帶式輸送機煤流檢測系統(tǒng)設計及其應用研究

張 宇

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司， 山西 長治 046000）

0 引言

煤炭作為我國的主要能源之一，其生產(chǎn)流程有采掘、支護和運輸?shù)龋鴰捷斔蜋C又是煤炭開采中不可或缺的重要運輸設備。相比于其他輸送設備，帶式輸送機具有輸送距離大、輸送量大及運行穩(wěn)定等特點，其運行性能直接決定著煤礦的經(jīng)濟效益[1]。帶式輸送機是將輸送帶作為牽引和承載機構的輸送裝置，其工作原理是利用張緊裝置為系統(tǒng)提供所需的張力，并驅(qū)動電機將電能轉(zhuǎn)為機械能，驅(qū)動滾筒使輸送帶運行，將物料從輸送帶的一端輸送到另一端，從而完成煤料運輸過程[2]。由于帶式輸送機體積大且電機驅(qū)動，在運行中會消耗大量的電能，此外，在煤炭實際開采中，煤炭開采量是隨時變化的，且是非線性隨機變化，而大部分輸送機又不能依據(jù)實際煤流量來實時控制帶速，造成輸送機出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象[3]，不僅浪費了能源，而且增加了輸送機的損耗，縮短了其使用壽命。因此，本文設計帶式輸送機煤流檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r檢測煤流量，而且可根據(jù)煤流量實時調(diào)節(jié)輸送機帶速，節(jié)能效果顯著。

1 煤流檢測系統(tǒng)設計

1.1 整體架構

帶式輸送機煤流檢測系統(tǒng)的整體架構組成有：煤流視覺檢測系統(tǒng)、地面控制中心信息處理系統(tǒng)、變頻調(diào)速控制和數(shù)據(jù)通訊交互系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 煤流檢測系統(tǒng)

1）煤流視覺檢測系統(tǒng)主要由激光發(fā)射器、攝像頭及電源、補光燈組成，具體是在輸送機各皮帶合適的位置安裝攝像頭和激光發(fā)射器，并輔以補光燈。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲得各皮帶煤流，為煤流量識別創(chuàng)造條件，確保整個系統(tǒng)正常運行。

2）地面控制中心信息處理屬于系統(tǒng)的核心，其組成有工控機、硬盤刻錄機、服務器和顯示器等。其主要作用是對煤量檢測系統(tǒng)傳送的圖像信息進行處理、分析，并通過所涉及的算法、模型計算得到皮帶上的實際煤流量，然后通過數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)將煤流量信息傳給變頻調(diào)速系統(tǒng)，對輸送機速度進行調(diào)節(jié)。

3）變頻調(diào)速系統(tǒng)主體所需硬件有變頻器、控制器及電機，其主要作用是依據(jù)中心處理系統(tǒng)，利用煤流量計算模型、圖像處理算法獲得的實時煤流量和期望帶速對比得到偏差信息，并將其傳遞給控制器對頻率進行調(diào)節(jié)，用來控制電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)依據(jù)煤流大來對帶速的調(diào)節(jié)，有效減少輸送機損耗，實現(xiàn)煤炭生產(chǎn)的節(jié)能效果。

4）數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵，是通過網(wǎng)絡將系統(tǒng)的前端和后臺串聯(lián)，讓煤流量檢測系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)及信息處理系統(tǒng)相互傳送信息，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

因此，對于帶式輸送機煤流檢測系統(tǒng)，其前端部分為煤流量視覺檢測系統(tǒng)、變頻調(diào)速控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊交互系統(tǒng)，而后臺分析部分為地面控制中心處理系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)硬件選型

帶式輸送機煤流檢測系統(tǒng)中硬件設備有防爆攝像機、激光發(fā)射器、交換機、控制器及電源等。其中，防爆攝像機選用KBA127 礦用防爆型攝像機，具有質(zhì)量小、體積小，適用于煤礦生產(chǎn)中實時監(jiān)控關鍵設備及重要環(huán)節(jié)，且可將圖像數(shù)據(jù)傳送給視覺檢測系統(tǒng)。激光發(fā)射器選用一字型半導體激光發(fā)射器，可得到帶式輸送機皮帶上的煤流輪廓，具有效率高、照射距離遠等。交換機選用KT105A-J2 礦用防爆千兆交換機，滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸需求?？刂破鬟x用KXJ27 礦用隔爆本安型可編程控制器，具備多設備手動啟停、現(xiàn)場可編程等。電源選用礦用隔爆本安型直流電源，當電流、電壓大于閾值，可切斷電路保護。

1.3 系統(tǒng)軟件選擇

由于帶式輸送機煤流檢測系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和所構建的軟件平臺息息相關，因此，需設計好圖像處理、智能控制算法，并構建軟件平臺，圖2 為系統(tǒng)軟件設計流程。

圖2 軟件設計流程

其中，圖像處理軟件選用OpenCV 和halon，其中，OpenCV 適用于多個操作系統(tǒng)安裝，可解決視覺與圖像處理問題；halcon 屬于功能效果最好的Machine Vision 軟件平臺，具有可操縱性強，因此，本文采用OpenCV 和halcon 作為整體系統(tǒng)的圖像處理軟件，設計處理方法并調(diào)用圖像處理算法處理帶式輸送機的煤流圖像。

智能控制軟件選用MATLAB R2018b 來完成帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)的設計。軟件開發(fā)平臺采用Microsoft Visual Studio（簡稱VS）來完成帶式輸送機煤流視覺檢測控制系統(tǒng)上位機的設計，具有開發(fā)方式靈活、實用可靠等特點。VS 具有高效集成的可視化用戶開發(fā)設計界面，可直接拖放控件在平臺界面，從而降低使用者在界面開發(fā)時的難度。在編譯中，VS 對程序進行設計、開發(fā)、調(diào)試及查看等，如圖3 所示。

圖3 軟件工具選擇

2 實際運行效果

將本文設計的帶式輸送機煤流檢測系統(tǒng)于2022年7 月在某煤礦南大巷安裝并投入運行。截至現(xiàn)在，該設備系統(tǒng)各項運行狀態(tài)良好，能夠滿足生產(chǎn)實際需要。

某煤礦南大巷650 集運帶式輸送機對兩臺電機采用兩臺變頻器進行轉(zhuǎn)速控制，電機輸出功率是280 kW。在帶式輸送機運行過程中，兩臺電機同步輸出并為帶式輸送機提供動力源。對650 集運帶式輸送機半小時內(nèi)的煤流檢測結果及其相應的皮帶運行速度進行分別采集，如圖4 所示。

圖4 運行結果

圖4 -1 為煤流量檢測結果的波動情況及趨勢，由此可看出，本文設計的煤流量檢測系統(tǒng)可以快速檢測煤流量，且結果與實際變化相一致。圖4-2 皮帶運行速度曲線，當未設計煤流檢測系統(tǒng)時，如圖中虛線所示，帶式輸送機一直以額定帶速3.2 m/s 運行；設計改進后，如圖中實線所示，根據(jù)皮帶運行速度與煤流量大小相匹配的特性，在采集的前15 min，隨煤流量的增大，皮帶運行速度為預先設定值；在采集的后15 min，隨著煤流量的減少，皮帶運行速度也隨之減小。

3 經(jīng)濟效益

對比分析帶式輸送機在恒速（未改造）和節(jié)能狀態(tài)（改造后）運行7 d 的電能耗費情況，如表1 所示。

表1 對比統(tǒng)計結果

為對比驗證其耗電情況，分別計算帶式輸送機在上述兩種狀態(tài)下輸送2 萬t 煤時所消耗的電能，設定帶式輸送機在恒速、節(jié)能下的消耗電能分別為W恒速、W節(jié)能，具體如下：

當帶式輸送機輸送完成2 萬t 煤時，依據(jù)式（1），在恒速狀態(tài)下的電能消耗為49 503.8 kW·h；依據(jù)式（2），在節(jié)能狀態(tài)下的電能消耗為40 663.6 kW·h，因此，對比可知，帶式輸送機比在恒速狀態(tài)下節(jié)約17.9%左右的電能。若該煤礦一年采煤量按照90 萬t來考慮，依據(jù)電費0.71 元/kW·h，則全年約可節(jié)省28.2 萬元。

4 結論

1）對帶式輸送機煤流檢測控制系統(tǒng)總體框架進行設計，并對該系統(tǒng)所需的硬件設備進行選型，最后對軟件系統(tǒng)中圖像處理軟件、智能控制軟件及軟件開發(fā)工具進行選擇。

2）該帶式輸送機煤流檢測控制系統(tǒng)投入運行后，系統(tǒng)各項運行狀態(tài)良好，能夠滿足生產(chǎn)實際需要，且可快速檢測煤流量，同時，帶速隨著煤流量大小的變化而變化。

3）對該帶式輸送機煤流檢測系統(tǒng)投入運行前后的經(jīng)濟效益進行對比分析，當輸送完成2 萬t 煤時，未投入前，電能消耗49 503.8 kW·h；投入運行后，電能消耗40 663.6 kW·h，節(jié)約電能約17.9%左右，因此，若該煤礦一年開采量為90 萬t 時，則全年約可節(jié)約28.2 萬元。