皮帶輸送機(jī)“依載調(diào)速”關(guān)鍵技術(shù)的研究

晉紀(jì)巖

一、概述

冀中能源峰峰集團(tuán)位于邯鄲市西部，大多數(shù)礦井煤炭運(yùn)輸采用皮帶機(jī)來(lái)完成，能耗大，工作容量占整座礦井工作容量約30%，而且皮帶配備冗余功率容量達(dá)20%。由于變頻調(diào)速具備先進(jìn)的調(diào)速功能和卓越的節(jié)能效果，因此得到了煤礦的青睞及廣泛應(yīng)用。但是目前煤炭皮帶運(yùn)輸控制系統(tǒng)配備的變頻器只是用來(lái)實(shí)現(xiàn)皮帶的軟起軟停，并沒(méi)有在運(yùn)輸過(guò)程中實(shí)現(xiàn)調(diào)速。針對(duì)這種現(xiàn)狀，本文提出利用皮帶監(jiān)控圖像，通過(guò)圖像處理算法，得出皮帶上的煤量在皮帶上的占空比，實(shí)時(shí)估算出皮帶上的煤量，再將結(jié)果傳送變頻器的調(diào)速電路，實(shí)現(xiàn)根據(jù)皮帶上的煤量實(shí)時(shí)調(diào)速的目的，實(shí)現(xiàn)節(jié)能節(jié)排的目的。

二、煤量計(jì)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

（一）、圖像處理

圖像分析中，圖像質(zhì)量的好壞直接影響識(shí)別算法的設(shè)計(jì)與效果的精度，因此在圖像分析前，需要進(jìn)行預(yù)處理。增強(qiáng)有關(guān)信息的可檢測(cè)性、最大限度地簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)，從而改進(jìn)特征提取、圖像分割、匹配和識(shí)別的可靠性。

將彩色圖像轉(zhuǎn)化成為灰度圖像的過(guò)程稱為圖像的灰度化處理。而灰度圖像是R、G、B三個(gè)分量相同的一種特殊的彩色圖像，其像素點(diǎn)的變化范圍為0到255，所以在數(shù)字圖像處理種一般先將各種格式的圖像轉(zhuǎn)變成灰度圖像以使后續(xù)的圖像的計(jì)算量變得少一些。

（二）、圖像濾波處理

在采集和傳輸過(guò)程中，圖像往往被噪聲污染而質(zhì)量下降，污染圖像的噪聲的主要來(lái)源有電子噪聲、光電噪聲、元器件材料本身引起的噪聲、成像媒介（如大氣等）隨機(jī)擾動(dòng)引起的噪聲等。

（三）、圖像分割

圖像分割就是把圖像分成若干個(gè)特定的、具有獨(dú)特性質(zhì)的區(qū)域并提出感興趣目標(biāo)的技術(shù)和過(guò)程。它是由圖像處理到圖像分析的關(guān)鍵步驟?，F(xiàn)有的圖像分割方法主要分以下幾類：基于閾值的分割方法、基于區(qū)域的分割方法、基于邊緣的分割方法以及基于特定理論的分割方法等。從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，圖像分割是將數(shù)字圖像劃分成互不相交的區(qū)域的過(guò)程。圖像分割的過(guò)程也是一個(gè)標(biāo)記過(guò)程，即把屬于同一區(qū)域的像索賦予相同的編號(hào)。

（四）、閾值分割

閾值分割算法的關(guān)鍵是確定閾值，如果能確定一個(gè)合適的閾值就可準(zhǔn)確地將圖像分割開(kāi)來(lái)。閾值確定后，將閾值與像素點(diǎn)的灰度值逐個(gè)進(jìn)行比較，而且像素分割可對(duì)各像素并行地進(jìn)行，分割的結(jié)果直接給出圖像區(qū)域。閾值分割的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單、運(yùn)算效率較高、速度快。

（五）、區(qū)域分割

區(qū)域生長(zhǎng)是從某個(gè)或者某些像素點(diǎn)出發(fā)，最后得到整個(gè)區(qū)域，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)提取。分裂合并差不多是區(qū)域生長(zhǎng)的逆過(guò)程：從整個(gè)圖像出發(fā)，不斷分裂得到各個(gè)子區(qū)域，然后再把前景區(qū)域合并，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)提取。

2.2.2.1.7邊緣分割

不同的圖像灰度不同，邊界處一般有明顯的邊緣，利用此特征可以分割圖像。圖像中邊緣處像素的灰度值不連續(xù)，這種不連續(xù)性可通過(guò)求導(dǎo)數(shù)來(lái)檢測(cè)到。Sobel算子在邊緣檢測(cè)算子擴(kuò)大了其模版，在邊緣檢測(cè)的同時(shí)盡量削弱了噪聲。其模版大小為3×3，其將方向差分運(yùn)算與局部加權(quán)平均相結(jié)合來(lái)提取邊緣。在求取圖像梯度之前，先進(jìn)行加權(quán)平均，然后進(jìn)行未分，加強(qiáng)了對(duì)噪聲的一致。在對(duì)精度要求不是很高的場(chǎng)合下，Sobel 算子是一種較為常用的邊緣檢測(cè)算法。

在分析對(duì)比了不同的灰度化處理的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦井下的實(shí)際要求，選用了分量法的灰度處理方法。

三、計(jì)量系統(tǒng)的標(biāo)定

在大多數(shù)條件下這些參數(shù)必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算才能得到，這個(gè)求解參數(shù)的過(guò)程就稱之為相機(jī)標(biāo)定（或攝像機(jī)標(biāo)定）。相機(jī)標(biāo)定中所要確定的幾何模型參數(shù)分為內(nèi)參和外參兩種類型。相機(jī)內(nèi)參的作用是確定相機(jī)從三維空間到二維圖像的投影關(guān)系。相機(jī)外參的作用是確定相機(jī)坐標(biāo)與世界坐標(biāo)系之間相對(duì)位置關(guān)系。

（一）、體積模型

計(jì)算截面面積可采用統(tǒng)計(jì)屬于某一灰度或某一灰度級(jí)范圍的像素點(diǎn)數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，稱為數(shù)點(diǎn)法。數(shù)點(diǎn)法原理簡(jiǎn)單，但需要把物體邊界確定后，再對(duì)物體逐行掃描一遍才能計(jì)算出物體邊界包含的像素總數(shù)，因此數(shù)點(diǎn)法會(huì)花費(fèi)較多計(jì)算時(shí)間。下面介紹的面積計(jì)算方法根據(jù)物體的邊界點(diǎn)計(jì)算面積，這種方法可以在邊界跟蹤的同時(shí)計(jì)算面積，因而提高了計(jì)算效率。

（二）、帶式輸送機(jī)功耗模型的建立與優(yōu)化

本節(jié)主要分析帶式輸送機(jī)參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，運(yùn)用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立帶式輸送機(jī)速度、負(fù)載與功耗的功耗模型，基于粒子群算法對(duì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出煤量與帶速之間的節(jié)能匹配關(guān)系。得出煤量與帶速、電流之間的節(jié)能匹配關(guān)系，電流是作為永磁電滾筒過(guò)載的判據(jù)，防止負(fù)載突然增大導(dǎo)致悶車。

（三）、帶式輸送機(jī)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功耗模型的建立

影響帶式輸送機(jī)功率的主要因素是煤量和帶速，而在實(shí)際生產(chǎn)工作中功率即功耗和煤量、帶速的關(guān)系無(wú)法用精確的數(shù)學(xué)公式表達(dá)，而徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠逼近任意非線性函數(shù)，故可采用RBF（徑向基函數(shù)）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合功耗、煤量和帶速三者的關(guān)系模型，同時(shí)得到永磁電滾筒的正常工作電流。構(gòu)建 RBF 徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)首先要確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通常情況下，其包括輸入變量、輸出變量、隱含層個(gè)數(shù)、隱層中神經(jīng)元數(shù)及每層傳遞函數(shù)的確定。

（四）、粒子群算法對(duì)功耗模型參數(shù)的優(yōu)化

粒子群優(yōu)化（PSO）是一個(gè)CAS系統(tǒng)，鳥(niǎo)類群落系統(tǒng)的研究。

改變 Q的大小和V對(duì)應(yīng)的范圍就可以得出功率P最小時(shí)對(duì)應(yīng)的帶速V。由于煤量不可能一直固定不變，為了避免速度變化頻率過(guò)快，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，故障增多等問(wèn)題，故將煤流量劃分區(qū)間，煤量變化間隔根據(jù)實(shí)際工況而定。功耗模型建立完成后可以得到煤量-帶速和煤量-電流兩條曲線，煤量-帶速曲線作為帶式輸送機(jī)調(diào)速的依據(jù)，煤量-電流曲線用來(lái)判斷是否過(guò)載。由于煤量在時(shí)刻變化，為了避免速度變化頻率過(guò)快，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，故障增多等問(wèn)題，故將煤流量劃分區(qū)間，煤量變化間隔根據(jù)實(shí)際工況而定。

四、自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

首先通過(guò)基于圖像處理的煤量計(jì)量方法得到煤量，然后采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立帶式輸送機(jī)的功耗模型，并通過(guò)粒子群算法對(duì)功耗模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。最后得出帶式輸送機(jī)煤量與帶速之間的節(jié)能匹配關(guān)系以及正常工作電流，即得到最優(yōu)運(yùn)行速度及此時(shí)工作電流，將速度與電流傳輸給永磁電滾筒變頻器，在工作電流正常的前提下對(duì)帶式輸送機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，自適應(yīng)調(diào)速實(shí)現(xiàn)。

五、結(jié)束語(yǔ)

企業(yè)為創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)利益，利用節(jié)能降耗來(lái)降低生產(chǎn)成本是當(dāng)前的必經(jīng)之路。根據(jù)煤量對(duì)皮帶進(jìn)行實(shí)時(shí)變頻調(diào)速是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的一種較好的途徑，值得煤礦企業(yè)進(jìn)行推廣與應(yīng)用。