基于視覺(jué)煤流檢測(cè)的礦井皮帶機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

俎少杰，王 強(qiáng)，韓進(jìn)軍

（潞安化工集團(tuán)王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031）

引言

皮帶機(jī)輸煤是煤礦生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是保證煤礦安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保證。在煤礦地下開(kāi)采過(guò)程中存在很多不確定因素，使得生產(chǎn)煤量時(shí)大時(shí)小。為了保證設(shè)備的運(yùn)行安全，在選擇皮帶機(jī)電機(jī)功率時(shí)通常會(huì)保留足夠的功率裕量，然而在實(shí)際生產(chǎn)中，皮帶機(jī)很難達(dá)到滿載狀態(tài)，導(dǎo)致皮帶機(jī)輕載甚至空載狀態(tài)運(yùn)行。這種運(yùn)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(qū)動(dòng)電機(jī)功率較大，過(guò)多的輕載或空載運(yùn)行導(dǎo)致大量電能的浪費(fèi)。電能消耗是煤礦生產(chǎn)成本的重要部分，電機(jī)過(guò)高的空轉(zhuǎn)率不僅增加了生產(chǎn)成本，也帶來(lái)了巨大的能源浪費(fèi)。目前大多數(shù)皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)均設(shè)置了變頻調(diào)速裝置，這些變頻調(diào)速裝置在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)揮作用，在生產(chǎn)過(guò)程中一直保持在工頻電源頻率下運(yùn)行并沒(méi)有發(fā)揮調(diào)速作用，也是對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的一種浪費(fèi)。因此根據(jù)實(shí)時(shí)煤流量數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)更好地利用設(shè)備、節(jié)約能源具有重要意義。

在保證生產(chǎn)效率的前提下，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地掌握煤流量是對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速的前提[1-7]。傳統(tǒng)的煤流量統(tǒng)計(jì)采用電子膠帶秤、核子膠帶秤等，設(shè)備維護(hù)成本高、占地面積大、可靠性較差。本文設(shè)計(jì)一種基于視覺(jué)煤流檢測(cè)的礦井皮帶機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用雙目立體相機(jī)、線激光器等作為硬件支持，結(jié)合人工智能領(lǐng)域先進(jìn)的機(jī)器視覺(jué)、圖像處理等技術(shù)對(duì)皮帶機(jī)煤流量進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)；在獲得準(zhǔn)確煤流量數(shù)據(jù)后由智能工控系統(tǒng)給定電機(jī)轉(zhuǎn)速并發(fā)出調(diào)速指令，使皮帶轉(zhuǎn)速能夠根據(jù)煤流量大小實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整；當(dāng)出現(xiàn)矸石或者錨桿意味著采樣時(shí)間段內(nèi)煤流量過(guò)大，可能會(huì)造成堆煤、堵煤的情況，降低生產(chǎn)效率甚至損壞皮帶。采用本系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌控皮帶煤流量，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)與高速聯(lián)調(diào)，當(dāng)出現(xiàn)煤流量過(guò)大時(shí)觸發(fā)報(bào)警，保證皮帶機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 皮帶機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理

基于視覺(jué)煤流檢測(cè)的皮帶機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)如圖1 所示，該系統(tǒng)主要包括視覺(jué)煤流檢測(cè)系統(tǒng)、智能控制器、變頻調(diào)速系統(tǒng)、上位機(jī)等。視覺(jué)煤流檢測(cè)系統(tǒng)獲取煤流量大小，并將數(shù)據(jù)傳輸給智能控制器，根據(jù)功率平衡原理，控制器計(jì)算給出與當(dāng)前煤流量匹配的轉(zhuǎn)速指令交給調(diào)速系統(tǒng)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速，同時(shí)判斷煤流量大小是否超過(guò)皮帶機(jī)允許的最大體積，若出現(xiàn)體積過(guò)大的情況，上位機(jī)系統(tǒng)顯示報(bào)警信息觸發(fā)報(bào)警。

圖1 基于視覺(jué)煤流檢測(cè)的皮帶機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)示意圖

2 視覺(jué)煤流檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 煤流圖像獲取

主動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)具有抗干擾性好、測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，該方法利用線激光器向被測(cè)場(chǎng)景照射可控光束，拍攝光束在場(chǎng)景表面所形成的圖像；為了獲得更準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)，使用投影模板（下頁(yè)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(biāo)后利用離散化方法投影截面面積，從而計(jì)算出煤流量體積。

圖2 投影模板

視覺(jué)煤流檢測(cè)系統(tǒng)原理如下頁(yè)圖3 所示。在輸煤傳送帶上方利用雙目立體相機(jī)以一定角度安裝，構(gòu)造一個(gè)雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)，根據(jù)當(dāng)前皮帶轉(zhuǎn)速及雙目立體相機(jī)的拍攝范圍設(shè)定時(shí)間間隔Δt，設(shè)雙目立體相機(jī)兩個(gè)攝像頭之間的距離為l，皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速為v，則雙目立體相機(jī)的圖像采集時(shí)間間隔為：

圖3 視覺(jué)煤流檢測(cè)系統(tǒng)

2.2 圖像處理

由于皮帶機(jī)工作環(huán)境存在大量的粉塵，導(dǎo)致相機(jī)拍攝的煤流圖像模糊，影響煤流體積計(jì)算的準(zhǔn)確性，因此在相機(jī)拍攝完煤流圖像以后需要對(duì)圖像進(jìn)行處理，以獲得清晰的煤流圖像。形態(tài)學(xué)圖像處理方法與傳統(tǒng)的圖像處理方法相比算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。形態(tài)學(xué)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(kāi)運(yùn)算和閉運(yùn)算、二值圖像的歐拉數(shù)和面積計(jì)算等。

由于攝像機(jī)拍攝的圖像為彩色圖像，為了避免圖像條帶失真，更準(zhǔn)確地獲得煤流圖像，在獲取圖像后對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理，如圖4 所示，圖像上每個(gè)像素點(diǎn)都對(duì)應(yīng)二維空間上的特定位置，并且每個(gè)像素點(diǎn)都對(duì)應(yīng)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(duì)灰度圖像進(jìn)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(biāo)圖像與背景明顯區(qū)分，得到準(zhǔn)確的煤流圖像，保證煤流體積計(jì)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(biāo)圖像與背景的差異，把圖像灰度通過(guò)設(shè)置合適的閾值，選取一個(gè)合適的閾值，以確定某像素是目標(biāo)還是背景，從而獲得二值化的圖像。本文將煤流圖像像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為0 或255，使整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果。

圖4 煤流圖像

圖5 二值化圖像

在進(jìn)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(diǎn)，這些瑕點(diǎn)對(duì)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(diǎn)的影響，對(duì)二值化圖像進(jìn)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(diǎn)消失，十字投影中心的坐標(biāo)清晰明確。

圖6 腐蝕圖像

2.3 煤流體積計(jì)算

為了計(jì)算煤流體積，在圖像采集時(shí)間間隔Δt內(nèi)，只要獲得投影中心的三維坐標(biāo)，則可以計(jì)算出構(gòu)造光源所在平面與煤堆的截面面積，那么Δt 時(shí)間間隔內(nèi)流過(guò)構(gòu)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(zhuǎn)速。

由式（2）可知，要計(jì)算煤流體積必須求取煤堆截面面積，設(shè)在某個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，截面示意圖如圖7 所示。設(shè)共有n 個(gè)十字狀投影中心，第i 個(gè)投影中心的Z 坐標(biāo)值為Zi，Y 坐標(biāo)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(diào)速系統(tǒng)

3.1 變頻器構(gòu)成及基本原理

由于變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓和頻率可調(diào),被廣泛應(yīng)用于大功率傳動(dòng)裝置中，通過(guò)改變輸出電壓和頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)調(diào)速運(yùn)行，對(duì)節(jié)能減排、降低設(shè)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(yīng)用最廣泛的是電壓型變頻器。變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括一個(gè)二極管整流電路和一個(gè)IGBT 逆變電路，如圖8 所示，將工頻交流電整流為直流，再通過(guò)逆變器獲得期望頻率的交流電。

圖8 變頻器基本結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)的牽引電機(jī)為交流三相異步電機(jī)，其轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：

式中：n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速；f 為輸入電機(jī)電源頻率；s 為電機(jī)轉(zhuǎn)差率；p 為極對(duì)數(shù)。

在電機(jī)結(jié)構(gòu)確定的情況下，轉(zhuǎn)差率和極對(duì)數(shù)也就確定了，由式（4）可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比關(guān)系，因此變頻器改變電源的頻率就可以對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。

3.2 皮帶機(jī)調(diào)速原理

為實(shí)現(xiàn)節(jié)能調(diào)速，變頻器需要根據(jù)當(dāng)前皮帶機(jī)上煤流量實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與煤流量的匹配運(yùn)行，信息處理中心根據(jù)煤流量計(jì)算期望的皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速v1。PLC 控制器根據(jù)期望轉(zhuǎn)速v1與傳感器檢測(cè)的實(shí)際轉(zhuǎn)速v0控制變頻器輸出頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。

要實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)調(diào)速，關(guān)鍵在于皮帶機(jī)上的總煤流統(tǒng)計(jì)，本文采用兩套視覺(jué)煤流檢測(cè)系統(tǒng)，在皮帶機(jī)起點(diǎn)處安裝的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)S1在每個(gè)采樣時(shí)間間隔Δt 進(jìn)行加法運(yùn)算，在皮帶機(jī)終點(diǎn)安裝的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)S2在每個(gè)采樣時(shí)間間隔Δt 進(jìn)行減法運(yùn)算，則皮帶機(jī)上的總煤流為：

式中：V0為起始時(shí)刻皮帶機(jī)煤流量。

若假定開(kāi)采的煤密度為常數(shù)，則皮帶機(jī)上煤總質(zhì)量為：

式中：ρ 為煤的密度。

皮帶機(jī)輸出功率用于克服煤在皮帶機(jī)上的重力做功，當(dāng)電機(jī)的輸出力矩恰好與總煤流質(zhì)量相等時(shí)，皮帶機(jī)處于最佳節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)，兩者關(guān)系表達(dá)式為：

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

將力F 作為控制器輸入，轉(zhuǎn)換計(jì)算為電機(jī)給定轉(zhuǎn)速v1，控制器根據(jù)給定轉(zhuǎn)速與當(dāng)前傳感器采集的轉(zhuǎn)速誤差對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行調(diào)速，調(diào)速流程如圖9 所示。

圖9 皮帶機(jī)調(diào)速流程

4 結(jié)語(yǔ)

基于視覺(jué)檢測(cè)的煤流檢測(cè)系統(tǒng)與變頻器智能調(diào)速相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)節(jié)能運(yùn)行。視覺(jué)煤流檢測(cè)系統(tǒng)利用雙目立體相機(jī)與線激光器獲取煤流圖像，利用先進(jìn)的圖像處理技術(shù)獲得投影中心的坐標(biāo)，從而獲得精確的煤流體積。根據(jù)煤流檢測(cè)結(jié)果，按照作用力平衡的原理，使得電機(jī)輸出力矩與皮帶機(jī)上煤總質(zhì)量平衡，得到電機(jī)的期望轉(zhuǎn)速，變頻器根據(jù)期望轉(zhuǎn)速對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。