舒漢國(guó)

摘要：煤礦主斜井大傾角膠帶運(yùn)輸機(jī)采用智能視頻分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)視頻數(shù)據(jù)采集、加工集成，提高煤礦企業(yè)資金的利用效率，降低用電、人工成本費(fèi)用，是當(dāng)今煤礦企業(yè)科技創(chuàng)新發(fā)展的一大方向。主斜井膠帶機(jī)視頻智能調(diào)速技術(shù)利用煤礦現(xiàn)有的信息化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)的安全生產(chǎn)視頻監(jiān)視、控制、智能可視化管理。

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.

關(guān)鍵詞：視頻;智能調(diào)速;控制;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);節(jié)電

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

中圖分類號(hào)：TD63+4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）07-0127-03

0 ?引言

膠帶運(yùn)輸機(jī)是煤礦的主要運(yùn)輸設(shè)備，受開采條件和生產(chǎn)時(shí)間的影響，無法保證膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤量均勻和連續(xù)運(yùn)行，導(dǎo)致主煤流系統(tǒng)或單臺(tái)膠帶運(yùn)輸機(jī)在負(fù)載較輕或無負(fù)載的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，不僅造成額定（或設(shè)定）轉(zhuǎn)速和空、輕載狀態(tài)下運(yùn)行的電能浪費(fèi)，而且也使膠帶運(yùn)輸機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)部件、膠帶形成無效磨損，同時(shí)縮短了機(jī)械設(shè)備使用壽命。因此研究視頻智能調(diào)速控制系統(tǒng)，通過在膠帶運(yùn)輸機(jī)上方安裝攝像機(jī)監(jiān)控物料狀態(tài)，控制主煤流系統(tǒng)各條膠帶運(yùn)輸機(jī)的停、啟和調(diào)速，實(shí)現(xiàn)智能和集中控制，有效節(jié)省人力，減少膠帶機(jī)空、輕載運(yùn)行損失、減少設(shè)備機(jī)械磨損。

1 ?現(xiàn)狀及可行性分析論證

煤炭生產(chǎn)礦井，主斜井膠帶運(yùn)輸機(jī)和工作面順槽膠帶運(yùn)輸機(jī)大部分使用了變頻調(diào)速，根據(jù)運(yùn)輸量，雖定期進(jìn)行了人工設(shè)定調(diào)速和每條膠帶機(jī)啟停設(shè)置，但節(jié)能效果尚不明顯。近幾年，多家單位利用給煤機(jī)定量、電子稱稱重、紅外線等方式檢測(cè)運(yùn)輸量，但目前尚無有效、可靠的方案檢測(cè)運(yùn)輸量變化、運(yùn)輸量分布，真正實(shí)現(xiàn)智能調(diào)速的目的。另外，膠帶運(yùn)輸機(jī)的開啟需要從末端依次啟動(dòng)，先啟動(dòng)的一直處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，且每臺(tái)膠帶運(yùn)輸機(jī)需安排司機(jī)操作。

通過主斜井膠帶機(jī)視頻智能調(diào)速控制系統(tǒng)研究，利用智能視頻可判斷帶面上有無煤量、瞬時(shí)斷面煤量、膠帶運(yùn)行速度，經(jīng)過邏輯分析可實(shí)現(xiàn)膠帶運(yùn)輸機(jī)的智能調(diào)速控制及主煤流膠帶運(yùn)輸機(jī)的順煤流啟停。

2 ?研究的技術(shù)難點(diǎn)與技術(shù)關(guān)鍵

2.1 研究的技術(shù)難點(diǎn)

視頻采集背景的復(fù)雜性：受巷道光照影響，膠帶機(jī)運(yùn)行時(shí)，引起煤量與背景顏色的變化，可能造成運(yùn)煤量的虛假檢測(cè)。采用不同的色彩空間可以減輕光照變化對(duì)算法的影響，但無法完全消除其影響;場(chǎng)景中煤流反光點(diǎn)前景目標(biāo)與膠帶背景的相互轉(zhuǎn)換，煤流反光點(diǎn)與膠帶背景顏色相似時(shí)通常被檢測(cè)為前景，這給煤流的分割與特征提取帶來困難。

煤流信息特征的取舍：采集到的視頻圖片包含大量的信息，但煤流運(yùn)行時(shí)的信息一般是時(shí)時(shí)變化的，選取合適、準(zhǔn)確有價(jià)值的特征信息，保證檢測(cè)的有效性比較困難。

膠帶機(jī)調(diào)速信號(hào)處理問題：煤流量檢測(cè)是實(shí)時(shí)變化的，按照煤流量實(shí)時(shí)采集信號(hào)進(jìn)行調(diào)速，會(huì)導(dǎo)致調(diào)整頻率過快，影響膠帶機(jī)電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)動(dòng)部位的壽命。因此只有通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算和西門子PLC邏輯編程，對(duì)采集到的煤流信號(hào)進(jìn)行分析和邏輯編程，再控制膠帶機(jī)變頻器調(diào)速，才能科學(xué)合理地達(dá)到調(diào)速目的。

攝像檢測(cè)設(shè)備及PLC編程問題：攝像機(jī)的圖像是否清晰，光照不足，巷道潮濕，煤塵大等環(huán)境下能否正常工作，信號(hào)輸出是否真實(shí)，PLC邏輯程序是否滿足調(diào)速要求等都會(huì)影響膠帶機(jī)調(diào)速結(jié)果，都會(huì)導(dǎo)致膠帶機(jī)失控或其他事故。

2.2 技術(shù)關(guān)鍵

①采用低照度的視頻源和攝像機(jī)，保證視頻采集信息的穩(wěn)定性。

②攝像機(jī)安裝與補(bǔ)充光照，采用統(tǒng)一的安裝位置、高度和補(bǔ)光方式。

③將煤流量檢測(cè)后的視頻信息全部接入PLC主機(jī)，根據(jù)膠帶的啟停順序、煤流量檢測(cè)、信號(hào)采集分析進(jìn)行PLC邏輯編程，達(dá)到最佳的膠帶機(jī)調(diào)速效果。

④膠帶機(jī)故障信息出現(xiàn)后，調(diào)速系統(tǒng)停止運(yùn)行，將故障報(bào)警信號(hào)上傳到主驅(qū)動(dòng)機(jī)房監(jiān)控組態(tài)頁面，并將故障報(bào)警信號(hào)利用喊話器傳到整條膠帶機(jī)沿線，提醒膠帶機(jī)司機(jī)及巡巷人員處理故障，故障處理后系統(tǒng)恢復(fù)調(diào)速狀態(tài)。

⑤視頻智能調(diào)速系統(tǒng)與膠帶機(jī)原有保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)接，能準(zhǔn)確判斷膠帶機(jī)主動(dòng)降速和打滑減速，如果電機(jī)高轉(zhuǎn)速而膠帶運(yùn)行速度過低，智能調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警，同時(shí)原煤運(yùn)輸中原有膠帶機(jī)保護(hù)裝置一旦發(fā)出報(bào)警信號(hào)（如打滑、跑偏、堆煤、煙霧、滾筒超溫）時(shí)，視頻智能調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)停止，實(shí)現(xiàn)無調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)，保障膠帶機(jī)原有保護(hù)系統(tǒng)的功能，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)輸。

3 ?采用的研究方法、技術(shù)手段、技術(shù)原理和工藝技術(shù)路線

煤流量檢測(cè)：視頻采集時(shí)設(shè)定一個(gè)檢測(cè)區(qū)域，煤流量經(jīng)過檢測(cè)區(qū)域發(fā)生變化時(shí)，智能檢測(cè)器發(fā)出輸出信號(hào)給PLC控制主機(jī)，利用變頻器控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)高、中、低、怠速四擋自動(dòng)切換，達(dá)到膠帶機(jī)調(diào)速及節(jié)電目的。同時(shí)檢測(cè)膠帶有無煤量狀態(tài)，啟停順煤流膠帶機(jī)。（圖1-圖4）

當(dāng)智能檢測(cè)器檢測(cè)到膠帶上有煤，滿足PLC高速條件，發(fā)出調(diào)速信號(hào)給變頻器，控制電動(dòng)機(jī)自動(dòng)調(diào)為高速。當(dāng)智能檢測(cè)器檢測(cè)到膠帶上有煤，滿足PLC中速條件，發(fā)出調(diào)速信號(hào)給變頻器，控制電動(dòng)機(jī)自動(dòng)調(diào)為中速。低速、怠速與高速、中速具有同樣的調(diào)速原理。上一級(jí)膠帶機(jī)煤流檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)下一級(jí)膠帶機(jī)的控制，達(dá)到順煤流啟停膠帶機(jī)。

視頻智能控制系統(tǒng)自身故障，膠帶機(jī)無故障，屏蔽智能調(diào)速系統(tǒng)，PLC主機(jī)控制變頻器恢復(fù)正常設(shè)定速度，自身故障如：視頻信號(hào)丟失、視頻模糊、PLC故障、調(diào)速信號(hào)器故障、智能控制主機(jī)電源故障等，同時(shí)膠帶機(jī)沿線語音箱報(bào)警給膠帶機(jī)司機(jī)及巡巷人員，同步上傳到調(diào)度室，調(diào)度室語音報(bào)警，顯示報(bào)警故障位置，狀態(tài)等。

4 ?達(dá)到的效果

①在礦區(qū)內(nèi)以太網(wǎng)及膠帶機(jī)數(shù)據(jù)庫的支持下，將監(jiān)測(cè)、監(jiān)控、監(jiān)視、通信進(jìn)行有效地集成加工。主煤流線各條膠帶機(jī)設(shè)備集中控制，包括：膠帶機(jī)順序啟停，單機(jī)啟停，集中聯(lián)鎖、事故閉鎖，現(xiàn)場(chǎng)就地解鎖，語音及組態(tài)界面報(bào)警、信號(hào)、故障記錄。

②故障時(shí)，參與集控的所有膠帶機(jī)按停機(jī)順序，自故障設(shè)備逆煤流膠帶機(jī)全部停車，在主驅(qū)動(dòng)機(jī)房控制室上位機(jī)顯示報(bào)警、顯示故障原因。

③主煤流系統(tǒng)膠帶機(jī)以下三種模式運(yùn)行：順煤流順序控制、單機(jī)集中控制、單機(jī)就地控制。順序控制模式時(shí)，按照順煤流啟動(dòng)或停車順序及聯(lián)鎖邏輯進(jìn)行自動(dòng)控制;單機(jī)集中控制模式時(shí)，由膠帶機(jī)司機(jī)在膠帶機(jī)機(jī)頭進(jìn)行手動(dòng)啟停;設(shè)備檢修時(shí)可轉(zhuǎn)為單機(jī)就地控制模式。

④膠帶機(jī)控制方式可方便轉(zhuǎn)換，單機(jī)集中、就地控制模式具備就地及遠(yuǎn)程解鎖功能。

⑤主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)順煤流啟停車，即先啟動(dòng)上一級(jí)膠帶機(jī)，煤流快到達(dá)下一級(jí)膠帶機(jī)時(shí)，下一級(jí)膠帶機(jī)啟動(dòng)，煤流線所有膠帶機(jī)啟動(dòng)后，所有膠帶機(jī)聯(lián)鎖關(guān)系建立，所有膠帶機(jī)聯(lián)鎖關(guān)系均為下一級(jí)膠帶機(jī)閉鎖上一級(jí)膠帶機(jī)。

⑥煤流線所有膠帶機(jī)集中控制時(shí)，各條膠帶機(jī)要求實(shí)現(xiàn)電氣閉鎖，解鎖狀態(tài)下不允許啟動(dòng)膠帶機(jī)，當(dāng)單條膠帶機(jī)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)能夠在膠帶機(jī)機(jī)頭控制室進(jìn)行單條膠帶機(jī)解鎖，該膠帶機(jī)解鎖后運(yùn)行狀態(tài)不應(yīng)改變，其他膠帶機(jī)應(yīng)仍處于閉鎖狀態(tài)，此時(shí)被解鎖的膠帶機(jī)應(yīng)處于亮燈閃爍狀態(tài)，提醒膠帶機(jī)司機(jī)控制系統(tǒng)有膠帶機(jī)處于解鎖狀態(tài)，不允許啟動(dòng)，直到所有膠帶機(jī)全部恢復(fù)到閉鎖狀態(tài)下才允許運(yùn)行帶煤。

⑦膠帶機(jī)任何操作及控制方式下，現(xiàn)場(chǎng)停機(jī)閉鎖按鈕都有操作的優(yōu)先權(quán)，可以在緊急及故障狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)，只有被按下的閉鎖按鈕或保護(hù)開關(guān)通過膠帶機(jī)司機(jī)復(fù)位后才能重新啟動(dòng)。

⑧為確保膠帶機(jī)控制室司機(jī)不出現(xiàn)誤操作，通過控制室啟動(dòng)的膠帶機(jī)，在上位機(jī)屏幕上點(diǎn)動(dòng)膠帶機(jī)后，應(yīng)出現(xiàn)一個(gè)膠帶機(jī)啟車確認(rèn)點(diǎn)擊窗口，以提醒司機(jī)是否確實(shí)要啟動(dòng)膠帶機(jī)或解鎖膠帶機(jī)。

5 ?實(shí)現(xiàn)的功能

①主斜井驅(qū)動(dòng)機(jī)房增設(shè)1臺(tái)工控機(jī)，與原有的工控機(jī)功能相同，并互為備用?？稍诩厥也煌娔X界面上操作監(jiān)視，司機(jī)可在工控機(jī)上對(duì)膠帶機(jī)集中控制系統(tǒng)運(yùn)行和其他控制方式進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)煤流線所有膠帶機(jī)自動(dòng)順序啟停或單臺(tái)膠帶機(jī)的遠(yuǎn)方/就地啟停。

②膠帶機(jī)啟動(dòng)預(yù)警功能：膠帶機(jī)啟動(dòng)前，通過語音向膠帶機(jī)沿線發(fā)出啟動(dòng)預(yù)告信號(hào)，提醒膠帶機(jī)沿線工作人員注意安全。

③膠帶機(jī)啟動(dòng)/暫停功能：膠帶機(jī)啟車過程中若有任一條膠帶機(jī)故障或禁啟，控制系統(tǒng)立即暫停啟車過程，閉鎖上一級(jí)來煤膠帶機(jī)，其它膠帶機(jī)延時(shí)運(yùn)行，若故障在延時(shí)期內(nèi)排除，可繼續(xù)啟動(dòng)下一級(jí)膠帶機(jī);否則，停止已啟動(dòng)的所有膠帶機(jī)。

④故障處理、暫停/解鎖功能：膠帶機(jī)運(yùn)行過程中某條膠帶機(jī)發(fā)生故障時(shí)，故障膠帶機(jī)至井下煤倉(cāng)口各條膠帶機(jī)立即停車，故障點(diǎn)沿煤流方向以后的膠帶機(jī)煤炭運(yùn)空后，延時(shí)停機(jī)。若故障短時(shí)能處理完，司機(jī)可解除故障信號(hào)，這時(shí)膠帶機(jī)停機(jī)過程自動(dòng)停止，未停完的膠帶機(jī)不再繼續(xù)停機(jī)。控制系統(tǒng)向各條膠帶機(jī)重新發(fā)啟動(dòng)預(yù)告信號(hào)，預(yù)告結(jié)束后便自動(dòng)啟動(dòng)膠帶機(jī)至井下煤倉(cāng)口，使煤流線膠帶機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行。

⑤以太網(wǎng)絡(luò)功能：PLC與I/O接口之間采用遠(yuǎn)程分站體系結(jié)構(gòu)，該煤礦遠(yuǎn)程分站可將I/O分別設(shè)置在井下各水平配電點(diǎn)，以減少控制電纜距離，降低電磁干擾，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)布線優(yōu)化。（圖5）

⑥膠帶機(jī)機(jī)頭控制室及調(diào)度室通過高清晰電腦顯示器，對(duì)主煤流線膠帶機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)圖形顯示。

⑦膠帶機(jī)機(jī)頭控制室及調(diào)度室集控系統(tǒng)具有常規(guī)office管理功能：如煤流量監(jiān)控圖片打印、膠帶機(jī)啟停時(shí)間記錄、膠帶機(jī)運(yùn)行時(shí)間記錄、每天膠帶機(jī)運(yùn)行次數(shù)、膠帶機(jī)持續(xù)運(yùn)行記錄、顯示、柱狀圖等。保證司機(jī)及技術(shù)人員操作使用靈活、方便，膠帶機(jī)各種啟停功能齊全，可擴(kuò)展其他功能。

⑧膠帶機(jī)控制室工控機(jī)上具有膠帶機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存取、畫面顯示、歷史曲線圖、故障報(bào)警信息、統(tǒng)計(jì)制表打印、月報(bào)表、年報(bào)表等功能。組態(tài)畫面顯示膠帶機(jī)電流、電壓、負(fù)載量等參數(shù)、膠帶機(jī)控制方式、膠帶機(jī)順序運(yùn)行狀況、膠帶機(jī)控制狀態(tài)，也能顯示所有膠帶機(jī)參數(shù)。當(dāng)控制膠帶機(jī)故障或狀態(tài)變化時(shí)，以不同顏色顯示在電腦界面。按照膠帶機(jī)控制要求設(shè)計(jì)組態(tài)畫面，有足夠的組態(tài)畫面保證所有膠帶機(jī)的運(yùn)行和控制狀況準(zhǔn)確顯示。

6 ?技術(shù)平臺(tái)

6.1 軟件平臺(tái)

采用SE組態(tài)軟件進(jìn)行PLC上位機(jī)編程。膠帶機(jī)控制信號(hào)及保護(hù)裝置信號(hào)通過工業(yè)以太網(wǎng)通信，經(jīng)光纖中繼模塊與光纜接入主斜井驅(qū)動(dòng)機(jī)房PLC主站，通過PLC系統(tǒng)編程和SE組態(tài)軟件，將控制信號(hào)集成至膠帶機(jī)機(jī)頭控制室現(xiàn)有的人機(jī)界面內(nèi)，實(shí)現(xiàn)主煤流三條膠帶機(jī)的啟停，實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)保護(hù)裝置動(dòng)作及故障停車的操作與反饋功能的控制。膠帶機(jī)順序控制邏輯以梯形圖形式進(jìn)行編輯，編程格式為梯形圖及PLC常用語言。

6.2 硬件平臺(tái)

增加4個(gè)PLC分站及1個(gè)PLC通訊分站，增加1臺(tái)工控機(jī)，敷設(shè)控制電纜、通信光纜，增加光纖中繼模塊，形成光纖通訊網(wǎng)絡(luò)。

7 ?結(jié)語

根據(jù)《膠帶運(yùn)輸機(jī)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，通過視頻智能調(diào)速及順煤流控制系統(tǒng)的研究，主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)關(guān)鍵部位可視化，順煤流啟動(dòng)，膠帶機(jī)保護(hù)裝置更加靈敏可靠，科學(xué)合理的實(shí)現(xiàn)主斜井膠帶機(jī)、棧橋膠帶機(jī)、配倉(cāng)膠帶機(jī)根據(jù)運(yùn)煤量視頻智能調(diào)速，實(shí)現(xiàn)主運(yùn)輸系統(tǒng)減人提效，減少設(shè)備空運(yùn)轉(zhuǎn)，降低用電成本，促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。

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