張鈺煜
(洛陽義安礦業(yè)有限公司,河南 新安 471800)
煤礦通過自動(dòng)化、智能化建設(shè)實(shí)現(xiàn)智能控制,降低能耗和成本投入,提高設(shè)備運(yùn)行可靠性,延長設(shè)備使用壽命。其中,井下主煤流皮帶機(jī)圖像識(shí)別控制調(diào)速系統(tǒng)[1-3]是煤礦智能化的一個(gè)重要組成部分。由于傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸機(jī)信息感知水平低以及智能化水平低,帶式輸送機(jī)運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)化仍以集中監(jiān)控為主,不能實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)工作狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷、自適應(yīng)調(diào)節(jié)以及協(xié)同工作,并沒有真正實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸機(jī)的自動(dòng)化和智能化[4-5]。為此,洛陽義安礦業(yè)有限公司結(jié)合礦井生產(chǎn)特點(diǎn),提出帶式輸送機(jī)AI 智能視頻識(shí)別保護(hù)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將視頻分析、工業(yè)控制等系統(tǒng)集成,在變頻器調(diào)速和PLC 控制的基礎(chǔ)上,研究根據(jù)帶式輸送機(jī)煤流量的變化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整皮帶變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速,使運(yùn)輸系統(tǒng)由“逆流”啟動(dòng)向“智能”啟動(dòng)方式的轉(zhuǎn)變,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。
AI 智能視頻識(shí)別保護(hù)控制系統(tǒng)通過改造傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及應(yīng)用AI 圖像分析技術(shù),實(shí)現(xiàn)智能、節(jié)能調(diào)速。一是對(duì)上倉帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造,在原帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)后方加裝一套永磁同步變頻直驅(qū)系統(tǒng),形成一用一備驅(qū)動(dòng)模式,采用永磁同步變頻電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)滾筒直接連接,根據(jù)工況需要,可實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)零至額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)速;二是在改造驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,應(yīng)用AI智能視頻識(shí)別調(diào)速控制系統(tǒng),該系統(tǒng)由全煤流分析平臺(tái)、AI 分析裝置、KJJ660 型礦用隔爆兼本質(zhì)安全型綜合接入網(wǎng)關(guān)、KBA12W 型煤流攝像儀及激光器組成,AI 智能視頻識(shí)別調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),在變頻器調(diào)速和PLC 控制的基礎(chǔ)上,利用AI 圖像分析技術(shù),對(duì)礦井主運(yùn)輸帶式輸送機(jī)和輔助運(yùn)輸帶式輸送機(jī)煤量進(jìn)行識(shí)別和分析,統(tǒng)計(jì)全煤流的實(shí)時(shí)煤量,根據(jù)帶式輸送機(jī)煤流量的變化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整輸送機(jī)變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速,最后形成數(shù)據(jù)庫,方便以后的煤量統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。
圖1 AI 智能視頻識(shí)別調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
(1)圖像識(shí)別技術(shù)主要設(shè)備及其功能、安裝連接方式及具體安裝位置見表1。
表1 圖像識(shí)別技術(shù)主要設(shè)備明細(xì)表
(2)圖像識(shí)別技術(shù)參數(shù)。① 大塊煤監(jiān)測識(shí)別:能夠?qū)z像機(jī)所拍到的視頻畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,誤報(bào)率≤1%。② 自動(dòng)記錄事件視頻:無須用戶干涉,系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)行事件信息記錄。③ 聯(lián)動(dòng)控制:能夠?qū)Χ衙?、大塊煤、錨桿、水煤等情況進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別,同時(shí)輸出信號(hào)給控制系統(tǒng),達(dá)到報(bào)警(或停機(jī))目的。④ 礦用本安型高清數(shù)字?jǐn)z像儀分辨率≥200 萬像素。⑤ 監(jiān)控主機(jī):8 G 內(nèi)存,2 G 顯存,以便于達(dá)到系統(tǒng)圖像處理和分析的實(shí)時(shí)性。⑥ 大塊煤監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場布置五個(gè)攝像頭,通過MODBUS-TCP 協(xié)議將大塊煤監(jiān)測結(jié)果及聯(lián)動(dòng)信息提供給集控系統(tǒng)。⑦ 本系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果通過井下工業(yè)以太網(wǎng)傳至系統(tǒng)監(jiān)控軟件。
控制系統(tǒng)采用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)煤流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。圖像識(shí)別技術(shù)設(shè)備安裝示意圖如圖2。
圖2 圖像識(shí)別技術(shù)設(shè)備安裝示意圖
在永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的上級(jí)轉(zhuǎn)載帶式輸送機(jī)合適位置上方安裝煤流智能攝像儀和線型激光器,用于煤流量監(jiān)測。智能攝像儀利用線型激光標(biāo)定光源,通過圖像邊緣檢測法、閾值分割法等多種算法對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別處理,結(jié)合皮帶的寬度,計(jì)算皮帶上煤的橫截面積,再根據(jù)皮帶的運(yùn)行速度和運(yùn)行時(shí)間以及密度,通過積分算法計(jì)算出皮帶上的煤量,最后拍攝圖片通過智能攝像儀報(bào)警開關(guān)量輸出接口,上傳至綜合網(wǎng)關(guān)。
永磁同步變頻電動(dòng)機(jī)安裝在上倉帶式輸送機(jī)原驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)備硐室后方,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件,需施工一個(gè)設(shè)備硐室,用于放置永磁電機(jī)、冷卻水箱等驅(qū)動(dòng)及配套設(shè)備。永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,維護(hù)方便。永磁同步電機(jī)型號(hào):TBVF-400/60YC(1140 V),電機(jī)功率400 kW,電壓等級(jí)1140 V,額定轉(zhuǎn)速60 r/min,冷卻方式IC46W(水冷);控制系統(tǒng)配備BPJ-630/1140 型交流變頻器,額定功率630 kW,電壓等級(jí)1140 V,變頻控制;冷卻系統(tǒng)配備ZDLQ-65B 型自循環(huán)水箱,容積700 L,采用不銹鋼材質(zhì),配備雙泵電機(jī)(一用一備),流量12.5 m3/h,揚(yáng)程25 m,水壓在0.3~0.8 MPa,流量2.5 t/h,滿足配套設(shè)備冷卻要求;散熱功率65 kW,滿足現(xiàn)場電機(jī)、變頻器冷卻需要。永磁同步變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)改造主要設(shè)備明細(xì)見表2。
表2 主要設(shè)備配置明細(xì)表
在上倉帶式輸送機(jī)控制硐室內(nèi)安裝綜合網(wǎng)關(guān),綜合網(wǎng)關(guān)接收智能攝像儀拍攝的煤量圖片,根據(jù)當(dāng)前煤量變化計(jì)算出合適的帶速并發(fā)出帶速信號(hào)給變頻器,綜合網(wǎng)關(guān)控制變頻器,變頻器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的邏輯帶速,實(shí)現(xiàn)0~3.15 m/s變頻調(diào)速控制,達(dá)到“煤多快跑、煤少慢跑”的節(jié)能控制。
(1)系統(tǒng)通過智能視頻分析技術(shù)實(shí)時(shí)識(shí)別皮帶的瞬時(shí)煤量和實(shí)時(shí)計(jì)算輸送機(jī)的平均瞬時(shí)運(yùn)料量,識(shí)別準(zhǔn)確度高。
(2)調(diào)速性能優(yōu)良,根據(jù)負(fù)載可實(shí)現(xiàn)智能無級(jí)調(diào)速功能;軟起性能優(yōu)良,依靠變頻器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、平滑軟起動(dòng),且調(diào)速時(shí),皮帶速度上升或下降平穩(wěn),實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能、減少設(shè)備磨損、延長設(shè)備使用壽命等目標(biāo)。
(3)系統(tǒng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩2.2倍,滿足設(shè)備重載起動(dòng)需求;短時(shí)過載轉(zhuǎn)矩達(dá)2 倍額定轉(zhuǎn)矩,滿足設(shè)備過載運(yùn)行需求;啟動(dòng)電流低,電流低于2 倍額定電流,降低對(duì)電網(wǎng)帶來的沖擊和電網(wǎng)故障。
(4)運(yùn)行效率高。輕載、重載時(shí)均可保持較高的運(yùn)行效率,較傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式運(yùn)行效率起點(diǎn)高,且變化絕對(duì)值幅度較小,節(jié)約電能效果明顯。
AI 智能視頻識(shí)別調(diào)速控制系統(tǒng)圖像識(shí)別技術(shù)在上倉帶式輸送機(jī)應(yīng)用后,電機(jī)輸入功率由346 kW減小至293 kW,每年可節(jié)省電費(fèi)19.59 萬元;因設(shè)備性能可靠,維護(hù)量少,每年上倉帶式輸送機(jī)可節(jié)約各類維護(hù)費(fèi)用和人工費(fèi)用6 萬元。每年總計(jì)可節(jié)約費(fèi)用投入25.59 萬元。
(1)洛陽義安礦業(yè)有限公司通過對(duì)井下主煤流帶式輸送機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)研究及應(yīng)用,順利實(shí)現(xiàn)井下上倉帶式輸送機(jī)永磁同步變頻電動(dòng)機(jī)AI 智能視頻識(shí)別調(diào)速控制功能。AI 智能視頻識(shí)別調(diào)速控制系統(tǒng)安裝投用后,智能效果明顯,與上倉輸送機(jī)永磁同步變頻控制系統(tǒng)聯(lián)控使用,并實(shí)時(shí)采集東膠帶式輸送機(jī)、西膠帶式輸送機(jī)開停機(jī)信號(hào),根據(jù)物料輸送量情況自動(dòng)調(diào)整永磁同步變頻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)升速、降速和自動(dòng)停機(jī)功能,減少電能消耗,提高帶式輸送機(jī)安全運(yùn)行系數(shù),減少設(shè)備磨損,延長設(shè)備使用壽命。
(2)上倉帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)過安裝改造運(yùn)行,上倉帶式輸送機(jī)形成CST 可控啟動(dòng)傳輸裝置+永磁同步變頻雙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),兩套系統(tǒng)一用一備。永磁同步變頻直驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、啟動(dòng)平滑、運(yùn)行平穩(wěn)、調(diào)速效果優(yōu)良、傳動(dòng)效率高、能耗低,系統(tǒng)基本免維護(hù),并與AI 智能視頻識(shí)別調(diào)速控制系統(tǒng)聯(lián)控,實(shí)現(xiàn)智能變頻調(diào)速,保障帶式輸送機(jī)安全高效運(yùn)行。
(3)AI 智能視頻識(shí)別調(diào)速控制系統(tǒng)圖像識(shí)別技術(shù)在上倉帶式輸送機(jī)應(yīng)用后,每年上倉帶式輸送機(jī)節(jié)約電費(fèi)、各類維護(hù)費(fèi)用及人工費(fèi)總計(jì)25.59 萬元。