煤礦井下帶式輸送機智能控制系統研究

紀 宇，南 迪

（兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦，山東 菏澤 274700）

帶式輸送機具有大容量，長距離，高效率等優點。由于采煤過程的特殊性，導致了煤在運輸過程中的非均勻性。在輕載或空載的情況下，帶式輸送系統的能量消耗將增大，造成膠帶的磨損，同時還會提高礦井的運輸費用。一般礦井在帶式輸送機上安裝了傳感器，但由于輸送機的負載情況，只能作為一種軟起動工具使用，不能起到應有的作用。為了提高帶式運輸機的工作效率，改善帶式運輸機的輸送質量，本論文提出了一種基于圖像識別的帶式運輸機的智能化控制方法。

1 煤量識別

目前，神東哈拉溝煤礦、山西王家嶺煤礦和同煤集團的燕子山煤礦關于視頻識別的技術都已經有了較好的應用，并取得了較好的效果，識別的結果可信度較高。在帶式輸送機中，運煤量的動態識別主要指的是，利用對視頻圖像的處理、加工及分析，可以實時地得到輸送帶上的煤的流量，具體的識別過程如圖1 所示。實時采集到的圖像經過預處理、感興趣區域提取、煤流信息提取、圖像分割等，將所得到的感興趣區域范圍與煤流區域范圍相比較，進而掌握輸送帶瞬時煤量。

圖1 輸送帶煤流量識別過程

煤流區和感興趣區的抽取是運輸機煤量動態辨識的兩個關鍵環節。重點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識別結果的干擾，為確定輸送機排出煤的數量提供了依據；在此基礎上，將煤流的色彩、能量及運動等特征作為時、頻域特征，抽取符合時、頻域特征的影像區域，并對其進行交叉運算，實現對煤流特定范圍的把握。識別過程中采用Vi Be 算法分割輸送帶圖像，以獲得輸送帶輪廓，并檢測其在圖像中的位置。然后將感興趣區域從背景中分離出來，并提取出其面積、輪廓等特征。最后根據物體輪廓與煤流面積之間的關系，確定煤流區域面積，從而獲得實時輸送帶上煤量。采用上述方法對山西王家嶺煤礦帶式輸送機進行實驗分析，結果表明，該方法能有效降低背景干擾，提高識別效果[1]。

2 智能化控制系統結構設計

在以往研究的基礎上，提出了一種基于數據采集的分布式控制方案，并對其進行了實驗驗證。在分析了礦井帶式輸送機工作機理的基礎上，提出了帶式輸送機智能控制系統的總體結構，介紹了礦井帶式輸送系統的組成，主要包括三個子系統，分別是智能監控子系統、運行子系統和安全管理子系統，并對帶式輸送系統進行了詳細的分析。

其中，智能監控系統采用與PC 機通訊的方式，實現了對現場設備狀態的實時監視，并將監視的結果及時反饋給PC 機；在帶式運輸機的運轉過程中，依據所得到的信息，不斷地調整、優化帶式運輸機的運轉參數，使之達到平穩運轉；安全管理子系統實現了工作人員對該系統的遠程監控。[2]工作人員可以通過智能監測模塊上的按鈕來控制帶式輸送機的工作狀態以及各種參數，并且可以按照設定的參數來實時地控制帶式輸送機。其中，在帶式輸送機運行過程中，智能監測模塊上的按鈕可以對帶式輸送機進行啟動、制動以及故障報警等操作。在帶式輸送機智能控制系統中，采用了基于模糊理論的煤量識別方法，能夠準確地識別輸送帶上的煤炭質量，從而確定輸送帶上的瞬時煤量，并根據所得到的瞬時煤量對帶式輸送機的運行參數進行調整和優化，實現了帶式輸送機的智能控制。該系統可滿足不同煤炭質量要求下的帶式輸送機控制需求[3]。

在控制模塊中，PLC 可以將現場設備提供的信號轉換成相應的控制信號，并接入智能監控子系統中。之后，由智能監控子系統完成對現場設備信號的采集工作，并將其傳輸給PLC。最后，由PLC 根據輸送帶運行狀況來調整其工作狀態。在后臺監控模塊中，工作人員可以通過網絡與上位機通信，實時查看帶式輸送機的運行情況和各項參數。

根據帶式輸送機的控制流程，可對其智能控制系統進行如下設計：首先，將帶式輸送機運行過程中所采集的各項數據傳輸給智能監控子系統，由智能監控子系統對其進行處理和分析；其次，將處理后的數據傳輸給PLC，由PLC 對帶式輸送機運行狀態進行實時控制；最后，將處理后的數據傳輸給安全管理子系統，由安全管理子系統對帶式輸送機運行狀態進行調整。在帶式輸送機智能控制系統中，系統能夠根據煤炭生產情況對帶式輸送機運行狀態進行調整和優化[4]。

3 梯度調速智能控制

3.1 梯度調速方法

當前，大多數帶式運輸機的智能化調速都是基于煤炭的流量來實現的。該調節方式在節約能源的同時，也導致傳動帶的磨損愈加嚴重，縮短了其使用壽命。此外，通過傳感器獲得的煤流量信息極易受到外部環境的影響，導致輸送機的調速跟不上輸送帶的煤流量，在煤流量驟增時，輸送機無法及時提速，將引起堆煤、溢煤等問題。針對這種情況，本文提出了一種采用梯度調節的方法，使皮帶輸送機的轉速在一定的范圍內保持恒定；當煤流進入其它地區時，皮帶輸送機的運轉速度被調節到相應地區的運轉速度。皮帶輸送機的運轉速率是根據煤流量的辨識結果和單位長度的煤流量來決定的。

通過上述方式可以實現帶式輸送機智能階梯調速，最終實現帶式輸送機平穩運行。為了簡化智能階梯調速過程，構建了帶式輸送機動力驅動系統模型，通過對驅動電機轉速、變頻器輸出頻率以及輸送帶運行速度等進行合理調整。構建帶式輸送機力學模型，通過對驅動電機轉速、變頻器輸出頻率以及輸送帶運行速度進行合理調整，從而實現帶式輸送機智能階梯調速。為了實時獲取帶式輸送機運行狀況，將其與基于視頻識別技術的帶式輸送機智能階梯調速控制系統結合起來。

3.2 運輸機智能調速

3.2.1 智能調速方法

利用傳輸傳感器對輸送機的輸送速率進行實時監控，利用圖像識別技術對輸送機上的煤流量和單程煤流量進行監控。將運輸機的單位煤量和運轉速率等信息傳輸到所建立的機械模型中。在煤流量信息的基礎上，利用模糊控制器對其進行模糊決策，然后，再利用變頻器對其輸出頻率進行調整，對驅動電機轉速及輸送帶的運轉速度進行控制，最終達到了對帶式輸送機智能臺階調速的目的。為保證帶式輸送機穩定運行，需根據輸送帶速度、張緊力等參數，調整驅動電機轉速和變頻器輸出頻率，實現輸送機速度的平穩控制，同時降低輸送帶磨耗量，延長輸送機使用壽命。為保證帶式輸送機平穩運行，需根據單位長度煤量、輸送機張緊力等參數，對驅動電機轉速和變頻器輸出頻率進行優化，進而實現帶式輸送機智能階梯調速[5]。

3.2.2 智能調速方法

為了使控制流程變得簡單，在這篇文章中，所提的智能控制系統使用的是一種模糊控制策略，它將從檢測中獲取到的信息經過模糊處理后，再轉換為模糊控制量，再通過模糊控制規則及模糊量來實現模糊推理及決策。帶式運輸機張緊力是判斷帶式運輸機工作狀態的一個重要指標，為保證帶式運輸機的穩定、可調節性，以每單位長度的煤量Q 和帶式運輸機張緊力的變化率dF 為模糊輸入量，通過模糊處理后，以帶式運輸機的運轉速度V 為輸出量，從而保證帶式傳動力的變化速率dF 范圍為-144～144 牛頓/秒，傳送帶的運轉速率為0～4.8 米/秒。為達到節能控制目標，設定帶式輸送機最大允許輸送功率為450kW，最小允許輸送功率為400kW，根據煤流量計算出單位長度煤量Q、張緊力變化率dF，通過模糊推理確定最佳運行速度V，并由變頻器調整輸出頻率Vf 控制驅動電機轉速及輸送帶運行速度。將模糊控制器輸出結果輸入PLC 中，通過PLC 控制器對模糊推理過程進行控制，并輸出執行機構運行速度指令。實際應用表明，所提控制策略能夠有效解決帶式輸送機過載問題，并且節能效果較好。

4 機器人檢測技術

要使帶式運輸機的工作狀態得到較好的控制，就必須對帶式運輸機的工作狀態進行實時監控。因為煤礦井下的環境十分復雜，所以要想更好地探測到帶式輸送機的運行情況，就必須使用機器人來對其進行實時監控，并將其工作狀態上傳到智能控制系統，在此過程中，必須使用到兩個傳感器，一是編碼器，二是激光傳感器。其中，編碼器用于識別傳送帶的長度和其他有關數據，而激光探頭用于探測傳送帶的磨損情況。機器人以傳送到計算機上的數據為依據，對輸送機的工作狀況進行判斷，并經過計算，將輸送帶的長度和運轉速度等數據上傳到智能控制系統。根據帶式輸送機工作狀況，需要對其進行節能控制，具體節能控制方法如下：當輸送帶運行速度小于等于5m/s 時，帶式輸送機的節能控制方式為節能保護控制；當輸送帶運行速度大于5m/s 時，帶式輸送機的節能控制方式為零功率保護。

由于，機器人處于地下，受多種因素影響，所以必須將其安裝在傳送皮帶上。通過計算可以知道，機器人在傳送帶上行走時會受到各種因素的干擾，為了將這些干擾降到最低，我們需要采用計算機技術來進行監測和控制。通過對機器人進行設計，可以對輸送帶運行狀況進行實時監測。在具體設計中，通過PLC控制機器人來控制其運行狀態，在PLC 中，輸入端把電動機的電流信號轉化為相應的電壓信號，并將其傳送到PLC 的相應模塊中。輸出端通過繼電器來控制機器人的前進和后退，當機器人工作時，輸入端的電壓信號變為輸出端的電壓信號，當機器人工作時，輸出端的電壓信號變為輸入端的電壓信號，通過繼電器將這兩種信號連接起來，從而控制機器人的運行。為了能更好地保證機器人的工作狀態，可以在機器人的前后和左右方分別安裝1 個接近傳感器。當機器人出現故障時，接近傳感器可以及時地將該信號傳遞給PLC，從而有效地避免了工作人員出現危險[6]。

5 結語

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

模糊控制器根據煤流量和傳送帶電壓信息發出指令控制運輸速度，變頻器則根據速度控制改變輸出電流頻率，最終實現對傳送帶速度的分步控制。根據井下帶式輸送機運行特點，可利用帶式輸送機智能控制系統實現節能控制，為保障帶式輸送機平穩運行，可采用機器人對其進行實時監測，并將監測結果上傳給智能控制系統。

在現場使用之后，智能控制系統能夠按照煤流量來調節輸送機的運行速度，在煤流量的變化比較小的時候，輸送機的運輸速度就會保持不變，而在煤流量的變化比較大的時候，就會采用臺階的方式來調節輸送機的運輸速度。通過對皮帶運輸機進行智能控制，大大減少了皮帶運輸機的磨損和能量消耗，達到了良好的使用效果。