煤礦井下帶式輸送機智能控制系統(tǒng)研究

王 飛

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原030032）

0 引言

帶式輸送機具備運輸量大、運送距離長、效率高等優(yōu)點，是現(xiàn)階段煤礦井下常用的運輸設備[1]。煤炭生產(chǎn)特點決定了帶式輸送機運輸?shù)拿禾苛烤哂胁痪庑裕瑤捷斔蜋C長時間處于輕載、空載狀態(tài)，若帶式輸送機按照恒定速度運行不僅會增加輸送機能耗及磨損，而且會增加礦井運輸成本[2-4]。帶式輸送機安裝變頻器后可依據(jù)輸送機運載量調(diào)整輸送機運行速度，但是絕大多數(shù)礦井僅將變頻器作為軟啟動工具使用，未能充分發(fā)揮變頻器功能[5]。為了提升煤礦井下帶式輸送機運行效率并降低能耗，文中根據(jù)以往研究成果[6-7]提出將視頻識別技術(shù)應用到帶式輸送機智能控制中，通過視頻監(jiān)控獲取到帶式輸送機煤流分布，依據(jù)煤流量與運行速度間關(guān)系智能調(diào)整帶式輸送機運行速度，不僅可發(fā)揮變頻器功能而且可顯著提升帶式輸送機運行效率。

1 煤量識別

現(xiàn)階段視頻識別技術(shù)已經(jīng)在神東煤炭哈拉溝煤礦、山西王家?guī)X礦以及同煤集團燕子山礦等成功應用，識別結(jié)果可信度高。帶式輸送機運煤量動態(tài)識別主要是計算機通過對視頻圖像的加工、處理及分析，實時獲取輸送帶上煤流量，具體識別過程見圖1。實時獲取到的圖像經(jīng)預處理、感興趣區(qū)域提取、煤流信息提取以及圖像分割等，將得到的感興趣區(qū)域范圍與煤流區(qū)域范圍進行比對，從而掌握輸送帶瞬時煤量。

圖1 輸送帶煤流量識別過程

在輸送帶煤量動態(tài)識別過程中，煤流區(qū)域、感興趣區(qū)域提取是最為關(guān)鍵的2個方面。感興趣主要是定位輸送帶位置、寬度，降低圖像背景對識別結(jié)果影響，為獲取輸送帶上輸送煤量提供參考；在感興趣區(qū)域基礎上通過分別提取煤流顏色、能量及運動特征作為時域、頻域特征，并提取滿足時域、頻域特征的圖像區(qū)域取交集預算，從而掌握煤流區(qū)域具體面積。

2 梯度調(diào)速智能控制

2.1 梯度調(diào)速方法

現(xiàn)階段帶式輸送機智能調(diào)速控制多是依據(jù)煤流量實時調(diào)整輸送機運行速度，上述調(diào)速控制方式雖然可降低輸送機能耗，但是也會增加輸送帶磨耗量、降低輸送帶使用壽命；同時采用傳感器獲取到的煤流量數(shù)據(jù)容易受外界環(huán)境干擾，從而導致輸送機速度調(diào)控滯后輸送帶煤流量，當煤流量突然增加時輸送機不能及時提速會導致堆煤、溢煤等故障發(fā)生。為此文中提出梯度調(diào)速控制方式，當煤流量在某一區(qū)間內(nèi)帶式輸送機運行速度保持不變；煤流量進入到另一區(qū)域時帶式輸送機運行速度調(diào)整至與該區(qū)域?qū)倪\行速度。依據(jù)煤流量識別結(jié)果、單位長度煤流量確定帶式輸送機運行速度，具體煤流量與運行速度間匹配關(guān)系見表1。煤流量梯度變化與運行速度間關(guān)系見圖2。

表1 煤流量與運行速度間匹配關(guān)系

圖2 煤流量梯度變化與運行速度間關(guān)系

2.2 輸送機智能調(diào)速

2.2.1 智能調(diào)速方法

輸送機智能調(diào)速控制原理見圖3，通過輸送傳感器實時監(jiān)測輸送帶運輸速度，通過視頻識別技術(shù)掌握輸送帶上煤流分布情況及單位長度煤量。將輸送帶單位煤流量信息以及運行速度信息傳送到構(gòu)建的力學模型中。根據(jù)煤流量信息，通過模糊控制器進行模糊決策，從而輸出與煤流量對應的運行速度指令，通過變頻器調(diào)整輸出頻率，進而控制驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速及輸送帶運行速度，從而實現(xiàn)帶式輸送機智能階梯調(diào)速。

圖3 輸送機智能調(diào)速控制原理

2.2.2 智能調(diào)速方法

為了簡化控制流程，文中所提智能控制系統(tǒng)采用模糊控制策略，檢測獲取到的信息經(jīng)過模糊處理后轉(zhuǎn)換成模糊控制量，通過模糊控制規(guī)則及模糊量實現(xiàn)模糊推理及決策，具體模糊控制流程見圖4。帶式輸送機張緊力是判定輸送機運行狀況的重要指標，為了確保帶式輸送機平穩(wěn)調(diào)速，將單位長度煤量Q、輸送機張緊力變化率dF作為模糊輸入量，經(jīng)過模糊處理器處理后，將輸送帶運行速度V作為輸出量。具體單位長度煤量Q變化范圍在0~391 kg/m，張緊力變化率dF范圍在-144~144 N/s，輸送機運行速度范圍在0~4.8 m/s。

圖4 模糊控制流程

3 工程應用分析

在汾西礦業(yè)兩渡礦對文中所提帶式輸送機智能控制系統(tǒng)在石門運輸帶式輸送機上進行工程應用。石門運輸帶式輸送機型號為DTL-1200、運輸距離1 000 m、帶強2 500 N/m，額定運行速度4.8 m/s，電動機功率為3×400 kW并對智能控制系統(tǒng)運行期間帶式輸送機運行情況進行采集，具體結(jié)果見圖5。

圖5 輸送機煤流量及運行速度采集結(jié)果

從圖5中看出：

1）帶式輸送機運行速度依據(jù)煤流量變化階梯調(diào)速度，當煤流量變化較小時輸送機運行速度保持不變化，煤流量變化較大時則階梯增加或者降低運行速度。

2）監(jiān)測期間發(fā)現(xiàn)帶式輸送機單位輸送煤量最大值為額定值的80%，采用智能控制系統(tǒng)后帶式輸送機未出現(xiàn)溢煤、堆煤以及異常停機等故障，帶式輸送機可根據(jù)輸送帶運輸煤量梯形調(diào)整運行速度。

3）帶式輸送機高速、低速累積運行時間均為12 min，中速累積運行時間達到96 min，表明智能控制系統(tǒng)主要將帶式輸送機運行速度保持在中速運轉(zhuǎn)，即可滿足煤炭運輸需要又避免了輸送機頻繁調(diào)速，降低變頻、輸送帶等設備磨耗，可在一定程度上提升帶式輸送機使用壽命并降低能耗。

4 結(jié) 論

1）為了提升帶式輸送機智能化控制水平并降低設備能耗，基于視頻識別技術(shù)以及模糊控制技術(shù)提出一種帶式輸送機智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以視頻識別技術(shù)獲取到的輸送帶運輸煤流量為基礎，將煤流量劃分成若干區(qū)間，每個區(qū)間有其對應的運輸速度。

2）根據(jù)輸送帶煤流量信息以及輸送帶張力信息，通過模糊控制器輸出梯度調(diào)速指令，變頻器依據(jù)調(diào)速制定改變輸出電流頻率，從而實現(xiàn)輸送機階梯調(diào)速控制。

3）在兩渡礦現(xiàn)場應用后，智能控制系統(tǒng)可根據(jù)煤流量調(diào)整輸送機運行速度，當煤流量變化較小時輸送帶運輸速度保持不變，煤流量變化較大時則階梯調(diào)整輸送帶運輸度。采用智能控制系統(tǒng)后，帶式輸送機磨耗以及能耗均得以顯著降低，取得較好的應用效果。