王 軍，賈宇濤，李明利，任文清

(國能神東煤炭集團有限責任公司大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

近年來，我國煤炭生產(chǎn)已從落后的人工開采模式向機械化開采方式轉(zhuǎn)變，以致全國煤炭產(chǎn)量逐年猛增。神東煤炭集團公司大柳塔煤礦從1996年原煤生產(chǎn)360萬t增至2019年完成產(chǎn)量3 300萬t。致使礦井井田邊界急劇擴大，井下膠帶機運輸線不斷延長，膠帶運輸機數(shù)量不斷增加。大柳塔煤礦以打造“智慧礦山”為契機，充分發(fā)揮礦井信息化發(fā)展優(yōu)勢，提高煤炭生產(chǎn)自動化水平，目前大柳塔煤礦井下運輸皮帶已全部實現(xiàn)了變頻控制，且主運輸全系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程集中控制。工作人員可在調(diào)度指揮中心對井下每部膠帶機進行遠程啟停和手動調(diào)速控制。但由于井下皮帶數(shù)量眾多，搭接關系錯綜復雜，且每部皮帶運輸煤流尚不均勻，工作人員不可能動態(tài)調(diào)整每部皮帶的運輸速度。而帶式輸送機裝機功率較大，大多在裝機容量富裕的狀態(tài)下工作，即膠帶機常處在輕載或空載狀態(tài)下工作，這必然會造成皮帶用電效率低、設備損耗大和皮帶有效利用率低等問題[1-3]。

為此，結(jié)合視頻識別技術，通過研究網(wǎng)絡攝像機對膠帶機煤流信號的采集、識別和轉(zhuǎn)換等過程的原理，以膠帶機安全運行為前提，設計出一套煤礦井下運輸皮帶閉環(huán)自適應變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，并將此系統(tǒng)應用于大柳塔煤礦活井南翼一部膠帶機，以期達到煤炭生產(chǎn)“節(jié)能降耗、降本增效”的目的。

1 自適應變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成和工作原理

基于視頻的帶式輸送機自動調(diào)速控制系統(tǒng)由視頻采集、圖像處理、調(diào)速控制以及執(zhí)行單元組成[4-6]。其中視頻采集單元主要是利用數(shù)字攝像儀從井下獲取視頻圖像，并通過以太網(wǎng)上傳到地面視頻圖像處理單元；視頻處理單元利用模式識別技術與圖像處理技術進行實時分析處理，獲取帶式輸送機上的瞬時煤量；在調(diào)速控制單元中，分析膠帶機機頭、落煤點的瞬時煤量信號，計算膠帶機的運輸長度，結(jié)合運輸系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)建立運輸系統(tǒng)模型[7-9]。在運輸系統(tǒng)模型的基礎上，依據(jù)瞬時煤量、煤量分布、運輸長度、運輸速度等參數(shù)計算各膠帶機與運煤量相匹配的皮帶運行速度，然后通過改變變頻器的工作頻率來調(diào)節(jié)膠帶機的運輸速度，使得膠帶機速度達到預定的要求，從而實現(xiàn)膠帶機的節(jié)能運行。基于視頻識別的膠帶機自適應變頻調(diào)速系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 基于視頻的帶式輸送機自動調(diào)速控制系統(tǒng)框架

為了準確監(jiān)測膠帶機上的瞬時煤量以及實現(xiàn)全礦井的調(diào)速運行，需要在連采膠帶機、綜采順槽膠帶機、大巷膠帶機、主井膠帶機以及上倉膠帶機等各機頭、落煤點以及對煤流量影響的地方安裝數(shù)字攝像儀。根據(jù)上游膠帶機的煤量、運輸長度、帶寬和當前速度[10-11]，計算達到的時間和煤量，預測控制算法調(diào)整轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)全系統(tǒng)的閉環(huán)自適應控制，提速超前，降速滯后。

2 煤量識別

膠帶機動態(tài)煤量識別主要利用計算機圖像處理技術對井下膠帶機視頻進行分析、加工和處理實時獲取輸送機上的瞬時煤量，其處理流程如圖2所示。獲取膠帶機攝像機信息，如攝像儀IP、端口號、用戶名、密碼、設備開啟狀態(tài)、模板數(shù)據(jù)等，分別在系統(tǒng)上對應至每一條膠帶機，然后將采集的視頻圖像經(jīng)過圖像預處理、獲取煤流區(qū)域、煤流區(qū)域面積等處理，最后將獲取的煤流區(qū)域面積進行比對，實時計算帶式輸送機的相對瞬時煤量，并給膠帶機變頻器發(fā)送加大或者減少工作頻率輸出，達到控制膠帶機瞬時速度的目的。為驗證帶式輸送機動態(tài)煤量識別算法的實時性和準確性，在神東大柳塔煤礦大柳塔井、活雞兔井選取膠帶機滿載、半載、空載以及連采、綜采等不同情況下分別測試煤量，得到綜采順槽膠帶機煤量持續(xù)穩(wěn)定，分布波動不大，膠帶機運行穩(wěn)定；連采膠帶機煤量分布波動大，需要頻繁調(diào)節(jié)搭接膠帶機的運行頻率。

圖2 瞬時煤量識別流程

3 系統(tǒng)運行效能分析

基于視頻的帶式輸送機自動調(diào)速控制系統(tǒng)已經(jīng)在大柳塔煤礦實施，現(xiàn)已經(jīng)部署了整個礦井。為了驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性，對大柳塔煤礦活雞兔井南翼一部膠帶機數(shù)據(jù)進行長期的采集和相關分析，現(xiàn)對此膠帶機2019年10月1日—2019年11月25日取得的相關數(shù)據(jù)進行分析，分析得出2-2煤南翼1部膠帶機每日電機平均轉(zhuǎn)速主要集中在75%～90%之間，加權平均轉(zhuǎn)速為85.85%，每日平均運行時間為16.74 h，如圖3所示，降速幅度約為15%，相對的膠帶機托輥、膠帶機帶面磨損率也將降低約15%，其使用壽命也將延長15%甚至更多，大大降低了備件消耗成本和設備維修成本，而且在調(diào)速系統(tǒng)使用過程中，并未出現(xiàn)過灑煤、堆煤以及異常停機等現(xiàn)象，達到了煤礦生產(chǎn)節(jié)能降耗、降本增效的目的。

圖3 活雞兔井2-2煤南翼一部膠帶機運行情況

礦井閉環(huán)自適應優(yōu)化運輸控制系統(tǒng)實現(xiàn)了煤礦膠帶機智能變頻調(diào)速的功能，從系統(tǒng)運行情況來看，有效節(jié)約了電力能耗，減少了傳動設備磨損率，產(chǎn)生的經(jīng)濟效果明顯；在煤礦創(chuàng)新創(chuàng)效上首次采用瞬時煤量監(jiān)測方法，提高了礦井智能化水平，并在不增加運輸系統(tǒng)設備投資的前提下，提高運行負荷效率，進一步提高了煤礦生產(chǎn)能力。此套系統(tǒng)還可以為現(xiàn)有煤礦信息化提供便捷，對此系統(tǒng)現(xiàn)有的部分攝像機視頻信號、膠帶機控制設備、膠帶機上位控制系統(tǒng)、控制網(wǎng)絡均可再次利用，尤其膠帶機攝像機視頻信號可供礦井工業(yè)電視使用，實現(xiàn)了多責多能，提高了礦井信息化、智能化水平。

4 結(jié)語

煤礦井下運輸皮帶閉環(huán)自適應變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在滿足提速超前、降速滯后的同時，極大地改善了煤礦井下變頻膠帶機無法利用變頻器特性，發(fā)揮設備運行最優(yōu)性能的局面，提高煤炭生產(chǎn)運輸中的自動化水平，有效降低設備電能和損耗、延長設備壽命。同時，該系統(tǒng)具有配置靈活、成本低的特點，對降低煤礦生產(chǎn)成本具有很高的應用價值，實現(xiàn)煤炭生產(chǎn)中“節(jié)能降耗、降本增效”的目的。