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)
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。
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。
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
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。
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。