煤礦井下帶式輸送機智能控制系統研究

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、效率高等優點，是現階段煤礦井下常用的運輸設備[1]。煤炭生產特點決定了帶式輸送機運輸的煤炭量具有不均衡性，帶式輸送機長時間處于輕載、空載狀態，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輸送機運載量調整輸送機運行速度，但是絕大多數礦井僅將變頻器作為軟啟動工具使用，未能充分發揮變頻器功能[5]。為了提升煤礦井下帶式輸送機運行效率并降低能耗，文中根據以往研究成果[6-7]提出將視頻識別技術應用到帶式輸送機智能控制中，通過視頻監控獲取到帶式輸送機煤流分布，依據煤流量與運行速度間關系智能調整帶式輸送機運行速度，不僅可發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

現階段視頻識別技術已經在神東煤炭哈拉溝煤礦、山西王家嶺礦以及同煤集團燕子山礦等成功應用，識別結果可信度高。帶式輸送機運煤量動態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預處理、感興趣區域提取、煤流信息提取以及圖像分割等，將得到的感興趣區域范圍與煤流區域范圍進行比對，從而掌握輸送帶瞬時煤量。

圖1 輸送帶煤流量識別過程

在輸送帶煤量動態識別過程中，煤流區域、感興趣區域提取是最為關鍵的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果影響，為獲取輸送帶上輸送煤量提供參考；在感興趣區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、頻域特征的圖像區域取交集預算，從而掌握煤流區域具體面積。

2 梯度調速智能控制

2.1 梯度調速方法

現階段帶式輸送機智能調速控制多是依據煤流量實時調整輸送機運行速度，上述調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據容易受外界環境干擾，從而導致輸送機速度調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、溢煤等故障發生。為此文中提出梯度調速控制方式，當煤流量在某一區間內帶式輸送機運行速度保持不變；煤流量進入到另一區域時帶式輸送機運行速度調整至與該區域對應的運行速度。依據煤流量識別結果、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系見表1。煤流量梯度變化與運行速度間關系見圖2。

表1 煤流量與運行速度間匹配關系

圖2 煤流量梯度變化與運行速度間關系

2.2 輸送機智能調速

2.2.1 智能調速方法

輸送機智能調速控制原理見圖3，通過輸送傳感器實時監測輸送帶運輸速度，通過視頻識別技術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建的力學模型中。根據煤流量信息，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，通過變頻器調整輸出頻率，進而控制驅動電機轉速及輸送帶運行速度，從而實現帶式輸送機智能階梯調速。

圖3 輸送機智能調速控制原理

2.2.2 智能調速方法

為了簡化控制流程，文中所提智能控制系統采用模糊控制策略，檢測獲取到的信息經過模糊處理后轉換成模糊控制量，通過模糊控制規則及模糊量實現模糊推理及決策，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調速，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

在汾西礦業兩渡礦對文中所提帶式輸送機智能控制系統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并對智能控制系統運行期間帶式輸送機運行情況進行采集，具體結果見圖5。

圖5 輸送機煤流量及運行速度采集結果

從圖5中看出：

1）帶式輸送機運行速度依據煤流量變化階梯調速度，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）監測期間發現帶式輸送機單位輸送煤量最大值為額定值的80%，采用智能控制系統后帶式輸送機未出現溢煤、堆煤以及異常停機等故障，帶式輸送機可根據輸送帶運輸煤量梯形調整運行速度。

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，表明智能控制系統主要將帶式輸送機運行速度保持在中速運轉，即可滿足煤炭運輸需要又避免了輸送機頻繁調速，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 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，基于視頻識別技術以及模糊控制技術提出一種帶式輸送機智能控制系統，該系統以視頻識別技術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間，每個區間有其對應的運輸速度。

2）根據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速指令，變頻器依據調速制定改變輸出電流頻率，從而實現輸送機階梯調速控制。

3）在兩渡礦現場應用后，智能控制系統可根據煤流量調整輸送機運行速度，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整輸送帶運輸度。采用智能控制系統后，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。