四台矿基于机器视觉的带式输送机煤量检测系统设计研究_程昆.pdf

针对四台矿井下带式输送机控制系统只能实现输送机空载降速或满速运行两种状态导致运行能耗高问题，为实现根据煤量变频调速功能，进行基于机器视觉的煤量检测系统设计研究。系统采用 S186ELDQ 型线激光发射器和双目立体相机实现煤体轮廓图像识别，利用全局匹配 SGBM 算法计算煤量体积，并以煤料体积为触发信号，通过 S7-300PLC 实现二级带式输送机运行速度自动调节功能。通过工程试验验证，系统煤料体积检测误差小于 5%，速度控制功能稳定。关键词 带式输送机；视觉图像；煤量检测中图分类号 TD63+4.1 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.067Design and Research of Coal Quantity Detection System for Belt Conveyor Based on Machine Vision in Sitai MineCheng Kun(Jinneng Holding Group Sitai Mine,Shanxi Datong 037000)Abstract:Aiming at the issue of high operating energy consumption caused by the fact that the control system of Sitai Mine underground belt conveyor can only achieve two states of no-load deceleration or full speed operation,a coal quantity detection system based on machine vision is designed and studied to achieve variable frequency speed regulation function according to coal quantity.The system uses S186ELDQ type line laser transmitter and binocular stereo camera to achieve coal body contour image recognition,and uses global matching SGBM algorithm to calculate coal quantity volume,and using the coal material volume as the trigger signal,the automatic speed adjustment function of the secondary belt conveyor is achieved through the S7-300 PLC.Verified through engineering experiments,the systems coal material volume detection error is less than 5%,and the speed control function is stable.Key words:belt conveyor;visual image;coal quantity detection 收稿日期 2022-10-17作者简介 程昆（1995），男，山西大同人，2018 年毕业于北华大学机械设计制造及其自动化专业，本科，助理工程师，研究方向：机械设计制造及其自动化。程 昆：四台矿基于机器视觉的带式输送机煤量检测系统设计研究程 昆：四台矿基于机器视觉的带式输送机煤量检测系统设计研究1 概况晋能控股集团四台矿位于大同煤田西北部，设计生产能力 5.2 Mt/a，井田面积约为 68 km2。目前在采 404 盘区 11#层，首采 8423 工作面煤层厚度4.26.8 m，平均厚度 5.3 m，工作面倾斜长 314 m，倾角 2 6，煤层无断层分布，结构简单。2017年煤矿井下设备改造后，TD75 型带式输送机增加变频调速功能，主要对带式输送机电机变频启动、空载降速两种状态进行变频调节，经电量统计节能约在 5%8%。矿井主运系统采用逆煤流启车、顺煤流停车生产工艺1，从上仓主井大巷顺槽依次启动到运输煤炭到地面存储仓，需要约 40 min，整个过程智能慢速运行。运输煤量会随综采作业效率动态变化，而当前带式输送机智能控制系统只能控制输送机空载降速或满速运行，无法根据运输煤量进行启动和调速控制，导致带式输送机运行能耗过高。针对 TD75 型带式输送机进行煤量变频调速控制系统研究，以提升四台矿煤矿设备智能化水平。2 系统原理煤量变频调速控制系统的核心在于精准测算带式输送机运输煤量，并基于动态煤量建立煤料分布模型和智能控制策略2。系统采用线激光双目立体2122023 年第 5 期检测方法3，利用安装在带式输送机输送带上方的线激光双目立体相机，实时拍摄输送带上煤料照片，通过识别输送带上的煤料外轮廓信息，根据激光线条纹中心线提取与双目视差匹配，得到激光线条纹的点云数据，进而按照一定的计算规则换算为煤料体积，并将体积数据通过信息传输系统输出到 PLC控制器，PLC 控制器中储存不同输送流量对应输送带不同运行速度等级的控制程序，输出控制信号控制变频器工作频率，进而实现带式输送机驱动电机的调速控制与运行启动控制。系统原理如图 1。图 1 基于机器视觉的带式输送机煤量检测系统原理图3 系统设计3.1 硬件选型系统核心硬件主要有线激光发射器、双目立体相机、PLC 控制器以及变频器等，完成煤料体积检测以及运行速度控制功能。1）线激光发射器线激光发射器光线亮度强、平行度高，能够精准绘制煤料轮廓，且图像识别系统对激光光线具有极高的识别度4。系统选用 S186ELDQ 型一字光斑形状线激光发射器，外形尺寸为 25 mm65 mm，工作电压为 DC5.2 V，输出功率 55 MW，激光安全等级 3B200 MW，改型线激光发射器采用玻璃柱面镜和激光二极管发射蓝色激光，可以通过光强调节旋钮进行光斑强度与线性粗细调节。2）双目立体相机双目立体相机是视觉煤量检测的基础硬件，其拍摄的煤料实时轮廓图像是系统主要的分析对象，因此图像质量决定了系统信息处理的复杂程度以及煤料体积检测的准确度5。系统选用了两个1920（H）1200（V）分辨率的工业 CCD 射线装置组成双目立体射线结构，拍摄最大帧率为 500 fps，通过千兆网口与图像处理系统进行信息共享，防护等级为IP65，整体配套金属外壳，提升井下工况环境下装置运行稳定性。该双目立体相机能够自定义 ROI 区域，分辨率和曝光率均支持人工调节6，如系统需要高帧率图像，则操作人员可以通过降低图像分辨率并缩小 ROI 区域来实现。3）PLC 控制器系统采用西门子 S7-300 型可编程控制器对带式输送机驱动电机变频器进行启停与调速控制，组态模块分别为：PS307 5A-1 型电源、CPU 313C-2 DP、AI 4/AO 28BIT-1 型模拟量模块。控制系统可以与矿井其他生产控制系统进行并网，实现煤量检测系统与井下生产系统的联动集中控制功能。4）变频器四台矿 TD75 型带式输送机驱动电机为三相交流异步驱动电机7，煤量检测系统采用 JF1800G-5.5 kWG-3 型变频器对其进行转速控制。该型变频器为恒转矩型8，输出频率 0600 Hz。3.2 软件设计1）基于机器视觉的体积检测系统系统基于机器视觉的煤量检测系统软件架构主要包括：点云数据获取、煤量体积计算以及上位机界面，如图 2。其中点云数据获取以双目立体相机拍摄的输送带上煤料实时图像为对象，对其进行轮廓干扰图像信息消除以及线激光条纹提取，根据视差三角形原理和极线原则9，采用半全局匹配SGBM 算法得出煤料轮廓点云三维坐标；体积计算以点云数据为输入数据，确定煤料横向截面积，然后根据输送带长度以及运行速度计算出煤量体积，将煤料轮廓信息转化为煤料体积数据；上位机完成计算结果的显示、煤料实时图像、ROI 区域和图像分辨率调控、激光点云数据存储以及控制系统可视化等功能。图 2 煤量检测系统软件流程图2）基于体积检测的调速控制系统煤量体积计算结果通过 USB 串口通信的继电器模块实现运算处理器与 PLC 的数据共享，按照不同体积对应的不同输出频率的程序设定，PLC 在接收2132023 年第 5 期程 昆：四台矿基于机器视觉的带式输送机煤量检测系统设计研究程 昆：四台矿基于机器视觉的带式输送机煤量检测系统设计研究到体积触发信号后，向变频器输出模拟量，调节变频器工作频率。其中 USB 串口通信的继电器为通信的关键，支持二次开发，可通过 C+编程调用串口通信，可接收16进制字符串命令，执行通断动作。调速系统程序设计采用分级理念，共设定 14 级速度等级，触发模拟量信号与A/D值为线性对应关系，即 420 mA 对应 027 648，将模拟量设定四个数值区间，分别对应 14 级运行速度；采用两个继电器实现信号组合：1#和 2#均断开，对应 1 级运行速度；1#断开和 2#闭合，对应 2 级运行速度；1#闭合和 2#断开，对应 3 级运行速度；1#和 2#均闭合，对应 4级运行速度。4 应用效果分析将设计的基于机器视觉的带式输送机煤量检测系统应用在四台矿地面运输系统中 TD75 型带式输送机运行控制系统中，检验设计系统的功能有效性和检测准确性。试验阶段带式输送机运输煤料为褐煤，使用翻斗车向输送带上倒煤，由系统自动检测一级输送带煤量，并试验不同煤量运输下二级带式输送机的自动运行速度调节效果。按照不同运输煤量分别进行四次试验，二级输送带设定14级运行速度为0.4 m/s、0.8 m/s、1.3 m/s、1.6 m/s，四挡速度能够通过肉眼明显观察，一级输送带对应的煤量体积分别为 20 m3、35 m3、50 m3、70 m3，试验结果见表 1。表 1 工程试验结果汇总表序号实际体积/m3检测体积/m3运行速度/（m/s）体积误差/%系统功能评价115.615.10.43.2满足设计需求230.629.70.82.9345.547.21.33.7460.058.71.62.2通过试验结果可以看出，系统检测的体积误差均小于 5%，完全满足四台矿带式输送机运输量检测精度需求。不同的煤料运输体积对应不同二级带式输送机运行速度控制功能稳定，效果明显。5 结语针对四台矿井下带式输送机空转时间占比长，无法根据不同运输煤量进行自动调速运行等问题，进行基于机器视觉的煤量检测系统设计研究，形成以下结论：1）系统采用线激光双目立体检测方法，利用线激光双目立体相机拍摄煤体实时图像，通过处理系统消除图像轮廓干扰信息并提取线激光条纹，依照视差三角形原理和极线原则，采用半全局匹配SGBM 算法计算出煤量体积，结合 PLC 可编程控制器实现带式输送机变频控制；2）进行四次工程试验，验证煤量检测系统自动体积检测误差小于 5%，且四挡运行速度控制功能稳定。【参考文献】1 张钰煜.基于 AI 智能视频识别带式输送机自动调速系统研究 J.山东煤炭科技，2022，40（08）：192-195.2 姜玉峰，张立亚，李标，等.基于单线激光雷达的带式输送机煤流量检测研究 J.煤矿机械，2022，43（08）：151-153.3 宁伟胜.带式输送机煤炭输送动态节能控制系统的设计及应用J.机械管理开发，2022，37（05）：238-239+242.4 王保国.矿用输送带防护中的机器视觉技术 J.江西煤炭科技，2022（01）：207-209.5 王桂梅，李学晖，杨立洁，等.基于深度学习的永磁直驱带式输送机煤量检测方法研究 J.煤炭技术，2022，41（01）：188-190.6 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