李阿紅

(咸陽職業(yè)技術學院,陜西 咸陽 712000)

煤礦開采過程中,帶式輸送機是非常重要的輔助運輸裝備,具有設備結構簡單、可實現(xiàn)長距離散裝物料連續(xù)運輸?shù)缺姸鄡?yōu)勢[1]。隨著我國煤礦開采量的不斷增加,在提升煤礦開采效率的同時,如何降低成本,提升煤礦開采效能是煤礦企業(yè)急需解決的問題,也是未來發(fā)展的必然趨勢[2]。在實際煤礦開采時,受眾多方面因素影響,工作面開采的煤炭量存在很大的不均衡性,時而開采量較大,時而開采量較小[3]。在這樣的情況下,如果帶式輸送機連續(xù)以額定功率運行,必然會存在能耗浪費的問題,增加煤礦開采成本,與我國提倡的節(jié)能減排方針政策背道而馳,不利于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4]。

近年來,圖像處理技術獲得了較快發(fā)展,在工業(yè)領域有比較成熟的應用,可以將圖像處理技術引用到帶式輸送機控制系統(tǒng)上,利用圖像分析確定膠帶的輸送量,進而對其運行速度進行調節(jié),以達到降低設備能耗的效果[5]。本文以DTL120型帶式輸送機為研究對象,基于圖像處理技術設計了設備的控制系統(tǒng),并分析了能效,達到了預期效果。

1 帶式輸送機概述

1.1 設備結構及其原理

帶式輸送機整體結構簡單,特別容易實現(xiàn)集中控制,當前已經(jīng)成為煤礦領域非常重要的輸送裝備[6]。設備結構方面相對簡單,主要包括驅動電機、減速器、驅動滾筒、換向滾筒、膠帶、托輥、清掃裝置等,還包括張緊裝置。膠帶繞過驅動滾筒、換向滾筒、張緊裝置形成閉環(huán),在張緊裝置的作用下,膠帶可以與驅動滾筒和換向滾筒緊密接觸,并利用摩擦力實現(xiàn)力的傳遞[7]。

1.2 存在的問題分析

某煤礦設計生產能力為378萬t/a,工作面中使用的采煤機,其最大瞬時采煤量為650 t/h,煤礦中使用的帶式輸送機額定輸送能力為1 000 t/h。可以看出,帶式輸送機的運輸能力要比采煤機的采煤能力大很多。帶式輸送機使用的控制系統(tǒng)不具備變頻調速能力,使得設備只能按額定功率運行,出現(xiàn)了“大牛拉小車”的現(xiàn)象。設備連續(xù)處在高功率運行狀態(tài)下,而實際運輸?shù)拿禾苛肯鄬^少,造成了能源浪費現(xiàn)象,增加了企業(yè)的生產成本,不利于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[8]。因此,有必要結合實際情況,基于先進的圖像處理技術和變頻調速技術,設計設備的控制系統(tǒng),使得設備能根據(jù)實際輸送的煤炭量調節(jié)運輸速度,降低設備能耗和生產成本。

2 帶式輸送機圖像采集及其預處理

2.1 圖像采集

設計的系統(tǒng)是利用圖像識別技術分析膠帶的煤流量,因此圖像采集質量直接決定了煤流量計算的準確性,進而影響系統(tǒng)的整體性能。由于帶式輸送機在礦井工作,井下環(huán)境比較昏暗,在利用工業(yè)相機對帶式輸送機圖像進行采集時,必須進行照明以保證圖像采集的效果,且需要合理選擇照明方式[9]。目前比較常用的照明方式主要包括直接照明、背光照明、漫射照明、同軸照明和低角度照明,在對煤礦現(xiàn)場情況進行調研的基礎上,本系統(tǒng)選用直接照明方式。這種方式具備亮度高、照射范圍大等特點,適合礦井環(huán)境。帶式輸送機圖像采集及其照明方式如圖1所示。

圖1 帶式輸送機圖像采集方式Fig.1 Image acquisition method of belt conveyor

2.2 帶式輸送機圖像特征

利用工業(yè)相機采集獲得的帶式輸送機現(xiàn)場圖片如圖2所示?？梢钥闯?整體拍攝質量較好,圖片主要由3部分構成:①設備所在的現(xiàn)場環(huán)境;②設備托輥、膠帶以及機架;③膠帶上方輸送的煤炭物料。拍攝照片的主要特征表現(xiàn)為:有近一半?yún)^(qū)域為現(xiàn)場背景,只有一半?yún)^(qū)域為膠帶及其煤炭物料,煤炭物料與膠帶之間的對比度不是特別明顯。巷道背景信息屬于干擾項,在對圖片進行預處理時,需要對其進行清除。受現(xiàn)場光線影響,導致膠帶與煤炭物料的對比度不是特別明顯,需要利用圖像處理技術增強兩者之間的對比度,以便圖像處理時能準確區(qū)分,保證圖像處理精度。

圖2 帶式輸送機現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.2 On-site pictures of belt conveyors

2.3 圖像的預處理流程

圖像預處理是圖像處理技術中的基礎操作,也是非常重要的操作,作用是對圖像中的干擾項進行清除,提升圖像中的有用信息比例。常見的圖像預處理操作包括圖像分割、圖像增強以及圖像壓縮等[10]。本研究中需要對圖像進行預處理的操作及其流程如圖3所示。

圖3 圖像預處理基本步驟Fig.3 Basic steps of image preprocessing

由圖3可知,針對輸入系統(tǒng)的圖像信息,首先需要劃分感興趣的區(qū)域,將不感興趣的區(qū)域進行剔除處理,然后對感興趣的區(qū)域進行灰度化處理,再次進行濾波、對比增強以及二值化處理,本研究進行二值化處理時使用的是OTSU算法。二值化處理后的圖像為黑白圖片,其中黑色區(qū)域為煤炭資源區(qū)域,其余部分為白色。

3 基于圖像處理的帶速自動化調節(jié)

3.1 煤流量統(tǒng)計方法

在實際生產過程中,通過對落料口位置進行調整,可以確保煤炭物料處在膠帶的正中間位置,即不管是煤炭還是膠帶都呈左右對稱分布。當膠帶運輸?shù)拿禾课锪舷鄬^少時,則煤炭主要集中在膠帶中間位置,煤炭寬度相對較小。當膠帶運輸?shù)拿禾课锪舷鄬^多時,在重力作用下,煤炭會向兩側拓展,此時對應的煤炭寬度會變大。而帶式輸送機的膠帶寬度是固定值,因此可以利用煤炭寬度與膠帶寬度之間的比值(以下稱為煤寬比)來描述膠帶輸送的煤炭物料重量。煤寬比的計算原理如圖4所示。利用圖像技術處理時,煤炭寬度和膠帶寬度都通過寬度方向上像素的數(shù)量來表示,每個像素的寬度乘以像素的數(shù)量,得到煤炭或膠帶的寬度。煤寬比的計算公式如下:R=xc/xm。其中,R為煤寬比;xc和xm分別為圖片中煤炭部分和膠帶部分對應的像素數(shù)量。煤寬比越大意味著膠帶煤流量越大,需要提升運行速度,煤寬比越小意味著膠帶煤流量也較小,此時可以結合實際情況降低膠帶運行速度。

圖4 煤寬比的計算原理示意Fig.4 Schematic of calculation principle of coal width ratio

3.2 帶速與煤寬比匹配關系

正確確定膠帶運行速度與煤寬比之間的匹配關系,是本系統(tǒng)正常運行的關鍵基礎,為避免帶式輸送機運行速度頻繁調節(jié),進而影響設備運行的穩(wěn)定性,本研究將膠帶運行速度劃分成為不同的等級,系統(tǒng)對膠帶運行速度進行調節(jié)時,只在設定的幾個等級中確定一個速度運行即可,這種設置模式能在一定程度上提升帶式輸送機運行的穩(wěn)定性。同樣地,劃分不同的煤寬比區(qū)間,每個區(qū)間對應一個膠帶運行速度。

已有的研究表明,膠帶運行速度和煤炭運輸量是影響設備運行功率的重要因素。適當降低膠帶運行速度,可以減小設備的運行功率。帶式輸送機膠帶運行速度與功率之間的關系如圖5所示,圖5中,Q為煤流量,Q3最大,Q1最小。由圖5可以看出,適當降低膠帶運行速度,可以減小設備的運行功率。但降低膠帶運行速度又會帶來新的問題,比如會增加煤炭物料的線密度,增加膠帶上方煤炭的質量,從而加大膠帶的張力。運行速度與運輸煤流量不匹配,還可能引發(fā)膠帶打滑問題。所以必須科學確定帶速與煤寬比之間的匹配關系,這樣才能在保證設備運行安全的前提下,降低其運行功率,達到節(jié)能降耗的效果。

圖5 帶式輸送機膠帶運行速度與功率之間的關系Fig.5 The relationship between the operating speed and power of the belt conveyor belt

在確定膠帶速度等級時,如果膠帶速度等級過少,則達不到降低能耗的效果。如果膠帶速度等級過多,則膠帶運行時速度頻繁切換,會影響設備運行穩(wěn)定性,特別是速度切換過程必然會對其運行過程產生沖擊。本研究在充分調研的基礎上,將膠帶速度等級確定為4個,分別為高速、中速、低速和怠速,對應的運行速度分別為2.5、1.9、1.3、0.7 m/s,以上4個等級對應的變頻器輸出電壓頻率分別為50、38、26、14 Hz。根據(jù)煤寬比的定義,其計算結果在0～1內。結合實際情況同樣將其劃分成為4個區(qū)間,分別為0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～1.0,以上4個區(qū)間對應的膠帶運行速度依次為怠速、低速、中速和高速。

3.3 膠帶運行速度自動調整

帶式輸送機膠帶運行速度自動調整原理如圖6所示。由圖6可知,針對膠帶機輸送系統(tǒng),每個輸送機都設置有監(jiān)控視頻?？紤]到后續(xù)帶式輸送機的煤炭輸送量只與第1臺輸送機有關,因此只有第1臺輸送機的攝像機與帶速自動調速系統(tǒng)相連接。對第1臺帶式輸送機的圖片進行處理分析,即可判斷整個輸送系統(tǒng)的煤炭量。每臺輸送機上配備有變頻器,并且與PLC控制器進行連接。帶速自動調速系統(tǒng)根據(jù)圖像處理結果下達指令,指令通過PLC控制器下達到所有輸送機的變頻器中,變頻器根據(jù)指令輸出對應的電壓頻率,實現(xiàn)電動機輸出轉速的控制。

圖6 膠帶運行速度自動調整原理Fig.6 Schematic diagram of automatic adjustment of belt running speed

4 帶式輸送機系統(tǒng)的能效分析

4.1 能效現(xiàn)狀分析

煤礦的主運輸巷道共設置有4臺帶式輸送機,每臺設備的運輸能力均為1 000 t/s,運輸長度分別為751、273、1 242、2 163 m,4臺設備的電動機功率依次為4×160 kW、2×160 kW、4×160 kW和4×250 kW。膠帶寬度為1.2 m,額定帶速為2.5 m/s。為分析使用本文設計系統(tǒng)前帶式輸送機的能效,對4臺設備電機連續(xù)1個月時間的監(jiān)測功率進行統(tǒng)計分析,剔除異常數(shù)據(jù)以及檢修日的數(shù)據(jù),得到帶式輸送機正常情況下每天的平均運行時間為12.9 h。利用同樣的方式統(tǒng)計了帶式輸送機連續(xù)1個月內的運輸量,每天平均的運輸量為9 866 t。

使用基于圖像處理的變頻系統(tǒng)前,帶式輸送機以高功率恒速運行。對4臺設備電機的平均功率進行了統(tǒng)計,電機平均功率依次為527、265、584、879 kW。工業(yè)用電分為3個階段,分別為低谷、平段和高峰,不同階段電價存在差異,電價依次為0.415 5、0.732 1、1.1 456元/kWh,帶式輸送機運行時在上述3個階段的時間依次為5.7、3.2、4.0 h?；谝陨蠑?shù)據(jù),計算得出4臺帶式輸送機日平均消耗電量為29 089.5 kWh,平均消耗電費20 956.8元。

4.2 新系統(tǒng)的能效分析

為研究新系統(tǒng)的節(jié)能效果,將新系統(tǒng)部署到帶式輸送機工程實踐中,并挑選設備連續(xù)運行時間及輸送煤炭量與未使用系統(tǒng)前平均運行時間及輸送量相同的一天,提取相關數(shù)據(jù)進行研究分析。帶式輸送機膠帶運行速度隨時間的演變曲線如圖7所示。由圖7可知,在12.9 h的運行過程中,帶式輸送機膠帶運行速度出現(xiàn)了明顯的變化。出現(xiàn)這種情況的主要原因是本系統(tǒng)利用圖像處理技術實時分析輸送的煤流量,根據(jù)煤流量大小調節(jié)膠帶速度,以達到節(jié)能降耗的效果。圖7中數(shù)據(jù)說明,工作面在進行煤礦開采時,不同時刻開采獲得的煤炭量存在一定的差異。

圖7 帶式輸送機膠帶運行速度隨時間的演變曲線Fig.7 Evolution curve of the belt speed of the belt conveyor with time

進一步統(tǒng)計了膠帶在不同速度的累計運行時間,結果如圖8所示?？梢钥闯?帶式輸送機大部分時間以額定運行速度工作,為7.93 h。處于中速狀態(tài)的累計運行時間為3.76 h,處于怠速運行狀態(tài)的時間非常短,只有1.21 h。為計算帶式輸送機1 d消耗的電費,統(tǒng)計了設備在12.9 h運行過程中屬于不同時間段的時長。在高速運行階段,處于高峰、平段和低谷的時長分別為3.38、2.33、2.22 h;在中速運行階段,對應3個時間段的時長分別為0.62、0.18、2.96 h;在怠速運行階段,3個階段對應的時長分別為0、0.69、0.52 h。帶式輸送機處于不同運行狀態(tài)時,其消耗功率存在差異,帶式輸送機不同運行速度對應的平均功率見表1。可以看出,帶式輸送機的運行速度越高,消耗功率越大,速度越低則消耗功率越低。

表1 帶式輸送機不同運行速度對應的平均功率Tab.1 Average power corresponding to different operating speeds of the belt conveyor kW

圖8 膠帶不同速度的累計運行時間Fig.8 Cumulative running time of belt at different speeds

基于以上數(shù)據(jù),對使用新系統(tǒng)后的帶式輸送機的能效進行計算得,4臺帶式輸送機日消耗的電量24 031.6 kWh,設備日消耗電費為18 071.32元。

4.3 能效對比分析

基于以上分析可以看出,在設備運行時間及輸送煤炭量基本相同的情況下,未使用本文設計的系統(tǒng)以前,設備每天消耗的電量為29 089.5 kWh,使用本系統(tǒng)以后,同樣的設備每天消耗的電量降低到了24 031.6 kWh,電能消耗降低幅度為17.39%。使用系統(tǒng)前后,帶式輸送機每日消耗的電費分別為20 956.8元和18 071.32元,每日可以節(jié)省的電費為2 885.48元,電費的降低幅度為13.77%。假設工作面每年平均工作時間300 d,則新系統(tǒng)的投入應用,每年可以為企業(yè)節(jié)省電費86.6萬元左右。另外,系統(tǒng)的成功應用使得帶式輸送機不需要長時間高功率工作,會在一定程度上降低設備損耗,進而降低設備運行故障率,不僅能節(jié)省一定的設備維護保養(yǎng)成本,還能延長設備的使用壽命。

5 結論

以煤礦中使用的帶式輸送機為對象,基于先進的圖像處理技術和變頻技術設計了帶式輸送機的控制系統(tǒng),并將其應用到工程實踐中,分析了能效。利用工業(yè)相機在照明系統(tǒng)的作用下進行攝像,對圖像進行預處理后獲得二值圖,基于二值圖可計算煤寬比。系統(tǒng)將煤寬比劃分為4個等級,對應有4個等級的膠帶運行速度,控制系統(tǒng)可根據(jù)煤寬比區(qū)間自動調節(jié)膠帶運行速度,達到節(jié)能降耗的效果。將系統(tǒng)部署到煤礦工程實踐中,對系統(tǒng)的能效進行對比研究,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的實踐應用使得設備能耗降低了17.39%,電費降低了13.77%,每年可以為企業(yè)節(jié)省86.6萬元的電費。