李 浩 楊 毅

（山東李樓煤業(yè)有限公司，山東 菏澤 274000）

帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)是煤礦井下的核心設(shè)備，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的節(jié)能高效運(yùn)行是提高煤炭運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性、降低生產(chǎn)成本的重要手段之一。目前降低帶式輸送機(jī)運(yùn)行能耗的手段主要包括了提高滿載率、改善控制策略、改進(jìn)帶式輸送機(jī)調(diào)速裝置等手段。蔣衛(wèi)良等[1]人提出采用可控啟動(dòng)機(jī)構(gòu)來降低帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度的調(diào)節(jié)；董征等[2]人提出了基于機(jī)器視覺的礦用帶式輸送機(jī)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，提出了一種非接觸式的煤量監(jiān)測方法，提升了對煤量判斷的精確性。蔣衛(wèi)良等[1]人提出了建立帶式輸送機(jī)的節(jié)能調(diào)速模型，并利用變頻器調(diào)速的方案，提高了對帶式輸送機(jī)運(yùn)行帶速調(diào)整的精確性。

目前李樓煤業(yè)的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)采用的是定速運(yùn)行方案，帶式輸送機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性極差。因此，為了提升煤礦生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性，李樓煤礦機(jī)電科結(jié)合帶式輸送機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，提出了帶速-煤量匹配調(diào)速的方案。為了解決傳統(tǒng)電子稱重系統(tǒng)精度差、故障率高的不足，開發(fā)了基于激光測量的非接觸式的煤量預(yù)測系統(tǒng)，重點(diǎn)對激光測量系統(tǒng)安裝位置、測量原理、軟硬件結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了在帶式輸送機(jī)上的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)對閉環(huán)反饋調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用情況等進(jìn)行了研究，提升了帶式輸送機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。

1 帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

李樓煤礦帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)主要由3 條輸送帶組成，采用逐級連續(xù)轉(zhuǎn)載的方式將不同位置的煤炭輸送到井底中央煤倉，設(shè)計(jì)輸送能力400 萬t/a。西九帶式輸送機(jī)為DTL120/210/3×250 型，帶寬1200 mm，運(yùn)輸距離2140 m，傾角2.4°(或傾角范圍)，帶速4.15 m/s，輸送量2100 t/h，電動(dòng)機(jī)功率3×250 kW，電壓10 kV。西大巷帶式輸送機(jī)為DSJ140/200/2×400，帶寬1400 mm，運(yùn)輸距離2620 m，傾角3.7°，帶速4.15 m/s，輸送量2000 t/h，電動(dòng)機(jī)功率2×400 kW，電壓1140 V。集運(yùn)帶式輸送機(jī)為DTL140/230/2×710 型，帶寬1400 mm，運(yùn)輸距離3180 m，傾角3.3°，帶速4.15 m/s，輸送量2300 t/h，電動(dòng)機(jī)功率2×710 kW，電壓10 kV。由于煤礦在生產(chǎn)過程中受多種因素的影響，實(shí)際出煤量并不能完全保持恒定，而帶式輸送機(jī)均是按照4.15 m/s 的帶速運(yùn)行，致使帶式輸送機(jī)長期處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，而且運(yùn)行效率低、耗電大、各轉(zhuǎn)動(dòng)部件磨損較重，維護(hù)檢修工作量大，也存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。李樓煤礦帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)整體控制方案

帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心包括煤量監(jiān)控系統(tǒng)和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)在工作時(shí)需要接收煤量監(jiān)控系統(tǒng)所測定的輸送帶上煤量狀態(tài)，然后將其轉(zhuǎn)換為帶式輸送機(jī)的匹配運(yùn)行帶速信號并傳遞給變頻器，由變頻器控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速而對帶速匹配調(diào)整。帶式輸送機(jī)低功耗運(yùn)行控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 帶式輸送機(jī)低功耗運(yùn)行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 可知，李樓煤礦帶式輸送機(jī)低功耗運(yùn)行控制系統(tǒng)中包括了地面控制管理平臺、帶式輸送機(jī)輸煤量監(jiān)控模塊及變頻控制模塊三個(gè)部分。在帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，由激光發(fā)射器發(fā)出激光束對輸送帶上的煤量分布情況進(jìn)行監(jiān)視并對煤量進(jìn)行預(yù)測，然后將感知數(shù)據(jù)傳輸至地面管理中心進(jìn)行帶速-煤量匹配計(jì)算；確認(rèn)當(dāng)前煤量狀態(tài)下的最佳運(yùn)行帶速，然后將調(diào)節(jié)信號傳遞給控制裝置；經(jīng)過控制裝置分析以后將信號傳入變頻器，由變頻器對帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，滿足煤量-帶速匹配運(yùn)行。

3 煤量監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 煤量監(jiān)測難點(diǎn)及現(xiàn)狀

對帶式輸送機(jī)輸送帶上的煤量監(jiān)測主要存在以下難點(diǎn)：

1）帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度快。帶式輸送機(jī)額定帶速4.15 m/s，輸送帶上的煤量狀態(tài)變化速率快，難以實(shí)現(xiàn)精確監(jiān)測。

2）監(jiān)測環(huán)境差。帶式輸送機(jī)巷道相對風(fēng)流大、粉塵濃度大、空氣濕度大、能見度差，對監(jiān)測裝置產(chǎn)生較大的干擾。

3）煤量分布不均。煤炭在輸送帶上隨機(jī)分布，堆積不規(guī)則，而且煤炭的反射率低，成像效果較差。

4）煤炭和矸石的吸光能力較強(qiáng)，傳統(tǒng)的光源或者視覺監(jiān)測設(shè)備難以對煤炭堆積輪廓進(jìn)行精確測定，不能滿足對煤炭堆積情況高精度判斷的需求。

目前對輸送帶上煤量的監(jiān)測主要采用的是皮帶秤稱重和視頻成像預(yù)測的方法。皮帶秤稱重法為接觸式監(jiān)測，精度較差，最大偏差甚至達(dá)到17%以上。視頻成像預(yù)測法，由于成像效果不佳，預(yù)測的準(zhǔn)確性和及時(shí)性都不理想，難以滿足帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)快速調(diào)控需求。

3.2 激光輔助煤流量監(jiān)測

為解決現(xiàn)有煤量監(jiān)測精度差、故障率高的難題，提出了一種新的基于激光輔助煤流量監(jiān)測裝置。該裝置采用了非接觸式監(jiān)測模式[3]，能夠在不影響帶式輸送機(jī)運(yùn)行的情況下實(shí)現(xiàn)對煤量分布情況的精確判斷，整個(gè)裝置的監(jiān)測精度和可靠性均有了較大的提高。激光輔助煤流量監(jiān)測裝置的安裝結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 煤量監(jiān)測裝置安裝結(jié)構(gòu)示意圖

為了提高對煤炭分布情況的監(jiān)測精度，將激光發(fā)射器設(shè)置到輸送帶的正上方，激光發(fā)射裝置和輸送帶的距離為1000 mm。 攝像機(jī)設(shè)置到和輸送帶縱向中心線呈45°夾角的位置上，和輸送帶的距離設(shè)置為800 mm。激光發(fā)射器的投射距離需要能夠完全覆蓋輸送帶承載斷面邊緣并留有一定跑偏余量，保證對煤炭分布情況監(jiān)測的準(zhǔn)確性。攝像機(jī)需要能夠采集到輸送帶整個(gè)寬度方向上的圖像，并將高清圖像通過以太網(wǎng)光纜傳輸?shù)降孛婵刂乒芾砥脚_，進(jìn)行圖像分析和處理，自動(dòng)計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻輸送帶上的煤量分布情況。

在進(jìn)行煤量監(jiān)測的過程中，激光發(fā)射裝置和攝像機(jī)需要保持相對靜止的狀態(tài)，首先通過激光發(fā)射裝置進(jìn)行激光條紋分割，然后提取到激光條紋中心并對其進(jìn)行斷線補(bǔ)償[4]，把輸送帶空載狀態(tài)下的輪廓激光條紋中心線和輸送帶有煤狀態(tài)下的煤量激光條紋中心線進(jìn)行疊加，獲取一個(gè)封閉的輪廓曲線，最后再根據(jù)封閉輪廓曲線面積和煤炭在輸送帶上的分布密度及輸送帶的運(yùn)行速度來確定輸送帶上的煤量。非接觸式激光煤量監(jiān)測流程[5]：光學(xué)系統(tǒng)標(biāo)定→激光條紋分割→激光條紋中心提取及斷線修補(bǔ)→煤流量計(jì)算。

3.3 硬件結(jié)構(gòu)分析

激光發(fā)射裝置和攝像機(jī)是非接觸式煤量監(jiān)測系統(tǒng)的核心，其穩(wěn)定性和可靠性直接決定了煤流量監(jiān)測的準(zhǔn)確性。煤量監(jiān)測主板主要是用于對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，其可靠性直接決定了數(shù)據(jù)分析的速度和數(shù)據(jù)分析精確性。

由于煤炭、矸石、輸送帶的顏色都是黑色，吸光能力較強(qiáng)，普通的低密度光束投射到上面時(shí)會(huì)被吸收大部分，難以滿足監(jiān)測可靠性的需求。因此，引入了一款高亮度半導(dǎo)體一字線激光發(fā)射裝置[6]，其工作的功率在0.5～30 mW，輸出的最大工作電流為60 mA，在1 m 遠(yuǎn)的位置散射寬度不超過3 mm，能夠在高塵、高濕、高溫的環(huán)境下工作。攝像機(jī)主要是負(fù)責(zé)采集煤礦井下的實(shí)時(shí)煤流圖像，根據(jù)攝像機(jī)的安裝位置和使用環(huán)境，選擇了可變焦距攝像裝置，能夠根據(jù)輸送帶上煤量的分布情況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦，提高所采集圖像的精確性。攝像機(jī)的有效像素為500 萬，焦距為2.4～13 mmF1.4，采用了自適應(yīng)以太網(wǎng)接口[7]，其最低彩色照度可以達(dá)到0.000 7 Lux，能夠保證在不同情況下視頻圖像采集的精度。攝像機(jī)和激光發(fā)生器均采用了外部供電電源，而且有備用的穩(wěn)壓電源，能夠連續(xù)穩(wěn)定工作。煤量監(jiān)測主板主要是用于對煤量數(shù)據(jù)分析，因此要求具備高度的集成性和高速的數(shù)據(jù)處理能力，經(jīng)過分析后確認(rèn)采用S7-1200 PLC[8]滿足大數(shù)據(jù)高速運(yùn)算的需求。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，該非接觸式煤量監(jiān)測系統(tǒng)對煤量的識別偏差為±1.1%，具有很高的監(jiān)測精度，為實(shí)現(xiàn)煤量-帶速匹配運(yùn)行控制奠定了基礎(chǔ)。

4 帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

4.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)調(diào)速控制的目的主要是把運(yùn)行速度和實(shí)時(shí)煤流量建立起匹配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)根據(jù)輸送帶上煤流量的分布情況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)速，從而滿足智能化低功耗運(yùn)行控制的需求。對帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度的調(diào)節(jié)主要是將變頻器和帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接在一起[9]，然后通過改變變頻器的輸出頻率信號來改變輸送機(jī)的運(yùn)行速度。李樓煤礦帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖4 可知，帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要包括調(diào)速控制模塊、煤量監(jiān)測模塊、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、變頻器及綜合保護(hù)裝置等。煤量監(jiān)測模塊在獲取到輸送帶上的實(shí)時(shí)煤流圖像以后通過環(huán)網(wǎng)交換機(jī)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)通過預(yù)設(shè)程序?qū)γ毫鲌D像的數(shù)據(jù)信息自動(dòng)判定當(dāng)前的煤流量情況，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的節(jié)能優(yōu)化模型來確定輸送帶的期望速度，并將該速度信號傳輸給調(diào)速控制裝置，控制變頻器的輸出頻率，從而對驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，滿足帶式輸送機(jī)高效運(yùn)行的目的。

4.2 節(jié)能優(yōu)化模型分析

帶式輸送機(jī)調(diào)速控制，其核心是根據(jù)輸送帶上的煤流量來確定運(yùn)行速度，從而使帶式輸送機(jī)能夠盡量在滿載的情況下運(yùn)行，提高輸送效率。分析認(rèn)為輸送帶上的煤量分布和輸送帶的帶速呈線性關(guān)系，但在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，由于帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性很難進(jìn)行無級調(diào)速，為了避免調(diào)速時(shí)對煤流量的影響，就需要把煤流量劃分為多個(gè)不同的區(qū)間，針對性地構(gòu)建帶式輸送機(jī)調(diào)速時(shí)的節(jié)能優(yōu)化模型[10]。

根據(jù)李樓煤礦帶式輸送機(jī)輸送能力2100 t/h，帶速4.15 m/s 時(shí)，單位帶式輸送機(jī)長度上的負(fù)載量為140.6 kg/m。按煤流量以200 t/h 的增量進(jìn)行分析，確定不同煤流量狀態(tài)下的帶式輸送機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行速度。同時(shí)為了避免輸送帶帶速的頻繁調(diào)整，設(shè)計(jì)當(dāng)輸送帶上的煤量低于600 t/h 后，輸送帶按最低帶速v=800 mm/s 的速度運(yùn)行。帶速-運(yùn)量匹配關(guān)系見表1。

表1 帶式輸送機(jī)運(yùn)量和帶速匹配關(guān)系模型

由表1 分析可知，當(dāng)輸送量小于2100 t/h，輸送帶的運(yùn)行帶速會(huì)隨著輸送量的增加而加大，而當(dāng)輸送量大于等于2100 t/h 時(shí)，表示已經(jīng)超出了輸送帶的額定輸送能力，此時(shí)會(huì)停止帶式輸送機(jī)的運(yùn)行。

5 應(yīng)用情況分析

目前該帶式輸送機(jī)低功耗運(yùn)行控制系統(tǒng)已經(jīng)在李樓煤礦穩(wěn)定運(yùn)行了1 年，根據(jù)對改造后運(yùn)行情況的統(tǒng)計(jì)，輸送帶的平均運(yùn)行帶速由最初的4.15 m/s 降低到了目前的3.12 m/s，降低了24.8%。優(yōu)化后帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)小時(shí)電耗由最初的3940 kW·h 降低到了目前的2766 kW·h，運(yùn)行能耗降低了29.8%。按每年330 d、每天工作18 h 計(jì)算，每年節(jié)省電能6 973 560 kW·h，電費(fèi)按0.8 元/（kW·h）計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)為557.88 萬元。

在優(yōu)化前帶式輸送機(jī)在設(shè)備額定速度運(yùn)行，相對輸送帶、滾筒、托輥等轉(zhuǎn)動(dòng)部件的磨損量較大，平均年維護(hù)維修費(fèi)用達(dá)112.4 萬元。優(yōu)化后帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)年維護(hù)維修費(fèi)用降低至67.9 萬元，降低39.6%，提升了帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸效率，延長了使用壽命。

6 結(jié)論

針對李樓煤礦帶式輸送機(jī)系統(tǒng)采用定速運(yùn)行模式能耗高、磨損大的不足，基于激光測量的非接觸式煤量監(jiān)測技術(shù)，開發(fā)了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)并建立了煤量-帶速精確匹配模型?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)實(shí)際煤量對輸送帶自動(dòng)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)高效、低耗、自動(dòng)的功能，延長了膠帶的使用壽命，為煤礦井下帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化控制提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）基于激光輔助煤流量監(jiān)測裝置，采用了非接觸式監(jiān)測模式，能夠在不影響帶式輸送機(jī)運(yùn)行的情況下實(shí)現(xiàn)對煤量分布情況的精確判斷。

2）把煤流量劃分為多個(gè)不同的區(qū)間并針對性地構(gòu)建帶式輸送機(jī)帶速-煤量匹配模型，實(shí)現(xiàn)了對帶式輸送機(jī)運(yùn)行帶速的靈活調(diào)整，同時(shí)解決了傳統(tǒng)控制模式帶式輸送機(jī)頻繁啟動(dòng)、頻繁調(diào)整的困難。

3）低功耗運(yùn)行控制系統(tǒng)，對煤量的識別偏差為±1.1%，能夠?qū)⑤斔蛶У倪\(yùn)行速度降低24.8%，每年可節(jié)約電費(fèi)557.88 萬元，帶式輸送機(jī)零件更換維修費(fèi)用降低39.6%。