申鵬飛

（山西天脊潞安化工有限公司，山西 長治 047599）

山西天脊潞安化工有限公司井下帶式輸送機(jī)系統(tǒng)主要由三組帶式輸送機(jī)構(gòu)成，采用多分支、主輔結(jié)合的控制模式，主要輔助將原煤通過三組帶式輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行接力的方式轉(zhuǎn)運(yùn)到地面上的煤倉集中存放。由于帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的投入運(yùn)行較早，其主要采用了定速運(yùn)行的模式，運(yùn)行時(shí)的帶速為4.1 m/s，但由于煤礦井下綜采作業(yè)效率的波動(dòng)及井下煤炭量的逐漸減少，導(dǎo)致煤炭的采出量并不穩(wěn)定，帶式輸送機(jī)系統(tǒng)經(jīng)常處在輕載狀態(tài)下運(yùn)行，不僅使輸送帶的磨損量加劇，而且也極大地增加了帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的能耗，無法滿足煤礦精益生產(chǎn)的需求。

結(jié)合目前變頻調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展，項(xiàng)目組提出了一種煤量-帶速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方案，通過對(duì)帶式輸送機(jī)上煤炭分布情況的監(jiān)測來調(diào)整帶式輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到節(jié)能的目的。該方案以激光輔助測量煤量為核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶式輸送機(jī)上煤炭分布的動(dòng)態(tài)精確監(jiān)測。山西天脊潞安化工有限公司井下帶式輸送機(jī)分布情況如圖1。

圖1 帶式輸送機(jī)分布結(jié)構(gòu)示意圖

1 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

為了滿足帶式輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)量-帶速匹配運(yùn)行需求，需建立帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的煤量監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳遞、變頻調(diào)速及信息控制系統(tǒng)，變頻調(diào)速系統(tǒng)需滿足變頻調(diào)速裝置和帶式輸送機(jī)一對(duì)一匹配，從而能夠?qū)Ω鱾€(gè)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)[1]。帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的煤量監(jiān)測裝置不能影響帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要滿足非接觸式動(dòng)態(tài)監(jiān)測的需求。在對(duì)山西天脊潞安化工有限公司井下帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的分布和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組所提出的新的基于激光輔助測量的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2。

由圖2 可知，該帶式輸送機(jī)運(yùn)量-帶速匹配控制系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)方案，包括：（1）地面控制管理平臺(tái)模塊。主要用于顯示帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)控制人員能夠?qū)Ω鱾€(gè)帶式輸送機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，滿足緊急狀態(tài)下的控制需求。（2）帶式輸送機(jī)煤流量監(jiān)測模塊。為了滿足非接觸式的監(jiān)測需求，在帶式輸送機(jī)上側(cè)設(shè)置了激光發(fā)射裝置和攝像頭，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)帶式輸送機(jī)上的煤流情況進(jìn)行監(jiān)控，確保數(shù)據(jù)監(jiān)測的準(zhǔn)確性。（3）帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速控制模塊。主要包括控制裝置、變頻器及電動(dòng)機(jī)，控制裝置在接收到煤流量監(jiān)測裝置的煤流量信息后，發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)，控制變頻器輸出變頻信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行帶速的靈活調(diào)整。

圖2 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 激光煤流量監(jiān)測裝置

傳統(tǒng)的依靠電子秤和超聲波進(jìn)行煤量監(jiān)測的方案均存在著監(jiān)測準(zhǔn)確性差、反應(yīng)速度慢的不足，難以滿足帶式輸送機(jī)系統(tǒng)煤量-帶速動(dòng)態(tài)調(diào)控的需求。因此項(xiàng)目組提出了以激光輔助測量煤量為核心的激光煤量測量裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤流量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測和調(diào)整。為了避免煤流量監(jiān)測裝置對(duì)帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行的干擾，將以攝像機(jī)和激光發(fā)射器為核心的監(jiān)測裝置安裝在輸送帶的正上方，使激光發(fā)射裝置發(fā)出的激光束和輸送帶垂直，而且激光束的覆蓋范圍應(yīng)該包括整個(gè)輸送帶截面。攝像機(jī)設(shè)置時(shí)一般和輸送帶呈30°斜角[2]，攝像機(jī)對(duì)激光發(fā)射器照射區(qū)域進(jìn)行視頻圖像采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)光纜傳遞到控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤流量的準(zhǔn)確計(jì)算。該煤流量監(jiān)測裝置整體結(jié)構(gòu)如圖3[3]。

圖3 激光煤流量監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

為了保證煤流量監(jiān)測的準(zhǔn)確性，對(duì)數(shù)據(jù)處理邏輯進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定。視頻圖像到達(dá)控制中心后首先進(jìn)行圖像激光條紋分割，獲取激光條紋中心線并進(jìn)行區(qū)域提取，獲取煤炭在輸送帶上分布的截面積，然后再根據(jù)煤炭的密度和帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的帶速來對(duì)帶式輸送機(jī)上的煤流量情況進(jìn)行分析。根據(jù)在井下的實(shí)際驗(yàn)證，該監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)輸送帶上煤流量監(jiān)測的偏差在0.7%以內(nèi)，完全滿足煤量監(jiān)測需求。

視頻攝像裝置和激光發(fā)射裝置的工作可靠性和精度直接決定了該煤流量監(jiān)測裝置的工作穩(wěn)定性和可靠性。結(jié)合煤礦井下高塵、高濕的工作環(huán)境，所使用的激光發(fā)射裝置和視頻攝像裝置均需要滿足防爆要求，同時(shí)激光發(fā)射裝置和視頻攝像裝置需要均能夠在井下惡劣的環(huán)境中保持工作的穩(wěn)定性和視頻圖像采集的一致性[4]，避免因設(shè)備性能波動(dòng)而導(dǎo)致的監(jiān)測數(shù)據(jù)失真。視頻攝像裝置和激光發(fā)射裝置如圖4。

圖4 激光發(fā)射及視頻監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速控制

帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速控制的核心是能夠接收煤流量監(jiān)測裝置發(fā)出的煤流量變化信號(hào)，然后自動(dòng)計(jì)算所對(duì)應(yīng)的帶式輸送機(jī)最佳運(yùn)行帶速，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整。山西天脊潞安化工有限公司井下帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖5[5]。

圖5 帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)示意圖

為了滿足在煤礦井下惡劣環(huán)境中使用可靠性的需求，同時(shí)保證當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題后能夠快速更換，因此在設(shè)計(jì)時(shí)最大限度地采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路。該系統(tǒng)整體包括了：（1）煤量監(jiān)測裝置。主要用于接收煤流量變化信息。（2）傳感器模塊。主要是設(shè)置在帶式輸送機(jī)上的各類速度和溫度傳感器，主要用于對(duì)不同帶式輸送機(jī)的運(yùn)行帶速、電機(jī)溫度等進(jìn)行監(jiān)測。同時(shí)在該模塊中還設(shè)置有安全傳感器監(jiān)測功能，利用跑偏傳感器、撕裂傳感器、煙霧傳感器等對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的安全性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。（3）控制模塊是該變頻調(diào)速控制的核心，主要是對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行的參數(shù)信息進(jìn)行快速分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤量-帶速的最佳匹配，然后輸出調(diào)控信號(hào)給變頻器，控制變頻器的變頻調(diào)節(jié)信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行帶速的快速調(diào)整。

帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中各個(gè)硬件的選擇，需要在滿足使用精度的情況下最大限度地提高其工作可靠性。經(jīng)過對(duì)比，最終變頻器采用BPJ-400/660K 型[6]，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用BP400-450 隔爆變頻電機(jī)，PLC 裝置采用西門子的S7-1200 型[7]。各類傳感器均選擇帶有防爆功能的傳感器，提高在井下惡劣環(huán)境中工作的可靠性和穩(wěn)定性。

4 應(yīng)用情況分析

煤礦井下所使用的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的額定流量為2000 t/h，采用了定速運(yùn)行的模式，運(yùn)行時(shí)的帶速為4.1 m/s，帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中可承受的最大線密度為170 kg/m。為了最大限度地實(shí)現(xiàn)煤量-帶速的匹配運(yùn)行，同時(shí)又避免帶式輸送機(jī)運(yùn)行帶速的反復(fù)調(diào)節(jié)，采用了階梯狀的調(diào)速控制模式。當(dāng)帶式輸送機(jī)的煤流量大于1600 t/h 時(shí)的運(yùn)行帶速為4.1 m/s，當(dāng)帶式輸送機(jī)的煤流量大于1200 t/h、小于1600 t/h 時(shí)的運(yùn)行帶速為3 m/s，當(dāng)帶式輸送機(jī)的煤流量大于800 t/h、小于1200 t/h 時(shí)的運(yùn)行帶速為2 m/s，當(dāng)帶式輸送機(jī)的煤流量大于400 t/h、小于800 t/h 時(shí)的運(yùn)行帶速為1 m/s，當(dāng)帶式輸送機(jī)的煤流量小于400 t/h 時(shí)的運(yùn)行帶速為0.8 m/s。

根據(jù)在山西天脊潞安化工有限公司的實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)優(yōu)化后，帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過程中的平均帶速由4.1 m/s 降低到了2.51 m/s，平均帶速降低了38.6%；帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)每小時(shí)的耗電量由560 kW 降低到了395.36 kW，運(yùn)行能耗平均降低了29.4%。按煤礦每年工作300 d，每天工作20 h 計(jì)算，年節(jié)約電能987 840 kW·h，電費(fèi)按0.7 元的情況下，年節(jié)約電費(fèi)約為69.1 萬元。由于運(yùn)行帶速的降低，有效地減少了輸送帶在運(yùn)行中的磨損，提高了輸送帶的使用壽命和運(yùn)行安全性。

5 結(jié)論

針對(duì)山西天脊潞安化工有限公司井下帶式帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)多處于輕載或者空載狀態(tài)，帶式輸送機(jī)以定速運(yùn)行磨損量大、能耗高的不足，提出了一種以激光輔助測量煤量的帶式輸送機(jī)智慧化節(jié)能控制系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、整體布局、應(yīng)用現(xiàn)狀等進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

（1）帶式輸送機(jī)運(yùn)量-帶速匹配控制系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)方案，包括地面控制管理平臺(tái)模塊、煤流量監(jiān)測模塊及變頻調(diào)速控制模塊三個(gè)部分。

（2）攝像機(jī)和激光發(fā)射器安裝在輸送帶的正上方，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的非接觸式動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

（3）帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速控制的核心是能夠接收煤流量監(jiān)測裝置發(fā)出的煤流量變化信號(hào)，自動(dòng)計(jì)算所對(duì)應(yīng)的帶式輸送機(jī)最佳運(yùn)行帶速并調(diào)整。

（4）新的煤量監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測準(zhǔn)確性在0.7%以內(nèi)，將帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均帶速降低38.6%，運(yùn)行能耗降低29.4%，年節(jié)約電能約69.1 萬元。