選煤廠帶式輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)研究

劉劍紅

（山西焦煤能源集團(tuán)股份有限公司西銘礦選煤廠，山西 太原 030053）

西銘礦選煤廠現(xiàn)役帶式輸送機(jī)型號為TD-45，額定運(yùn)輸量500 t/h，額定功率45 kW，額定轉(zhuǎn)速1480 r/min，帶寬1000 mm，額定帶速 2.0 m/s，帶長159.5 m，帶高5.065 m，傾角8.55°。實(shí)際生產(chǎn)過程中，帶式輸送機(jī)變頻啟動并穩(wěn)定運(yùn)行后，保持工頻頻率運(yùn)行，常處于輕載或空載狀態(tài)，加劇了轉(zhuǎn)動機(jī)械部件和膠帶的機(jī)械磨損，降低了輸送機(jī)的使用壽命，嚴(yán)重阻礙了選煤廠輸煤系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1-2]。利用機(jī)器視覺技術(shù)和智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)煤流量信息的一站式感知，為帶式輸送機(jī)智能調(diào)速提供重要參考依據(jù)。

1 智能調(diào)速原理

在帶式輸送機(jī)皮帶上方安裝激光發(fā)生器和高清攝像儀，發(fā)出的激光投射于煤流表面，可獲得煤流輪廓的二維數(shù)據(jù)，每幅圖像中包含1 條激光條紋圖案。高清攝像儀實(shí)時(shí)采集包含激光條紋圖案的煤流圖像并通過以太網(wǎng)通信發(fā)送至選煤廠集控中心數(shù)據(jù)處理平臺，完成實(shí)時(shí)煤流量的分析、計(jì)算和顯示[3-4]。同時(shí)，選煤廠集控中心數(shù)據(jù)處理平臺將計(jì)算出的煤流量信息以CAN 總線通信模式傳送給智能調(diào)速控制器。在智能調(diào)速控制器內(nèi)部嵌入智能控制算法，根據(jù)煤流量信息以及變化趨勢計(jì)算實(shí)時(shí)運(yùn)行頻率，并將計(jì)算出的實(shí)時(shí)運(yùn)行頻率傳送給變頻器，控制變頻器按照該頻率驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)行，達(dá)到帶式輸送機(jī)根據(jù)煤流量信息實(shí)時(shí)智能調(diào)速的目的。選煤廠帶式輸送機(jī)智能調(diào)速原理如圖1。

圖1 選煤廠帶式輸送機(jī)智能調(diào)速原理

2 煤流量檢測方案

2.1 煤流量檢測流程

在帶式輸送機(jī)正上方距膠帶H1處安裝激光發(fā)生器，與激光發(fā)生器水平距H2處且傾角為β安裝高清攝像儀。激光發(fā)生器發(fā)射的激光投射于煤流表面形成含激光條紋的煤流圖像，高清攝像儀實(shí)時(shí)采集激光條紋煤流圖像后通過以太網(wǎng)發(fā)送至集控中心。集控中心數(shù)據(jù)處理平臺對接收到的煤流圖像進(jìn)行預(yù)處理、修補(bǔ)殘缺線條等，形成封閉的包絡(luò)曲線并計(jì)算該曲線內(nèi)的瞬時(shí)煤流量。詳細(xì)流程如圖2。

圖2 選煤廠瞬時(shí)煤流量檢測流程

2.2 煤流圖像預(yù)處理

高清攝像儀獲取的激光條紋煤流圖像亮度較高，保留激光條紋基礎(chǔ)上將煤流圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像。煤流量圖像預(yù)處理分三步[5-6]：1）提取圖像感興趣區(qū)域：濾除圖像中孤立噪聲點(diǎn)。2）閾值分割：采用最大類間方差法對煤流圖像進(jìn)行自適應(yīng)閾值確定，按照圖像的灰度特性將煤流圖像分為背景、目標(biāo)兩部分。分割后的煤流圖像保留了激光條紋圖像，還包含部分高亮光斑噪聲。利用FindContours 函數(shù)對分割后的圖像進(jìn)行輪廓外接并形成矩形圖像。3）去除異常噪聲：以矩形圖像中心位置為基準(zhǔn)，定義低于50 像素為異常光斑噪聲并濾除。

2.3 煤流量圖像斷線修補(bǔ)

煤流量圖像斷線修補(bǔ)即采用方向模板法提取煤流量圖像中的激光條紋中心線并對斷線進(jìn)行修改，達(dá)到提高煤流量檢測精度的目的[7-8]。方向模板法對煤流量圖像斷線修補(bǔ)時(shí)復(fù)雜程度適中，處理速度快，滿足帶式輸送機(jī)煤流量檢測的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性要求。

2.4 煤流量計(jì)算

煤流量圖像封閉包絡(luò)曲線內(nèi)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)與帶式輸送機(jī)額定負(fù)載時(shí)煤流量圖像封閉包絡(luò)曲線內(nèi)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)的比值定義為煤流量百分比P，則該時(shí)刻帶式輸送機(jī)的瞬時(shí)煤流量可定義為式（1）：

式中：Q為帶式輸送機(jī)的額定煤流運(yùn)輸量；Qs為帶式輸送機(jī)的瞬時(shí)煤流運(yùn)輸量。

已知西銘礦選煤廠TD-45 型帶式輸送機(jī)額定煤流運(yùn)輸量為500 t/h，煤流量圖像封閉包絡(luò)曲線內(nèi)像素點(diǎn)為90 000，時(shí)刻t時(shí)獲取的煤流量圖像封閉包絡(luò)曲線內(nèi)像素點(diǎn)為46 670，則該時(shí)刻的煤流量百分比為51.86%，瞬時(shí)煤流量為259.28 t/h，如圖3。

圖3 瞬時(shí)煤流量計(jì)算結(jié)果

3 變頻調(diào)速方案

3.1 變頻調(diào)速控制原理

為實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的實(shí)時(shí)調(diào)速，智能調(diào)速控制器根據(jù)前述計(jì)算出的瞬時(shí)煤流量輸出變頻器實(shí)時(shí)運(yùn)行頻率，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速控制原理如圖4。選煤廠集控中心數(shù)據(jù)處理平臺接收到煤流圖像后，處理、分析并計(jì)算出期望帶速。模糊控制器根據(jù)期望帶速與速度傳感器反饋的帶式輸送機(jī)實(shí)際帶速值的差值以及差值變化率調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，達(dá)到動態(tài)、智能調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)帶速的目的。定義期待帶速為V1，實(shí)時(shí)帶速為V0，最大帶速為Vmax。當(dāng)V1＞V0時(shí)減速運(yùn)行；當(dāng)V1＜V0時(shí)加速運(yùn)行；當(dāng)V1=V0時(shí)勻速運(yùn)行；當(dāng)V1＞Vmax時(shí)，觸發(fā)煤流量超限報(bào)警。

圖4 變頻調(diào)速控制原理

3.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)模糊控制器，將帶式輸送機(jī)期望帶速與實(shí)時(shí)帶速的偏差以及偏差變化率定義為模糊控制器的輸入信號，輸出信號為變頻器運(yùn)行頻率；采用模糊PID 控制器結(jié)構(gòu)后按照定義輸入/輸出模糊集、定義輸入/輸出隸屬度函數(shù)、建立模糊控制規(guī)則、模糊推理、反模糊化流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行頻率調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行帶速。

4 試驗(yàn)分析

4.1 煤流量檢測分析

以西銘礦選煤廠TD-45 型帶式輸送機(jī)為對象，進(jìn)行智能調(diào)速方案試驗(yàn)。選取帶式輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中10 個(gè)時(shí)間段的煤流量作為檢測對象，每個(gè)時(shí)間段各取1 張煤流量圖像進(jìn)行煤流量檢測；用電子秤法檢測該時(shí)間段內(nèi)煤流量并取算術(shù)平均值作為對比標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證本文中提出的煤流量檢測方法的準(zhǔn)確性。煤流量檢測結(jié)果見表1。本文中提出的煤流量檢測方案與實(shí)際值的誤差保持在5%左右，誤差平均值為4.984%，準(zhǔn)確性較高。

表1 帶式輸送機(jī)煤流量檢測數(shù)據(jù)

4.2 變頻調(diào)速分析

由選煤廠集控中心數(shù)據(jù)處理平臺處獲取的半載狀態(tài)煤流量圖像以及滿載狀態(tài)煤流量圖像如圖5 以及圖6 所示，不同煤流量時(shí)的帶速不同，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)煤流量圖像進(jìn)行智能調(diào)速。

圖5 半載狀態(tài)煤流量圖像

圖6 滿載狀態(tài)煤流量圖像

4.3 應(yīng)用效果分析

西銘礦選煤廠帶式輸送機(jī)應(yīng)用智能調(diào)速系統(tǒng)后，帶速可根據(jù)實(shí)時(shí)煤流量動態(tài)加速、減速或者恒速運(yùn)行，未發(fā)生“以大拉小”、輕載或者空載狀態(tài)，達(dá)到了智能調(diào)速的目的。帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)動機(jī)械部件的機(jī)械磨損、膠帶的打滑磨損、跑偏磨邊、縱向劃傷等情況得到了明顯改善。另外，該帶式輸送機(jī)節(jié)電效果明顯，應(yīng)用該智能調(diào)速系統(tǒng)前2021 年3 月至9 月月均消耗電量為88 957 kW·h，應(yīng)用該智能調(diào)速系統(tǒng)后2022 年3 月至9 月月均消耗電量為77 951 kW·h，節(jié)電幅度為12.37%，每月節(jié)約電量為1.1 kW·h，以0.65 元電費(fèi)計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)8.58 萬元。

5 結(jié)語

1）基于機(jī)器視覺技術(shù)獲取帶式輸送機(jī)煤流量圖像，對圖像進(jìn)行預(yù)處理、斷線修補(bǔ)，統(tǒng)計(jì)煤流量圖像封閉包絡(luò)線中的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出該時(shí)刻的瞬時(shí)煤流量。經(jīng)試驗(yàn)分析，基于該方案計(jì)算出的瞬時(shí)煤流量的誤差約5%，準(zhǔn)確性較高。

2）根據(jù)計(jì)算出的瞬時(shí)煤流量，基于模糊變頻控制技術(shù)對帶式輸送機(jī)進(jìn)行智能變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的智能調(diào)速和節(jié)能降耗。