帶式輸送機智慧化節能控制系統的應用研究

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系統主要由三組帶式輸送機構成，采用多分支、主輔結合的控制模式，主要輔助將原煤通過三組帶式輸送機系統進行接力的方式轉運到地面上的煤倉集中存放。由于帶式輸送機系統的投入運行較早，其主要采用了定速運行的模式，運行時的帶速為4.1 m/s，但由于煤礦井下綜采作業效率的波動及井下煤炭量的逐漸減少，導致煤炭的采出量并不穩定，帶式輸送機系統經常處在輕載狀態下運行，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運行時的能耗，無法滿足煤礦精益生產的需求。

結合目前變頻調節技術的發展，項目組提出了一種煤量-帶速動態調節方案，通過對帶式輸送機上煤炭分布情況的監測來調整帶式輸送機的轉速，從而達到節能的目的。該方案以激光輔助測量煤量為核心，實現了對帶式輸送機上煤炭分布的動態精確監測。山西天脊潞安化工有限公司井下帶式輸送機分布情況如圖1。

圖1 帶式輸送機分布結構示意圖

1 變頻調速控制系統

為了滿足帶式輸送機系統運量-帶速匹配運行需求，需建立帶式輸送機系統的煤量監測、數據傳遞、變頻調速及信息控制系統，變頻調速系統需滿足變頻調速裝置和帶式輸送機一對一匹配，從而能夠對各個帶式輸送機運行狀態進行獨立調節[1]。帶式輸送機系統的煤量監測裝置不能影響帶式輸送機系統的正常運行，需要滿足非接觸式動態監測的需求。在對山西天脊潞安化工有限公司井下帶式輸送機系統的分布和運行狀態進行分析的基礎上，項目組所提出的新的基于激光輔助測量的變頻調速控制系統整體結構如圖2。

由圖2 可知，該帶式輸送機運量-帶速匹配控制系統采用了模塊化設計方案，包括：（1）地面控制管理平臺模塊。主要用于顯示帶式輸送機系統中各個帶式輸送機的運行狀態，同時控制人員能夠對各個帶式輸送機進行遠程調控，滿足緊急狀態下的控制需求。（2）帶式輸送機煤流量監測模塊。為了滿足非接觸式的監測需求，在帶式輸送機上側設置了激光發射裝置和攝像頭，能夠實時對帶式輸送機上的煤流情況進行監控，確保數據監測的準確性。（3）帶式輸送機變頻調速控制模塊。主要包括控制裝置、變頻器及電動機，控制裝置在接收到煤流量監測裝置的煤流量信息后，發出調節信號，控制變頻器輸出變頻信號，進而實現對帶式輸送機運行帶速的靈活調整。

圖2 帶式輸送機節能控制系統結構示意圖

2 激光煤流量監測裝置

傳統的依靠電子秤和超聲波進行煤量監測的方案均存在著監測準確性差、反應速度慢的不足，難以滿足帶式輸送機系統煤量-帶速動態調控的需求。因此項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，實現對煤流量的動態監測和調整。為了避免煤流量監測裝置對帶式輸送機正常運行的干擾，將以攝像機和激光發射器為核心的監測裝置安裝在輸送帶的正上方，使激光發射裝置發出的激光束和輸送帶垂直，而且激光束的覆蓋范圍應該包括整個輸送帶截面。攝像機設置時一般和輸送帶呈30°斜角[2]，攝像機對激光發射器照射區域進行視頻圖像采集，然后將采集到的數據通過以太網光纜傳遞到控制中心，實現對煤流量的準確計算。該煤流量監測裝置整體結構如圖3[3]。

圖3 激光煤流量監測系統示意圖

為了保證煤流量監測的準確性，對數據處理邏輯進行了嚴格的規定。視頻圖像到達控制中心后首先進行圖像激光條紋分割，獲取激光條紋中心線并進行區域提取，獲取煤炭在輸送帶上分布的截面積，然后再根據煤炭的密度和帶式輸送機運行時的帶速來對帶式輸送機上的煤流量情況進行分析。根據在井下的實際驗證，該監測系統對輸送帶上煤流量監測的偏差在0.7%以內，完全滿足煤量監測需求。

視頻攝像裝置和激光發射裝置的工作可靠性和精度直接決定了該煤流量監測裝置的工作穩定性和可靠性。結合煤礦井下高塵、高濕的工作環境，所使用的激光發射裝置和視頻攝像裝置均需要滿足防爆要求，同時激光發射裝置和視頻攝像裝置需要均能夠在井下惡劣的環境中保持工作的穩定性和視頻圖像采集的一致性[4]，避免因設備性能波動而導致的監測數據失真。視頻攝像裝置和激光發射裝置如圖4。

圖4 激光發射及視頻監測裝置結構示意圖

3 帶式輸送機變頻調速控制

帶式輸送機變頻調速控制的核心是能夠接收煤流量監測裝置發出的煤流量變化信號，然后自動計算所對應的帶式輸送機最佳運行帶速，根據計算結果對帶式輸送機的運行速度進行調整。山西天脊潞安化工有限公司井下帶式輸送機變頻調速控制系統的整體結構如圖5[5]。

圖5 帶式輸送機變頻調速系統示意圖

為了滿足在煤礦井下惡劣環境中使用可靠性的需求，同時保證當系統出現問題后能夠快速更換，因此在設計時最大限度地采用了模塊化的設計思路。該系統整體包括了：（1）煤量監測裝置。主要用于接收煤流量變化信息。（2）傳感器模塊。主要是設置在帶式輸送機上的各類速度和溫度傳感器，主要用于對不同帶式輸送機的運行帶速、電機溫度等進行監測。同時在該模塊中還設置有安全傳感器監測功能，利用跑偏傳感器、撕裂傳感器、煙霧傳感器等對帶式輸送機運行時的安全性進行實時監測。（3）控制模塊是該變頻調速控制的核心，主要是對帶式輸送機運行的參數信息進行快速分析和處理，實現對煤量-帶速的最佳匹配，然后輸出調控信號給變頻器，控制變頻器的變頻調節信號，進而實現對帶式輸送機運行帶速的快速調整。

帶式輸送機變頻調速系統中各個硬件的選擇，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。經過對比，最終變頻器采用BPJ-400/660K 型[6]，驅動電機采用BP400-450 隔爆變頻電機，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，提高在井下惡劣環境中工作的可靠性和穩定性。

4 應用情況分析

煤礦井下所使用的帶式輸送機系統的額定流量為2000 t/h，采用了定速運行的模式，運行時的帶速為4.1 m/s，帶式輸送機運行過程中可承受的最大線密度為170 kg/m。為了最大限度地實現煤量-帶速的匹配運行，同時又避免帶式輸送機運行帶速的反復調節，采用了階梯狀的調速控制模式。當帶式輸送機的煤流量大于1600 t/h 時的運行帶速為4.1 m/s，當帶式輸送機的煤流量大于1200 t/h、小于1600 t/h 時的運行帶速為3 m/s，當帶式輸送機的煤流量大于800 t/h、小于1200 t/h 時的運行帶速為2 m/s，當帶式輸送機的煤流量大于400 t/h、小于800 t/h 時的運行帶速為1 m/s，當帶式輸送機的煤流量小于400 t/h 時的運行帶速為0.8 m/s。

根據在山西天脊潞安化工有限公司的實際應用表明，系統優化后，帶式輸送機在運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%；帶式輸送機運行時每小時的耗電量由560 kW 降低到了395.36 kW，運行能耗平均降低了29.4%。按煤礦每年工作300 d，每天工作20 h 計算，年節約電能987 840 kW·h，電費按0.7 元的情況下，年節約電費約為69.1 萬元。由于運行帶速的降低，有效地減少了輸送帶在運行中的磨損，提高了輸送帶的使用壽命和運行安全性。

5 結論

針對山西天脊潞安化工有限公司井下帶式帶式輸送機運行時多處于輕載或者空載狀態，帶式輸送機以定速運行磨損量大、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智慧化節能控制系統，對該系統的整體結構、整體布局、應用現狀等進行了分析，結果表明：

（1）帶式輸送機運量-帶速匹配控制系統采用了模塊化設計方案，包括地面控制管理平臺模塊、煤流量監測模塊及變頻調速控制模塊三個部分。

（2）攝像機和激光發射器安裝在輸送帶的正上方，實現對帶式輸送機運行時的非接觸式動態監測。

（3）帶式輸送機變頻調速控制的核心是能夠接收煤流量監測裝置發出的煤流量變化信號，自動計算所對應的帶式輸送機最佳運行帶速并調整。

（4）新的煤量監測系統監測準確性在0.7%以內，將帶式輸送機運行時的平均帶速降低38.6%，運行能耗降低29.4%，年節約電能約69.1 萬元。