基于物料體積檢測算法的煤礦運輸自動調速系統研究

文/魏忠奎

帶式輸送機是一種連續運輸，能耗小、運量大、便于搭接的運輸設備，大規模應用在煤礦井下、井上生產中。在實際生產中，由于前端采煤工況的變化，導致整個后方的運輸系統不能有效、全負荷地運輸煤炭，整個煤炭運輸系統部分或整體運輸皮帶出現全功率、低負荷運行，大大降低了設備使用效率，造成能源浪費、人員配置冗余、皮帶空載磨損損耗增大的問題。

為有效解決上述問題，提出了帶式輸送機煤量檢測技術與順煤流方向啟停車控制邏輯，運用體積積分原理與曲線擬合方式，搭配紅外激光等硬件設備輔助，實現瞬時煤流量與預測煤量的科學計算并將煤流量數據化，通過實時檢測皮帶運行狀態和連續性煤炭的動態數據，實施綜合控制，達到自動調速，實現煤礦主運系統的一體化、無人化，達到計量精準、響應及時的效果。

一、智能煤流檢測控制裝置算法與控制邏輯設計

煤礦運輸自動化系統是指運輸系統可以由一個系統對所有設備進行監測、控制、管理的系統，由設備控制子系統與軟件子系統兩部分組成。本文提出的智能煤流檢測算法解決了傳統硬件部分監測不及時、連續煤量動態數據無法量化等問題。軟件系統搭配了本文提出的調速邏輯，對硬件系統提供的檢測數據進行科學判斷并及時做出控制響應。軟硬件系統相互協調，實現了煤礦運輸系統煤流檢測與自動調速功能，達到運輸系統智能分析，減人增效的目的。

1．智能煤流檢測算法思想

智能檢測算法采用剖面輪廓曲線擬合、復變函數與積分公式、不規則面積采用數值法近似規則圖形算法對輸送機上連續煤炭進行物料計算。通過高頻率采集皮帶機上的物料輪廓，結合皮帶實時速度計算出需要的采樣截面積，然后依據單位時間內的運輸皮帶位移結合積分公式計算出皮帶上的瞬時煤量。2D激光掃描器用于運輸機煤量并在規定的時間內建立掃描表面的縱向剖面，如圖1所示。

圖1 皮帶煤量掃描剖面示意圖

圖1 中，最高點H代表物料最高點，剖面面積設為S，皮帶下托輥長度為b，皮帶載料有效寬度為a，側托輥與皮帶下托輥夾角為a，而實際生產中，物料自然平鋪，可以將掃描截面看成一個梯形。計算公式如下：

其中，截面積S按以下公式計算：

公式優化后：

皮帶實時速度為V，2 D激光傳感器的掃描頻率為K，煤的比重為ρ，截面煤量為M，截面煤量瞬時t內皮帶累計檢測出的煤量為Ta，則瞬時煤量為：

然后，對皮帶單位小時內的動態煤流量進行預測計算。在實際生產應用時，規定每一個瞬時煤量的采樣時間點t，而ti時間段內的煤量為Ty。

根據以上數據能夠近似得出單位小時內的預測煤流量：

通過上面的運算公式，可以準確地計算出運輸機瞬時煤量和皮帶單位小時的預測煤流量。

2．系統控制邏輯設計

（1）啟停車邏輯設計。2D激光器實時掃描運輸皮帶的煤量分布，動態更新單位小時內預測煤量。皮帶開車時，在煤量檢測下可以進行順煤流方向啟車與逆煤流停車。

當主運輸子系統內的運輸皮帶空載且工作區域運輸皮帶有一定煤量時，首先啟動工作面區域內皮帶，然后根據皮帶煤量預測數據與皮帶實時數據通過計算得出煤流到達工作面區域運輸機機頭的時間。當時間小于設定值t時，將主運輸系統內的所有設備按預測時間順序啟動，以達到順煤流啟動的目的。

在生產時系統中某部輸送機出現突然停車時處理方式如下：在重新啟動本輸送機時，根據停車類型記錄信息，判斷上次是否為故障停車，如果是，則采用反向煤流啟車方式，避免出現埋機頭情況發生。

（2）依據煤量的調速邏輯設計。輸送機皮帶智能調速，需要結合整個運輸系統內所有皮帶預測煤流量和瞬時煤量的數據，通過綜合分析來判斷以防堆煤，從而調整各個皮帶的運行速度和調速時間窗口。調速流程如圖2所示。

圖2 皮帶調速功能實現示意圖

由激光器掃描數據通過曲線擬合建立掃描剖面圖形，在通過數值法或者積分公式近似或分割剖面圖形，計算出剖面面積，結合當時皮帶速度，積分剖面面積即可得出瞬時煤量，通過對瞬時煤量的時間轉化即可得出單位小時內的預測煤量。將預規定時間內預測煤流量與輸送機設計最大載荷做實時對比，得出的百分比定位為速比變量，用S表示。根據S值再結合預測煤流量的變化趨勢可以確認輸送機的理論運行速度，定義為T。如果理論速度T小于當前輸送機運行速度，則用理論速度與實際運行速度的比值作為降速系數，結合降速時間做線性降速；如果理論速度大于當前輸送機運行速度，則直接通過通訊將需要速度值寫入變頻或通過PLC可編程控制箱4～20ma模擬量輸出端口驅動變頻器調節速度，瞬間提高速度，立即響應運煤需求。

3．軟件架構設計

煤流量檢測調速系統軟件作為煤礦運輸自動化系統中的一部分，所有數據允許系統控制主機直接調用。區域控制主站通過以太網方式接收和上傳相應數據至煤礦運輸自動化系統主機，運輸自動化系統主機做整體速度控制。

煤礦運輸自動化系統上位機采用西門子WINCC軟件開發，系統功能架構由初始化參數設定、啟/停設備邏輯處理、設備故障記錄、人機交互以及外圍傳感檢測接入和通用協議五部分組成。

二、軟硬件系統的具體實現

煤量檢測裝置由2D激光發生掃描裝置、速度傳感器、可編程控制箱、隔爆計算機、龍門架等硬件組成。本技術方案僅對前三部分的硬件設計及功能實現進行介紹。

1．硬件系統的具體實現

（1）煤量檢測裝置的電氣構成。其中，超2D紅外激光掃描負責對傳送帶上的煤量進行頂部分布輪廓掃描。速度傳感器進行實時速度檢測。監測控制器負責在線建模并計算掃描結果，然后將計算結果傳送到本部皮帶的可編程控制箱，可編程控制箱通過profinet網絡總線協議與系統上位機進行數據交換，上位機為系統遠程監控與數據記錄最高級控制層級。

（2）速度傳感器的實現。目前速度傳感器設計方案有霍爾感應高速計數測量與編碼器測量兩種方式?；魻枡z測方式是基于霍爾效應原理。

旋轉編碼器的測速是采用現有的穩定性好、精度高的旋轉編碼器，經過加強防護外殼，安裝于下層皮帶上，編碼器與貫通式滾筒通過柔性連接方式連接。編碼器的高速信號直接送至PLC可編程控制箱，通過PLC高速計數完成速度采集。

在本設計的煤流檢測裝置中，速度傳感器設計采用的是直徑為15cm的滾筒。通過撥碼開關設置，選擇輸出的信號是4～20ma的模擬量或者開關量。不同皮帶工況采用不同的安裝支架。通過對測速輪軸承型號以及礦用大多數皮帶調研，最終設計測試裝置測速范圍為0～5m/s，對應4～20mA的模擬量數據輸出。

（3）激光掃描器設計。煤流識別檢測裝置主要應用于井下運輸大巷具有變頻裝置的運輸皮帶，以及主斜井強力皮帶或者具有變頻驅動的順槽皮帶，現場環境通常粉塵較大，地上泥水較多，尤其具有噴霧抑塵的礦井，環境中具有較多的粘性懸浮顆粒雜物，對激光掃描窗口具有很強的附著力和污染力。故在設計時應考慮持續除塵清潔，并且除塵裝置的設計要充分考慮煤流識別的實時性，要求在除塵過程中不得干涉2D激光掃描建模。

2.軟件系統設計與實現

（1）檢測控制器的軟件設計。煤流檢測控制裝置有三個功能：信號采集處理計算、數據協議轉化、檢測數據輸出。檢測數據輸出包括初始化數據參數設定和數據上傳。三者之間相互數據共享，設計上比較復雜，為使程序運行更加流暢，考慮實際使用的廣泛性，軟件基于Windows系統運行。

應用層功能主要是完成被檢測設備煤量零點標定、固化運行數據和實時變更測量數據；軟件功能層負責檢測數據的計算和結構輸出，軟件驅動層實現與硬件設備建立通訊鏈路完成數據交互，是監測裝置的物理接口。

應用程序對軟件整體進行配置，采用時間中斷，中斷時間為1s。有五個功能，最重要的是建立與另外層級的關聯，建立連接之后對任務運行頻率使用情況進行統計。參數讀寫部分作為獨立的架構，負責對外提供接口。煤流識別控制器對外只提供工程量如皮帶瞬時、每小時預測流量、皮帶速度等，不提供中間計算變量。

（2）2D建模軟件設計。由2D建模以及煤流識別的軟件HMI單元、掃描輪廓數據處理單元以及模擬量工程數值輸出單元組成。由于程序主要是基于單個激光掃描器，所以用工控板的循環設計方式。程序中物料掃描建模計算做時間中斷重復調用，其他單元作為時間中斷處理任務。優先級低的中斷為TO中斷，負責產生1s為時基的時間中斷，并完成對各需要進行改動的數據進行置位和清零。

2D掃描建模數據采樣部分為中斷時的掃描數據，在進入中斷后，首先對上次接受數據進行清零處理，根據新的數據進行截面建模，通過擬合曲線以及計算原理，運算得出本次中斷所采集的煤量。與上一次結構進行對比，如果數據結果變化較大，則將本次數據與上次數據同時存入數據暫存區，進行下一次的中斷數據采集運算，同樣與前兩次數據進行對比；如果與上次數據相差不大，則進入煤量上升趨勢監測；如果與上次數據出入較大、與前一次數據相差不大則視為皮帶運輸線上偶爾的大塊物料，最后中斷返回。

三、實例分析

1．使用場所

山東能源棗礦集團田陳煤礦洗煤廠原煤121皮帶。皮帶寬度800mm，皮帶長度44m。皮帶設計運量220t/h。

2．精確度驗證方式

與皮帶動態衡進行數據比對。煤流檢測裝置測試單位為“m3/h”，而皮帶稱（動態衡）測量單位為“t/h”，所以中間存在一個數據轉化系統數。

洗煤廠洗煤介質密度為“1.45g/mL”，根據洗煤流程，以及洗煤廠化驗室提供數據，原煤密度取“1.38g/cm3”進行數據測試對比。

通過一周的運行以及數據對比，在密度平均前提下，煤流體積測試綜合精度為94%（以皮帶衡數據為對比）。

應用于調速設備的測量通常滿足90%精度即可。通過煤流檢測，完全可以應用于大運輸量、大功率的需要調速控制的皮帶運輸場合。

四、結語

本文提出了皮帶煤流檢測算法與控制邏輯，有效解決了煤流量計算不準確等問題，根據此算法設計的系統應用于現場工作期間，運行穩定可靠，有效減少了皮帶空載時間，減少了能源消耗，降低了礦井安全事故率，節約了企業生產成本，因此具有較好的社會效益與經濟效益。