及上仓胶带机等各机头、落煤点以及对煤流量影响的地方安装数字摄像仪。根据上游胶带机的煤量、运输长度、带宽和当前速度[10-11]，计算达到的时间和煤量，预测控制算法调整转速，实现全系统的闭环自适应控制，提速超前，降速滞后。

2 煤量识别

胶带机动态煤量识别主要利用计算机图像处理技术对井下胶带机视频进行分析、加工和处理实时获取输送机上的瞬时煤量，其处理流程如图2所示。获取胶带机摄像机信息，如摄像仪IP、端口号、用户名、密码、设备开启状态、模板数据等，分别在系统上对应至每一条胶带机，然后将采集的视频图像经过图像预处理、获取煤流区域、煤流区域面积等处理，最后将获取的煤流区域面积进行比对，实时计算带式输送机的相对瞬时煤量，并给胶带机变频器发送加大或者减少工作频率输出，达到控制胶带机瞬时速度的目的。为验证带式输送机动态煤量识别算法的实时性和准确性，在神东大柳塔煤矿大柳塔井、活鸡兔井选取胶带机满载、半载、空载以及连采、综采等不同情况下分别测试煤量，得到综采顺槽胶带机煤量持续稳定，分布波动不大，胶带机运行稳定；连采胶带机煤量分布波动大，需要频繁调节搭接胶带机的运行频率。

图2 瞬时煤量识别流程

3 系统运行效能分析

基于视频的带式输送机自动调速控制系统已经在大柳塔煤矿实施，现已经部署了整个矿井。为了验证系统的稳定性和有效性，对大柳塔煤矿活鸡兔井南翼一部胶带机数据进行长期的采集和相关分析，现对此胶带机2019年10月1日—2019年11月25日取得的相关数据进行分析，分析得出2-2煤南翼1部胶带机每日电机平均转速主要集中在75%～90%之间，加权平均转速为85.85%，每日平均运行时间为16.74 h，如图3所示，降速幅度约为15%，相对的胶带机托辊、胶带机带面磨损率也将降低约15%，其使用寿命也将延长15%甚至更多，大大降低了备件消耗成本和设备维修成本，而且在调速系统使用过程中，并未出现过洒煤、堆煤以及异常停机等现象，达到了煤矿生产节能降耗、降本增效的目的。

图3 活鸡兔井2-2煤南翼一部胶带机运行情况

矿井闭环自适应优化运输控制系统实现了煤矿胶带机智能变频调速的功能，从系统运行情况来看，有效节约了电力能耗，减少了传动设备磨损率，产生的经济效果明显；在煤矿创新创效上首次采用瞬时煤量监测方法，提高了矿井智能化水平，并在不增加运输系统设备投资的前提下，提高运行负荷效率，进一步提高了煤矿生产能力。此套系统还可以为现有煤矿信息化提供便捷，对此系统现有的部分摄像机视频信号、胶带机控制设备、胶带机上位控制系统、控制网络均可再次利用，尤其胶带机摄像机视频信号可供矿井工业电视使用，实现了多责多能，提高了矿井信息化、智能化水平。

4 结语

煤矿井下运输皮带闭环自适应变频调速控制系统在满足提速超前、降速滞后的同时，极大地改善了煤矿井下变频胶带机无法利用变频器特性，发挥设备运行最优性能的局面，提高煤炭生产运输中的自动化水平，有效降低设备电能和损耗、延长设备寿命。同时，该系统具有配置灵活、成本低的特点，对降低煤矿生产成本具有很高的应用价值，实现煤炭生产中“节能降耗、降本增效”的目的。