帶式輸送機煤流檢測系統設計及其應用研究

張 宇

（山西潞安環保能源開發股份有限公司， 山西 長治 046000）

0 引言

煤炭作為我國的主要能源之一，其生產流程有采掘、支護和運輸等，而帶式輸送機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、輸送量大及運行穩定等特點，其運行性能直接決定著煤礦的經濟效益[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提供所需的張力，并驅動電機將電能轉為機械能，驅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實際煤流量來實時控制帶速，造成輸送機出現“大馬拉小車”的現象[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，該系統不僅能夠實時檢測煤流量，而且可根據煤流量實時調節輸送機帶速，節能效果顯著。

1 煤流檢測系統設計

1.1 整體架構

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

圖1 煤流檢測系統

1）煤流視覺檢測系統主要由激光發射器、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射器，并輔以補光燈。該系統能夠實時獲得各皮帶煤流，為煤流量識別創造條件，確保整個系統正常運行。

2）地面控制中心信息處理屬于系統的核心，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，然后通過數據交互系統將煤流量信息傳給變頻調速系統，對輸送機速度進行調節。

3）變頻調速系統主體所需硬件有變頻器、控制器及電機，其主要作用是依據中心處理系統，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節，用來控制電機轉速，實現依據煤流大來對帶速的調節，有效減少輸送機損耗，實現煤炭生產的節能效果。

4）數據交互系統作為數據傳輸的關鍵，是通過網絡將系統的前端和后臺串聯，讓煤流量檢測系統、變頻調速系統及信息處理系統相互傳送信息，從而實現數據交互。

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

1.2 系統硬件選型

帶式輸送機煤流檢測系統中硬件設備有防爆攝像機、激光發射器、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，具有質量小、體積小，適用于煤礦生產中實時監控關鍵設備及重要環節，且可將圖像數據傳送給視覺檢測系統。激光發射器選用一字型半導體激光發射器，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，滿足本系統數據傳輸需求。控制器選用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 系統軟件選擇

由于帶式輸送機煤流檢測系統整體的穩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 作為整體系統的圖像處理軟件，設計處理方法并調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能控制系統的設計。軟件開發平臺采用Microsoft Visual Studio（簡稱VS）來完成帶式輸送機煤流視覺檢測控制系統上位機的設計，具有開發方式靈活、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時的難度。在編譯中，VS 對程序進行設計、開發、調試及查看等，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于2022年7 月在某煤礦南大巷安裝并投入運行。截至現在，該設備系統各項運行狀態良好，能夠滿足生產實際需要。

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 經濟效益

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

表1 對比統計結果

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、節能下的消耗電能分別為W恒速、W節能，具體如下：

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

4 結論

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

2）該帶式輸送機煤流檢測控制系統投入運行后，系統各項運行狀態良好，能夠滿足生產實際需要，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投入運行前后的經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，則全年約可節約28.2 萬元。