關于帶式輸送機防跑偏系統的設計研究

李曉光

（山西煤炭進出口集團左權鑫順煤業有限公司， 山西 晉中 032699）

引言

帶式輸送機以其獨特優勢在煤礦行業得到了廣泛應用，但在使用過程中經常會發生跑偏問題，嚴重制約輸送機的工作效率[1-2]。為解決帶式輸送機在工作時的跑偏問題，很多學者開展了大量研究工作，并設計制造了一些跑偏報警裝置或糾偏裝置，這些裝置在一定程度上緩解了帶式輸送機的跑偏問題[3-4]。但這些裝置普遍基于某一種帶式輸送機設計而成，而跑偏問題是受多方面因素影響的，因此這些糾偏裝置很難適應所有型號的帶式輸送機，即當前階段的糾偏裝置在使用范圍上存在一定的局限性，使得帶式輸送機跑偏問題仍未得到徹底解決[5-6]。本文利用先進的視覺檢測技術研究了帶式輸送機防跑偏系統的設計。

1 防跑偏系統基本原理

當皮帶出現跑偏問題時，其與托輥在軸向方向會出現位置移動?；诖隧検聦崳疚脑O計的防跑偏系統主要是對托輥與皮帶在軸向方向的相對位置進行檢測，通過視覺監測系統采集位置數據信息，通過該數據信息計算皮帶的偏移量，再將跑偏量傳輸到控制系統中。控制系統接收到跑偏量數據信息后，基于設定的控制算法計算得到需要控制的量，輸出一個控制信號，控制執行機構完成皮帶糾偏動作，將皮帶糾正到正確位置。圖1 所示為帶式輸送機防跑偏系統基本原理圖。

2 防跑偏系統基本構成

本文設計的帶式輸送機防跑偏系統主要有三大部分構成，分別為在線檢測系統、控制系統以及糾偏系統，通過該系統可以實現皮帶的自動糾偏工作，避免由于皮帶跑偏問題影響采煤工作效率。

圖1 帶式輸送機防跑偏系統基本原理圖

2.1 在線皮帶位置檢測系統

本文研究對象為礦用大型帶式輸送機，利用先進的視覺檢測技術，對帶式輸送機皮帶與托輥間的相對位置進行實時在線檢測。輸送機在正常工作時，通過高清攝像機對皮帶邊緣位置進行實時取像，基于視覺檢測技術分析皮帶邊緣與托輥邊緣之間的距離，如若兩者之間的間距在系統設定的合理范圍內，則認為皮帶沒有發生跑偏；相反的，若兩者間的距離偏小或偏大，則認為皮帶發生了跑偏，并將跑偏量傳輸到控制系統中。

具體而言，視覺檢測系統在處理圖像信息時的步驟可概述如下：首先，對采集到的圖像信息實施預處理，主要是去除圖像噪聲，提升圖像質量，為后續分析做好準備工作；其次，準確定位圖像信息中的有效區域，盡可能縮小分析計算的區域范圍；最后，在目標區域范圍內，提取關鍵特征數據，計算皮帶和托輥邊緣間的距離，并與系統設定值比較分析，得到需要糾偏的具體數值。該具體數值作為偏差信號傳輸到控制系統中，作為控制的主要依據。

2.2 皮帶糾偏系統

皮帶糾偏系統由兩個級別的糾偏機構構成，分別稱為A 級機構和B 級機構。A 級糾偏機構為1 套托輥，具備兩自由度調節功能，可通過步進電機和傳動系統驅動托輥在斜面導軌中上下移動，進而使得其在水平面內發生旋轉，另外還可以通過一定的方式使托輥在豎直方向上發生旋轉。因此稱之為兩自由度糾偏，通過該糾偏機構能夠實現皮帶位置的有效調節。B 級糾偏機構為皮帶張力調整機構，共有2套，這2 套張力調整機構分別裝設在被動滾筒兩側，可以移動被動滾筒實現皮帶張力的調整。帶式輸送機在工作時通常遵循跑緊不跑松的規律，即皮帶容易朝著張力較大的一側發生跑偏。本文設計的B 級糾偏機構可以通過調節被動滾筒兩側的位置實現皮帶兩側張力大小的調節，保證皮帶在橫向方向的張力平衡，不至于因為張力不平衡而引發跑偏問題。

在實際應用中，A 級糾偏機構數量可以結合具體情況設置，如果帶式輸送機傳輸距離較長則需要多設置幾組糾偏機構。本文設計的系統中每兩個糾偏機構之間的距離為20 m。輸送機在工作時如果只是發生了皮帶的微小偏移，那么通過A 級糾偏機構就能夠快速完成糾偏任務。如果皮帶的跑偏量較大，則需要啟動B 級糾偏機構，通過兩級糾偏能夠快速糾正皮帶跑偏問題。防跑偏系統在工作時首先會啟動A 級糾偏機構，利用托輥在兩個自由度的運動，達到調整皮帶位置的目的。如果皮帶跑偏嚴重，通過A 級糾偏無法完成任務，就會啟動B 級糾偏機構，通過調整被動滾筒兩側的位置改變皮帶兩側的張緊力達到糾偏的目的。

圖2 所示為礦用大型帶式輸送機防跑偏系統結構示意圖。由A 級糾偏機構和B 級糾偏機構構成，A級糾偏機構數量由傳輸距離決定，B 級糾偏機構裝設在被動滾筒兩側實現張力的調節進而達到糾偏的目的。本系統通過多級調節能夠保證整個調節過程的穩定性、可靠性和及時性。

2.3 控制系統

圖2 帶式輸送機防跑偏系統

控制系統主要由可編程控制器進行控制，控制對象為執行機構的驅動電機，對其轉動速度和轉動時間進行精準控制。對于A 級糾偏機構，通過控制電機進而控制托輥的移動范圍和角度，實現A 級糾偏；對于B 級糾偏機構，通過控制電機，進而控制被動滾筒兩側的位置，實現B 級糾偏。圖3 所示為防跑偏裝置控制系統邏輯結構圖。通過視覺檢測技術，測量得到皮帶邊緣與托輥邊緣間的距離。需要將高清攝像機拍攝到的高清圖像實時輸送到計算機中進行圖像處理，通過一系列算法，檢測到圖像中皮帶和托輥的邊緣位置并計算它們之間的距離。將測量結果與系統設定結果進行比較分析，若超過了系統設定的范圍就會將偏移量傳輸到邏輯控制器中作為輸入量進行分析，得到一個控制量并傳輸到執行機構。根據控制量大小系統會自動決定是否需要啟動B 級糾偏機構。如果控制量較小則只需要控制A 級機構電機，進而控制托輥的兩自由度移動，如果控制量較大則需要同時對兩個級別機構的電機進行控制，使跑偏的皮帶快速回到正確位置。

圖3 防跑偏裝置控制系統邏輯結構圖

整個皮帶糾偏過程大致可劃分成為三個階段，分別為跑偏信號檢測、信號處理、皮帶糾偏。以下分別對這三個階段進行簡要介紹。跑偏信號檢測：在帶式輸送機處于非工作狀態時將皮帶調整到正確位置，利用高速攝像機拍攝圖像作為檢測標準。視覺檢測系統檢測皮帶在正常工作時的位置信息，并與標準位置信息進行比較，分析皮帶是否在正確的位置上，并將檢測結果傳輸到控制系統中。信號處理：控制系統對傳輸過來的偏移量信號進行分析。如果在皮帶縱向方向上連續200 m 范圍內出現了偏移量超過50 mm 的現象，系統判定皮帶出現了小范圍偏移，只需要啟動A 級糾偏機構。如果在縱向方向上超過200 m 出現了偏移量超過50 mm 的現象，系統會判定皮帶出現了較大偏移，需要同時啟動兩級糾偏機構。此外還需要將相關信息傳輸至上位機進行存儲。皮帶糾偏：基于分析結果，控制系統會輸出一個控制信號驅動執行機構完成各項工作，主要是對兩級糾偏機構的驅動電機進行精準控制，最終實現皮帶位置的調整，使其回到正確位置，避免出現各類故障問題。上述三個階段構成了一個完整的閉環控制系統，有嚴格的先后順序。

3 試驗測試結果分析

為了測試本文研究的防跑偏控制系統的可靠性，對其進行了相關試驗測試，圖4 所示為試驗測試結果。從圖4 中可以看出，當皮帶發生50 mm 的偏移時，該皮帶防跑偏系統在5 s 時間范圍內就將皮帶調整到了正確的位置?？梢?，該系統能夠完成皮帶糾偏任務，且具備實時性、可靠性特征，將其應用到實際中可有效防止皮帶發生跑偏問題。

4 結論

基于視覺檢測技術設計的一套皮帶防跑偏系統，可通過視覺檢測技術檢測皮帶跑偏量，利用兩級糾偏機構實現皮帶位置調節，能達到工程使用中的及時性和可靠性要求，可對皮帶跑偏現象進行快速調節。

圖4 試驗測試結果