基于激光測量的輸送機低能耗運行控制系統的研究

李 浩 楊 毅

（山東李樓煤業有限公司，山東 菏澤 274000）

帶式輸送機運輸系統是煤礦井下的核心設備，實現帶式輸送機運輸系統的節能高效運行是提高煤炭運輸經濟性、降低生產成本的重要手段之一。目前降低帶式輸送機運行能耗的手段主要包括了提高滿載率、改善控制策略、改進帶式輸送機調速裝置等手段。蔣衛良等[1]人提出采用可控啟動機構來降低帶式輸送機啟動時對電網的沖擊，同時實現對帶式輸送機運行速度的調節；董征等[2]人提出了基于機器視覺的礦用帶式輸送機自動調速系統，提出了一種非接觸式的煤量監測方法，提升了對煤量判斷的精確性。蔣衛良等[1]人提出了建立帶式輸送機的節能調速模型，并利用變頻器調速的方案，提高了對帶式輸送機運行帶速調整的精確性。

目前李樓煤業的帶式輸送機系統采用的是定速運行方案，帶式輸送機的運行經濟性極差。因此，為了提升煤礦生產經濟性，李樓煤礦機電科結合帶式輸送機的實際結構，提出了帶速-煤量匹配調速的方案。為了解決傳統電子稱重系統精度差、故障率高的不足，開發了基于激光測量的非接觸式的煤量預測系統，重點對激光測量系統安裝位置、測量原理、軟硬件結構等進行了分析，實現了在帶式輸送機上的穩定運行，同時對閉環反饋調速系統結構應用情況等進行了研究，提升了帶式輸送機的運行穩定性和可靠性。

1 帶式輸送機運輸系統結構分析

李樓煤礦帶式輸送機運輸系統主要由3 條輸送帶組成，采用逐級連續轉載的方式將不同位置的煤炭輸送到井底中央煤倉，設計輸送能力400 萬t/a。西九帶式輸送機為DTL120/210/3×250 型，帶寬1200 mm，運輸距離2140 m，傾角2.4°(或傾角范圍)，帶速4.15 m/s，輸送量2100 t/h，電動機功率3×250 kW，電壓10 kV。西大巷帶式輸送機為DSJ140/200/2×400，帶寬1400 mm，運輸距離2620 m，傾角3.7°，帶速4.15 m/s，輸送量2000 t/h，電動機功率2×400 kW，電壓1140 V。集運帶式輸送機為DTL140/230/2×710 型，帶寬1400 mm，運輸距離3180 m，傾角3.3°，帶速4.15 m/s，輸送量2300 t/h，電動機功率2×710 kW，電壓10 kV。由于煤礦在生產過程中受多種因素的影響，實際出煤量并不能完全保持恒定，而帶式輸送機均是按照4.15 m/s 的帶速運行，致使帶式輸送機長期處于低負荷運行狀態，而且運行效率低、耗電大、各轉動部件磨損較重，維護檢修工作量大，也存在一定的安全風險。李樓煤礦帶式輸送機運輸系統結構如圖1。

圖1 帶式輸送機運輸系統結構示意圖

2 變頻調速系統整體控制方案

帶式輸送機變頻調速系統的核心包括煤量監控系統和閉環調速系統。系統在工作時需要接收煤量監控系統所測定的輸送帶上煤量狀態，然后將其轉換為帶式輸送機的匹配運行帶速信號并傳遞給變頻器，由變頻器控制電動機轉速而對帶速匹配調整。帶式輸送機低功耗運行控制系統整體結構如圖2。

圖2 帶式輸送機低功耗運行控制系統結構示意圖

由圖2 可知，李樓煤礦帶式輸送機低功耗運行控制系統中包括了地面控制管理平臺、帶式輸送機輸煤量監控模塊及變頻控制模塊三個部分。在帶式輸送機運行時，由激光發射器發出激光束對輸送帶上的煤量分布情況進行監視并對煤量進行預測，然后將感知數據傳輸至地面管理中心進行帶速-煤量匹配計算；確認當前煤量狀態下的最佳運行帶速，然后將調節信號傳遞給控制裝置；經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驅動電動機轉速進行調整，滿足煤量-帶速匹配運行。

3 煤量監測系統

3.1 煤量監測難點及現狀

對帶式輸送機輸送帶上的煤量監測主要存在以下難點：

1）帶式輸送機運行速度快。帶式輸送機額定帶速4.15 m/s，輸送帶上的煤量狀態變化速率快，難以實現精確監測。

2）監測環境差。帶式輸送機巷道相對風流大、粉塵濃度大、空氣濕度大、能見度差，對監測裝置產生較大的干擾。

3）煤量分布不均。煤炭在輸送帶上隨機分布，堆積不規則，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，傳統的光源或者視覺監測設備難以對煤炭堆積輪廓進行精確測定，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測主要采用的是皮帶秤稱重和視頻成像預測的方法。皮帶秤稱重法為接觸式監測，精度較差，最大偏差甚至達到17%以上。視頻成像預測法，由于成像效果不佳，預測的準確性和及時性都不理想，難以滿足帶式輸送機運輸系統快速調控需求。

3.2 激光輔助煤流量監測

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

圖3 煤量監測裝置安裝結構示意圖

為了提高對煤炭分布情況的監測精度，將激光發射器設置到輸送帶的正上方，激光發射裝置和輸送帶的距離為1000 mm。 攝像機設置到和輸送帶縱向中心線呈45°夾角的位置上，和輸送帶的距離設置為800 mm。激光發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測的準確性。攝像機需要能夠采集到輸送帶整個寬度方向上的圖像，并將高清圖像通過以太網光纜傳輸到地面控制管理平臺，進行圖像分析和處理，自動計算出當前時刻輸送帶上的煤量分布情況。

在進行煤量監測的過程中，激光發射裝置和攝像機需要保持相對靜止的狀態，首先通過激光發射裝置進行激光條紋分割，然后提取到激光條紋中心并對其進行斷線補償[4]，把輸送帶空載狀態下的輪廓激光條紋中心線和輸送帶有煤狀態下的煤量激光條紋中心線進行疊加，獲取一個封閉的輪廓曲線，最后再根據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行速度來確定輸送帶上的煤量。非接觸式激光煤量監測流程[5]：光學系統標定→激光條紋分割→激光條紋中心提取及斷線修補→煤流量計算。

3.3 硬件結構分析

激光發射裝置和攝像機是非接觸式煤量監測系統的核心，其穩定性和可靠性直接決定了煤流量監測的準確性。煤量監測主板主要是用于對監測數據的分析，其可靠性直接決定了數據分析的速度和數據分析精確性。

由于煤炭、矸石、輸送帶的顏色都是黑色，吸光能力較強，普通的低密度光束投射到上面時會被吸收大部分，難以滿足監測可靠性的需求。因此，引入了一款高亮度半導體一字線激光發射裝置[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 遠的位置散射寬度不超過3 mm，能夠在高塵、高濕、高溫的環境下工作。攝像機主要是負責采集煤礦井下的實時煤流圖像，根據攝像機的安裝位置和使用環境，選擇了可變焦距攝像裝置，能夠根據輸送帶上煤量的分布情況進行自動調焦，提高所采集圖像的精確性。攝像機的有效像素為500 萬，焦距為2.4～13 mmF1.4，采用了自適應以太網接口[7]，其最低彩色照度可以達到0.000 7 Lux，能夠保證在不同情況下視頻圖像采集的精度。攝像機和激光發生器均采用了外部供電電源，而且有備用的穩壓電源，能夠連續穩定工作。煤量監測主板主要是用于對煤量數據分析，因此要求具備高度的集成性和高速的數據處理能力，經過分析后確認采用S7-1200 PLC[8]滿足大數據高速運算的需求。

根據實際運行統計，該非接觸式煤量監測系統對煤量的識別偏差為±1.1%，具有很高的監測精度，為實現煤量-帶速匹配運行控制奠定了基礎。

4 帶式輸送機變頻調速控制系統

4.1 變頻調速系統結構

帶式輸送機調速控制的目的主要是把運行速度和實時煤流量建立起匹配關系，實現根據輸送帶上煤流量的分布情況進行自動調速，從而滿足智能化低功耗運行控制的需求。對帶式輸送機運行速度的調節主要是將變頻器和帶式輸送機的驅動電機連接在一起[9]，然后通過改變變頻器的輸出頻率信號來改變輸送機的運行速度。李樓煤礦帶式輸送機變頻調速控制系統的整體結構如圖4。

圖4 帶式輸送機變頻調速系統結構示意圖

由圖4 可知，帶式輸送機變頻調速控制系統主要包括調速控制模塊、煤量監測模塊、環網交換機、變頻器及綜合保護裝置等。煤量監測模塊在獲取到輸送帶上的實時煤流圖像以后通過環網交換機傳輸到上位機。上位機通過預設程序對煤流圖像的數據信息自動判定當前的煤流量情況，然后根據預設的節能優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速控制裝置，控制變頻器的輸出頻率，從而對驅動電動機的轉速進行調整，滿足帶式輸送機高效運行的目的。

4.2 節能優化模型分析

帶式輸送機調速控制，其核心是根據輸送帶上的煤流量來確定運行速度，從而使帶式輸送機能夠盡量在滿載的情況下運行，提高輸送效率。分析認為輸送帶上的煤量分布和輸送帶的帶速呈線性關系，但在實際工作中發現，由于帶式輸送機的動態特性很難進行無級調速，為了避免調速時對煤流量的影響，就需要把煤流量劃分為多個不同的區間，針對性地構建帶式輸送機調速時的節能優化模型[10]。

根據李樓煤礦帶式輸送機輸送能力2100 t/h，帶速4.15 m/s 時，單位帶式輸送機長度上的負載量為140.6 kg/m。按煤流量以200 t/h 的增量進行分析，確定不同煤流量狀態下的帶式輸送機經濟運行速度。同時為了避免輸送帶帶速的頻繁調整，設計當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 的速度運行。帶速-運量匹配關系見表1。

表1 帶式輸送機運量和帶速匹配關系模型

由表1 分析可知，當輸送量小于2100 t/h，輸送帶的運行帶速會隨著輸送量的增加而加大，而當輸送量大于等于2100 t/h 時，表示已經超出了輸送帶的額定輸送能力，此時會停止帶式輸送機的運行。

5 應用情況分析

目前該帶式輸送機低功耗運行控制系統已經在李樓煤礦穩定運行了1 年，根據對改造后運行情況的統計，輸送帶的平均運行帶速由最初的4.15 m/s 降低到了目前的3.12 m/s，降低了24.8%。優化后帶式輸送機運輸系統小時電耗由最初的3940 kW·h 降低到了目前的2766 kW·h，運行能耗降低了29.8%。按每年330 d、每天工作18 h 計算，每年節省電能6 973 560 kW·h，電費按0.8 元/（kW·h）計算，每年可節約電費為557.88 萬元。

在優化前帶式輸送機在設備額定速度運行，相對輸送帶、滾筒、托輥等轉動部件的磨損量較大，平均年維護維修費用達112.4 萬元。優化后帶式輸送機運輸系統年維護維修費用降低至67.9 萬元，降低39.6%，提升了帶式輸送機的運輸效率，延長了使用壽命。

6 結論

針對李樓煤礦帶式輸送機系統采用定速運行模式能耗高、磨損大的不足，基于激光測量的非接觸式煤量監測技術，開發了變頻調速控制系統并建立了煤量-帶速精確匹配模型。控制系統可根據實際煤量對輸送帶自動調速，實現了帶式輸送機運輸系統高效、低耗、自動的功能，延長了膠帶的使用壽命，為煤礦井下帶式輸送機運輸系統自動化、智能化控制提供了實踐經驗。

根據實際應用表明：

1）基于激光輔助煤流量監測裝置，采用了非接觸式監測模式，能夠在不影響帶式輸送機運行的情況下實現對煤量分布情況的精確判斷。

2）把煤流量劃分為多個不同的區間并針對性地構建帶式輸送機帶速-煤量匹配模型，實現了對帶式輸送機運行帶速的靈活調整，同時解決了傳統控制模式帶式輸送機頻繁啟動、頻繁調整的困難。

3）低功耗運行控制系統，對煤量的識別偏差為±1.1%，能夠將輸送帶的運行速度降低24.8%，每年可節約電費557.88 萬元，帶式輸送機零件更換維修費用降低39.6%。