劉劍紅

（山西焦煤能源集團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)役帶式輸送機型號為TD-45，額定運輸量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°。實際生產(chǎn)過程中，帶式輸送機變頻啟動并穩(wěn)定運行后，保持工頻頻率運行，常處于輕載或空載狀態(tài)，加劇了轉(zhuǎn)動機械部件和膠帶的機械磨損，降低了輸送機的使用壽命，嚴重阻礙了選煤廠輸煤系統(tǒng)的經(jīng)濟運行[1-2]。利用機器視覺技術(shù)和智能控制技術(shù)實現(xiàn)帶式輸送機煤流量信息的一站式感知，為帶式輸送機智能調(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。高清攝像儀實時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，完成實時煤流量的分析、計算和顯示[3-4]。同時，選煤廠集控中心數(shù)據(jù)處理平臺將計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算實時運行頻率，并將計算出的實時運行頻率傳送給變頻器，控制變頻器按照該頻率驅(qū)動電動機運行，達到帶式輸送機根據(jù)煤流量信息實時智能調(diào)速的目的。選煤廠帶式輸送機智能調(diào)速原理如圖1。

圖1 選煤廠帶式輸送機智能調(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，高清攝像儀實時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行預(yù)處理、修補殘缺線條等，形成封閉的包絡(luò)曲線并計算該曲線內(nèi)的瞬時煤流量。詳細流程如圖2。

圖2 選煤廠瞬時煤流量檢測流程

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。2）閾值分割：采用最大類間方差法對煤流圖像進行自適應(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，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

煤流量圖像斷線修補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行修改，達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時復(fù)雜程度適中，處理速度快，滿足帶式輸送機煤流量檢測的準確性、實時性要求。

2.4 煤流量計算

煤流量圖像封閉包絡(luò)曲線內(nèi)像素點個數(shù)與帶式輸送機額定負載時煤流量圖像封閉包絡(luò)曲線內(nèi)像素點個數(shù)的比值定義為煤流量百分比P，則該時刻帶式輸送機的瞬時煤流量可定義為式（1）：

式中：Q為帶式輸送機的額定煤流運輸量；Qs為帶式輸送機的瞬時煤流運輸量。

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

圖3 瞬時煤流量計算結(jié)果

3 變頻調(diào)速方案

3.1 變頻調(diào)速控制原理

為實現(xiàn)帶式輸送機穩(wěn)定運行狀態(tài)時的實時調(diào)速，智能調(diào)速控制器根據(jù)前述計算出的瞬時煤流量輸出變頻器實時運行頻率，進而實時調(diào)節(jié)電動機轉(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實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，達到動態(tài)、智能調(diào)節(jié)帶式輸送機帶速的目的。定義期待帶速為V1，實時帶速為V0，最大帶速為Vmax。當(dāng)V1＞V0時減速運行；當(dāng)V1＜V0時加速運行；當(dāng)V1=V0時勻速運行；當(dāng)V1＞Vmax時，觸發(fā)煤流量超限報警。

圖4 變頻調(diào)速控制原理

3.2 模糊控制器設(shè)計

設(shè)計模糊控制器，將帶式輸送機期望帶速與實時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、反模糊化流程進行設(shè)計，通過調(diào)節(jié)變頻器運行頻率調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，進而調(diào)節(jié)帶式輸送機的運行帶速。

4 試驗分析

4.1 煤流量檢測分析

以西銘礦選煤廠TD-45 型帶式輸送機為對象，進行智能調(diào)速方案試驗。選取帶式輸送機實際運行過程中10 個時間段的煤流量作為檢測對象，每個時間段各取1 張煤流量圖像進行煤流量檢測；用電子秤法檢測該時間段內(nèi)煤流量并取算術(shù)平均值作為對比標準，驗證本文中提出的煤流量檢測方法的準確性。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際值的誤差保持在5%左右，誤差平均值為4.984%，準確性較高。

表1 帶式輸送機煤流量檢測數(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，不同煤流量時的帶速不同，可實現(xiàn)根據(jù)煤流量圖像進行智能調(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應(yīng)用智能調(diào)速系統(tǒng)后，帶速可根據(jù)實時煤流量動態(tài)加速、減速或者恒速運行，未發(fā)生“以大拉小”、輕載或者空載狀態(tài)，達到了智能調(diào)速的目的。帶式輸送機運行時，轉(zhuǎn)動機械部件的機械磨損、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 元電費計算，年節(jié)約電費8.58 萬元。

5 結(jié)語

1）基于機器視覺技術(shù)獲取帶式輸送機煤流量圖像，對圖像進行預(yù)處理、斷線修補，統(tǒng)計煤流量圖像封閉包絡(luò)線中的像素點個數(shù)，進而計算出該時刻的瞬時煤流量。經(jīng)試驗分析，基于該方案計算出的瞬時煤流量的誤差約5%，準確性較高。

2）根據(jù)計算出的瞬時煤流量，基于模糊變頻控制技術(shù)對帶式輸送機進行智能變頻調(diào)速，實現(xiàn)了帶式輸送機穩(wěn)態(tài)運行時的智能調(diào)速和節(jié)能降耗。