煤礦井下帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)研究

紀(jì) 宇，南 迪

（兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦，山東 菏澤 274700）

帶式輸送機(jī)具有大容量，長(zhǎng)距離，高效率等優(yōu)點(diǎn)。由于采煤過(guò)程的特殊性，導(dǎo)致了煤在運(yùn)輸過(guò)程中的非均勻性。在輕載或空載的情況下，帶式輸送系統(tǒng)的能量消耗將增大，造成膠帶的磨損，同時(shí)還會(huì)提高礦井的運(yùn)輸費(fèi)用。一般礦井在帶式輸送機(jī)上安裝了傳感器，但由于輸送機(jī)的負(fù)載情況，只能作為一種軟起動(dòng)工具使用，不能起到應(yīng)有的作用。為了提高帶式運(yùn)輸機(jī)的工作效率，改善帶式運(yùn)輸機(jī)的輸送質(zhì)量，本論文提出了一種基于圖像識(shí)別的帶式運(yùn)輸機(jī)的智能化控制方法。

1 煤量識(shí)別

目前，神東哈拉溝煤礦、山西王家?guī)X煤礦和同煤集團(tuán)的燕子山煤礦關(guān)于視頻識(shí)別的技術(shù)都已經(jīng)有了較好的應(yīng)用，并取得了較好的效果，識(shí)別的結(jié)果可信度較高。在帶式輸送機(jī)中，運(yùn)煤量的動(dòng)態(tài)識(shí)別主要指的是，利用對(duì)視頻圖像的處理、加工及分析，可以實(shí)時(shí)地得到輸送帶上的煤的流量，具體的識(shí)別過(guò)程如圖1 所示。實(shí)時(shí)采集到的圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理、感興趣區(qū)域提取、煤流信息提取、圖像分割等，將所得到的感興趣區(qū)域范圍與煤流區(qū)域范圍相比較，進(jìn)而掌握輸送帶瞬時(shí)煤量。

圖1 輸送帶煤流量識(shí)別過(guò)程

煤流區(qū)和感興趣區(qū)的抽取是運(yùn)輸機(jī)煤量動(dòng)態(tài)辨識(shí)的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。重點(diǎn)在于確定輸送帶的位置和寬度，降低了圖像中的背景噪聲對(duì)識(shí)別結(jié)果的干擾，為確定輸送機(jī)排出煤的數(shù)量提供了依據(jù)；在此基礎(chǔ)上，將煤流的色彩、能量及運(yùn)動(dòng)等特征作為時(shí)、頻域特征，抽取符合時(shí)、頻域特征的影像區(qū)域，并對(duì)其進(jìn)行交叉運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤流特定范圍的把握。識(shí)別過(guò)程中采用Vi Be 算法分割輸送帶圖像，以獲得輸送帶輪廓，并檢測(cè)其在圖像中的位置。然后將感興趣區(qū)域從背景中分離出來(lái)，并提取出其面積、輪廓等特征。最后根據(jù)物體輪廓與煤流面積之間的關(guān)系，確定煤流區(qū)域面積，從而獲得實(shí)時(shí)輸送帶上煤量。采用上述方法對(duì)山西王家?guī)X煤礦帶式輸送機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明，該方法能有效降低背景干擾，提高識(shí)別效果[1]。

2 智能化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在以往研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)據(jù)采集的分布式控制方案，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在分析了礦井帶式輸送機(jī)工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，介紹了礦井帶式輸送系統(tǒng)的組成，主要包括三個(gè)子系統(tǒng)，分別是智能監(jiān)控子系統(tǒng)、運(yùn)行子系統(tǒng)和安全管理子系統(tǒng)，并對(duì)帶式輸送系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

其中，智能監(jiān)控系統(tǒng)采用與PC 機(jī)通訊的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，并將監(jiān)視的結(jié)果及時(shí)反饋給PC 機(jī)；在帶式運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，依據(jù)所得到的信息，不斷地調(diào)整、優(yōu)化帶式運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，使之達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)；安全管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工作人員對(duì)該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。[2]工作人員可以通過(guò)智能監(jiān)測(cè)模塊上的按鈕來(lái)控制帶式輸送機(jī)的工作狀態(tài)以及各種參數(shù)，并且可以按照設(shè)定的參數(shù)來(lái)實(shí)時(shí)地控制帶式輸送機(jī)。其中，在帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，智能監(jiān)測(cè)模塊上的按鈕可以對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、制動(dòng)以及故障報(bào)警等操作。在帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)中，采用了基于模糊理論的煤量識(shí)別方法，能夠準(zhǔn)確地識(shí)別輸送帶上的煤炭質(zhì)量，從而確定輸送帶上的瞬時(shí)煤量，并根據(jù)所得到的瞬時(shí)煤量對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)的智能控制。該系統(tǒng)可滿足不同煤炭質(zhì)量要求下的帶式輸送機(jī)控制需求[3]。

在控制模塊中，PLC 可以將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供的信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號(hào)，并接入智能監(jiān)控子系統(tǒng)中。之后，由智能監(jiān)控子系統(tǒng)完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信號(hào)的采集工作，并將其傳輸給PLC。最后，由PLC 根據(jù)輸送帶運(yùn)行狀況來(lái)調(diào)整其工作狀態(tài)。在后臺(tái)監(jiān)控模塊中，工作人員可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)通信，實(shí)時(shí)查看帶式輸送機(jī)的運(yùn)行情況和各項(xiàng)參數(shù)。

根據(jù)帶式輸送機(jī)的控制流程，可對(duì)其智能控制系統(tǒng)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：首先，將帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中所采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸給智能監(jiān)控子系統(tǒng)，由智能監(jiān)控子系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行處理和分析；其次，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給PLC，由PLC 對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；最后，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給安全管理子系統(tǒng)，由安全管理子系統(tǒng)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。在帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)能夠根據(jù)煤炭生產(chǎn)情況對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化[4]。

3 梯度調(diào)速智能控制

3.1 梯度調(diào)速方法

當(dāng)前，大多數(shù)帶式運(yùn)輸機(jī)的智能化調(diào)速都是基于煤炭的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該調(diào)節(jié)方式在節(jié)約能源的同時(shí)，也導(dǎo)致傳動(dòng)帶的磨損愈加嚴(yán)重，縮短了其使用壽命。此外，通過(guò)傳感器獲得的煤流量信息極易受到外部環(huán)境的影響，導(dǎo)致輸送機(jī)的調(diào)速跟不上輸送帶的煤流量，在煤流量驟增時(shí)，輸送機(jī)無(wú)法及時(shí)提速，將引起堆煤、溢煤等問(wèn)題。針對(duì)這種情況，本文提出了一種采用梯度調(diào)節(jié)的方法，使皮帶輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速在一定的范圍內(nèi)保持恒定；當(dāng)煤流進(jìn)入其它地區(qū)時(shí)，皮帶輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度被調(diào)節(jié)到相應(yīng)地區(qū)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。皮帶輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速率是根據(jù)煤流量的辨識(shí)結(jié)果和單位長(zhǎng)度的煤流量來(lái)決定的。

通過(guò)上述方式可以實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)智能階梯調(diào)速，最終實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。為了簡(jiǎn)化智能階梯調(diào)速過(guò)程，構(gòu)建了帶式輸送機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、變頻器輸出頻率以及輸送帶運(yùn)行速度等進(jìn)行合理調(diào)整。構(gòu)建帶式輸送機(jī)力學(xué)模型，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、變頻器輸出頻率以及輸送帶運(yùn)行速度進(jìn)行合理調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)智能階梯調(diào)速。為了實(shí)時(shí)獲取帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀況，將其與基于視頻識(shí)別技術(shù)的帶式輸送機(jī)智能階梯調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。

3.2 運(yùn)輸機(jī)智能調(diào)速

3.2.1 智能調(diào)速方法

利用傳輸傳感器對(duì)輸送機(jī)的輸送速率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，利用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)輸送機(jī)上的煤流量和單程煤流量進(jìn)行監(jiān)控。將運(yùn)輸機(jī)的單位煤量和運(yùn)轉(zhuǎn)速率等信息傳輸?shù)剿⒌臋C(jī)械模型中。在煤流量信息的基礎(chǔ)上，利用模糊控制器對(duì)其進(jìn)行模糊決策，然后，再利用變頻器對(duì)其輸出頻率進(jìn)行調(diào)整，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速及輸送帶的運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制，最終達(dá)到了對(duì)帶式輸送機(jī)智能臺(tái)階調(diào)速的目的。為保證帶式輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，需根據(jù)輸送帶速度、張緊力等參數(shù)，調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和變頻器輸出頻率，實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)速度的平穩(wěn)控制，同時(shí)降低輸送帶磨耗量，延長(zhǎng)輸送機(jī)使用壽命。為保證帶式輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，需根據(jù)單位長(zhǎng)度煤量、輸送機(jī)張緊力等參數(shù)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和變頻器輸出頻率進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)智能階梯調(diào)速[5]。

3.2.2 智能調(diào)速方法

為了使控制流程變得簡(jiǎn)單，在這篇文章中，所提的智能控制系統(tǒng)使用的是一種模糊控制策略，它將從檢測(cè)中獲取到的信息經(jīng)過(guò)模糊處理后，再轉(zhuǎn)換為模糊控制量，再通過(guò)模糊控制規(guī)則及模糊量來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊推理及決策。帶式運(yùn)輸機(jī)張緊力是判斷帶式運(yùn)輸機(jī)工作狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，為保證帶式運(yùn)輸機(jī)的穩(wěn)定、可調(diào)節(jié)性，以每單位長(zhǎng)度的煤量Q 和帶式運(yùn)輸機(jī)張緊力的變化率dF 為模糊輸入量，通過(guò)模糊處理后，以帶式運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度V 為輸出量，從而保證帶式傳動(dòng)力的變化速率dF 范圍為-144～144 牛頓/秒，傳送帶的運(yùn)轉(zhuǎn)速率為0～4.8 米/秒。為達(dá)到節(jié)能控制目標(biāo)，設(shè)定帶式輸送機(jī)最大允許輸送功率為450kW，最小允許輸送功率為400kW，根據(jù)煤流量計(jì)算出單位長(zhǎng)度煤量Q、張緊力變化率dF，通過(guò)模糊推理確定最佳運(yùn)行速度V，并由變頻器調(diào)整輸出頻率Vf 控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速及輸送帶運(yùn)行速度。將模糊控制器輸出結(jié)果輸入PLC 中，通過(guò)PLC 控制器對(duì)模糊推理過(guò)程進(jìn)行控制，并輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度指令。實(shí)際應(yīng)用表明，所提控制策略能夠有效解決帶式輸送機(jī)過(guò)載問(wèn)題，并且節(jié)能效果較好。

4 機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)

要使帶式運(yùn)輸機(jī)的工作狀態(tài)得到較好的控制，就必須對(duì)帶式運(yùn)輸機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。因?yàn)槊旱V井下的環(huán)境十分復(fù)雜，所以要想更好地探測(cè)到帶式輸送機(jī)的運(yùn)行情況，就必須使用機(jī)器人來(lái)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將其工作狀態(tài)上傳到智能控制系統(tǒng)，在此過(guò)程中，必須使用到兩個(gè)傳感器，一是編碼器，二是激光傳感器。其中，編碼器用于識(shí)別傳送帶的長(zhǎng)度和其他有關(guān)數(shù)據(jù)，而激光探頭用于探測(cè)傳送帶的磨損情況。機(jī)器人以傳送到計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)輸送機(jī)的工作狀況進(jìn)行判斷，并經(jīng)過(guò)計(jì)算，將輸送帶的長(zhǎng)度和運(yùn)轉(zhuǎn)速度等數(shù)據(jù)上傳到智能控制系統(tǒng)。根據(jù)帶式輸送機(jī)工作狀況，需要對(duì)其進(jìn)行節(jié)能控制，具體節(jié)能控制方法如下：當(dāng)輸送帶運(yùn)行速度小于等于5m/s 時(shí)，帶式輸送機(jī)的節(jié)能控制方式為節(jié)能保護(hù)控制；當(dāng)輸送帶運(yùn)行速度大于5m/s 時(shí)，帶式輸送機(jī)的節(jié)能控制方式為零功率保護(hù)。

由于，機(jī)器人處于地下，受多種因素影響，所以必須將其安裝在傳送皮帶上。通過(guò)計(jì)算可以知道，機(jī)器人在傳送帶上行走時(shí)會(huì)受到各種因素的干擾，為了將這些干擾降到最低，我們需要采用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。通過(guò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以對(duì)輸送帶運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在具體設(shè)計(jì)中，通過(guò)PLC控制機(jī)器人來(lái)控制其運(yùn)行狀態(tài)，在PLC 中，輸入端把電動(dòng)機(jī)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號(hào)，并將其傳送到PLC 的相應(yīng)模塊中。輸出端通過(guò)繼電器來(lái)控制機(jī)器人的前進(jìn)和后退，當(dāng)機(jī)器人工作時(shí)，輸入端的電壓信號(hào)變?yōu)檩敵龆说碾妷盒盘?hào)，當(dāng)機(jī)器人工作時(shí)，輸出端的電壓信號(hào)變?yōu)檩斎攵说碾妷盒盘?hào)，通過(guò)繼電器將這兩種信號(hào)連接起來(lái)，從而控制機(jī)器人的運(yùn)行。為了能更好地保證機(jī)器人的工作狀態(tài)，可以在機(jī)器人的前后和左右方分別安裝1 個(gè)接近傳感器。當(dāng)機(jī)器人出現(xiàn)故障時(shí)，接近傳感器可以及時(shí)地將該信號(hào)傳遞給PLC，從而有效地避免了工作人員出現(xiàn)危險(xiǎn)[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

為了提升帶式輸送機(jī)的智能控制水平，從而減少裝置的能量消耗，以視頻識(shí)別技術(shù)與模糊控制技術(shù)為依據(jù)，以帶式為載體，以視頻識(shí)別技術(shù)所得到的帶式輸送煤炭的流量為依據(jù)，將煤炭的流量分為幾個(gè)部分，每個(gè)部分都有相應(yīng)的傳輸速率。

模糊控制器根據(jù)煤流量和傳送帶電壓信息發(fā)出指令控制運(yùn)輸速度，變頻器則根據(jù)速度控制改變輸出電流頻率，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)傳送帶速度的分步控制。根據(jù)井下帶式輸送機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，可利用帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，為保障帶式輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，可采用機(jī)器人對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果上傳給智能控制系統(tǒng)。

在現(xiàn)場(chǎng)使用之后，智能控制系統(tǒng)能夠按照煤流量來(lái)調(diào)節(jié)輸送機(jī)的運(yùn)行速度，在煤流量的變化比較小的時(shí)候，輸送機(jī)的運(yùn)輸速度就會(huì)保持不變，而在煤流量的變化比較大的時(shí)候，就會(huì)采用臺(tái)階的方式來(lái)調(diào)節(jié)輸送機(jī)的運(yùn)輸速度。通過(guò)對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行智能控制，大大減少了皮帶運(yùn)輸機(jī)的磨損和能量消耗，達(dá)到了良好的使用效果。