忻州窑煤矿带式输送机运速自适应调整及效能改善分析_张凯丽.pdf

1332023 年第 2 期张凯丽：忻州窑煤矿带式输送机运速自适应调整及效能改善分析张凯丽：忻州窑煤矿带式输送机运速自适应调整及效能改善分析收稿日期 2022-07-16作者简介 张凯丽（1994），女，山西朔州人，2018 年毕业于河南理工大学电气工程及其自动化专业，本科，助理工程师，研究方向：矿山机电。忻州窑煤矿带式输送机运速自适应调整及效能改善分析张凯丽（晋能控股集团忻州窑矿，山西 大同 037000）摘 要 为解决忻州窑煤矿带式输送机运速无法根据其运量进行实时调整导致其能耗过大的问题，以图像处理技术为基础实现运速的自适应调整控制，结合实际工况为不同范围的煤宽比匹配设计对应的带速。实践表明，输送机带速进行自适应调整控制后，平均节能效率可达 6.4%，每月节约电费约 40.9 万元。关键词 带式输送机；运速；图像处理技术；自适应调整；煤宽比中图分类号 TD63+4.1 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.047Analysis on Adaptive Speed Adjustment and Efficiency Improvement of Belt Conveyor in Xinzhouyao Coal MineZhang Kaili(Xinzhouyao Mine of Jinneng Holding Group,Shanxi Datong 037000)Abstract:In order to solve the problem that the speed of belt conveyor in Xinzhouyao Coal Mine can not be adjusted in real time according to its transport volume,which leads to excessive energy consumption,the adaptive adjustment control of transport speed is realized on the basis of image processing technology.Combined with the actual working conditions for different ranges of coal width ratio to match the corresponding belt speed.Practice shows that after the belt speed of the conveyor is self-adaptively adjusted and controlled,the average energy-saving efficiency can reach 6.4%,and the electricity bill can be saved by about 409,000 yuan per month.Key words:belt conveyor;speed;image processing technology;adaptive adjustment;coal width ratio 张凯丽：忻州窑煤矿带式输送机运速自适应调整及效能改善分析张凯丽：忻州窑煤矿带式输送机运速自适应调整及效能改善分析为解决忻州窑煤矿主巷运输系统中带式输送机的速度无法根据其实际运量进行自适应调整，导致其在空载或轻载工况的高速匀速导致电能浪费的问题，本文基于图像处理技术实现对带式输送机的匀速的自适应调整控制，最终达到节能的目的。忻州窑煤矿主巷运输系统所面临的问题定量具体分析如下：该煤矿主巷运输系统目前共配置有四台带式输送机，各级带式输送机的具体性能参数见表 1。经对忻州窑煤矿主巷运输带式输送机近一年的运输数据进行统计，目前现场四部带式输送机均是恒速运行。其中，1#带式输送机的平均功率为 527 kW，2#带式输送机的平均功率为 265 kW；3#带式输送机的平均功率为 584 kW；4#带式输送机的平均功率为 879 kW。忻州窑煤矿在正常生产期间平均每天的耗电量为（527+265+584+879）12.9 h=29 089.5 kWh。表 1 忻州窑煤矿主巷带式输送机具体性能参数编号运输长度/m装机功率/kW其他参数1#7514160输送带宽度为 1200 mm；输送带运量为 1000 t/h；额定运速为 2.5 m/s2#27321603#124241604#216342501 带式输送机运行状态的识别本文的核心研究内容之一，基于图像处理技术实现对带式输送机运行状态的识别，包括对带式输送机图像的采集和预处理两方面的内容1。图像采集的质量是实现对带式输送机运行状态1342023 年第 2 期精确实时把握的基础2。鉴于带式输送机工作场所环境相对恶劣且光线较暗，本项目采用工业相机与照明设备合理布置的方式实现对带式输送机图像高质量的采集3。照明方式的布置对图像的采集也非常关键，常见的照明方式包括直接照明、背光照明、漫射照明、同轴照明以及低角度照明4。结合忻州窑煤矿主巷现场的实际情况，同时兼顾直接照明方式具有大照射范围、高照射亮度的优势，本项目采用直接照明的方式配合工业相机实现对带式输送机图像的采集5。所布置的图像采集系统可对输送带上实时运输的煤炭、输送机的托辊、机架以及所在巷道的图像进行采集，而且所采集到的图像相对清晰。但是所采集的图像其煤炭与输送带的对比度较低，影响对输送带上煤炭的运量信息的分析。因此，需要对所采集到的图像进行预处理，消除图像中的干扰信息并强化煤炭、输送带等目标特征，为后续准确掌握输送带的实时运量奠定扎实基础6。图像预处理不作为本文的重点研究内容，此处不做赘述。2 带式输送机运速的自适应调整对采集到的带式输送机的图像进行二值化处理后，得出带式输送机的实时煤宽比参数，并根据对应的控制策略为其匹配相应的带速，从而实现了带式输送机运速的自适应调整控制。2.1 带式输送机煤宽比的计算煤宽比指的是输送带上煤炭的宽度与输送带宽度的比值7。当输送带上的煤量增加，对应的煤炭的边界会向输送带的边界逼近；当输送带的煤量减少时，对应的煤炭的边界会向输送带的中心靠拢。根据所采集到的输送带的图像将其进行二值化处理后，通过对煤炭所占的像素点和输送带的所有像素点进行统计，得出带式输送机的实时煤宽比，计算公式：R=xc/xm，式中 xc为图像中输送带左半部分煤炭所占的像素点；xm为图像中左半部分输送带所占的像素点；R 为输送带上煤炭的实时煤宽比。所采集到的图像经二值化处理并经过逆透变换，得出结果如图 1。（a）二值化处理图像 （b）逆透视变换图像图 1 逆透视处理结果如图 1 所示，设定 A 点坐标为（0,0），则 B点坐标为（350,0），C 点坐标为（0,190），D 点坐标为（350,190）。通过换算得出图 1 中的煤宽比为0.63。2.2 输送带带速与煤宽比的关系确定输送带运速与煤宽比之间的关系，是实现带式输送机带速自适应调整控制的核心。因此，实现输送带运速与煤宽比的匹配性设计是实现最终节能目的的关键。但是，当输送带的运速划分过细时容易导致电机频繁调速，从而加剧了对设备的冲击，进而影响输送机的使用寿命；而当输送带的运速划分过少时，电机的调速动作较少，其节能效果不明显。结合表 1 中带式输送机的主要技术参数，将其运速划分为四个等级，包括高速、中速、低速以及怠速8。当输送带的运量最大时，其对应的煤宽比为 0.8。各个运速所对应的电机频率及煤宽比范围见表 2。表 2 带式输送机运速与煤宽比的匹配性设计运速等级高速中速低速怠速运速绝对值/（m/s）2.51.91.30.7频率/Hz50382614煤宽比范围（0，0.2（0.2，0.4（0.4，0.6（0.6，12.3 带式输送机的调速策略为了同时兼顾带式输送机的稳定运行和节能运行的目的，本项目基于“以一调多、预先提速以及滞后降速”的原则实现对输送带运速的调整。“以一调多”指的是：鉴于给煤机直接将煤炭送至 4#带式输送机，为了避免给煤机输煤量过大而导致的输送带过载和压死的问题，4#带式输送机以2.5 m/s 恒速运行。“预先提速”指的是：通过对前一级带式输送机输送带上的运量进行检测，当检测到前一级带式输送机的运量（煤宽比）增大时，提前对下一级带式输送机的运速进行匹配性调控。“滞后降速”指的是：当检测到本级输送带上的煤宽比减小时，暂时不对其运速进行调整；当煤流到达下一级输送机后，才对本级输送带的运速进行调整。具体如图 2。如图 2 所示，当煤流到达 A 点检测到煤宽比减小，暂时不对 2#输送机的运速进行调整。当煤流从A 点到达 B 点时才对 2#输送机的运速进行控制。1352023 年第 2 期张凯丽：忻州窑煤矿带式输送机运速自适应调整及效能改善分析张凯丽：忻州窑煤矿带式输送机运速自适应调整及效能改善分析 图 2 滞后降速控制示意图3 带式输送机效能改善分析将上述设计的基于图像处理技术的带式输送机控制系统应用于忻州窑煤矿生产中，对其在 1 月内的效能改善情况进行评估，对 1 个月运行期间四级带式输送机的运速及平均功率进行统计，得出结论见表 3。表 3 基于图像处理技术带式输送机的运行状态统计运速等级高速中速怠速1#输送机平均功率/kW55337297运行时长/h8.43.70.82#输送机平均功率/kW29218569运行时长/h8.43.70.83#输送机平均功率/kW596409113运行时长/h8.43.70.84#输送机平均功率/kW87900运行时长/h12.900如表 3 所示，4#输送机为恒速运行，其他输送机根据实时运量（煤宽比）并依据调控策略对其运速进行调整控制。则可以得出对带式输送机运速根据其煤宽比进行控制后，在 1 d 内所消耗的功率为：（553+292+596）8.4+（372+185+409）3.7+（97+69+113）0.8+87912.9=27 240.9 kWh。则对应的节能效率为：（29 089.5-27 240.9）/29 089.5=6.4%。4 结语带式输送机为煤矿综采工作面的关键运输设备，忻州窑煤矿工作面运输系统所面临的关键问题为运速不能够根据其运量进行实时调控，导致运输系统时刻以恒速运行导致能耗较大。同时，考虑到基于变频调速改造的成本过高，本文以图像处理技术为基础，对不同煤宽比下设定特定的运速，进而达到节能的效果。具体总结如下：（1）根据忻州窑煤矿带式输送机的性能，将其运速分为 2.5 m/s、1.9 m/s、1.3 m/s 以及 0.7 m/s四个等级，对应的煤宽比为（0，0.2、（0.2，0.4、（0.4，0.6 和（0.6，1。（2）采用“以一调多、预先提速以及滞后降速”的原则对输送带运速进行控制；在煤宽比增大的情况下提前提高下一级输送机的运速；在煤宽比减小的情况下滞后降低本级输送机的运速。（3）实践表明，在带式输送机自适应调速控制系统的作用下，带式输送机的节能效率达到6.4%，预计每个月可平均节约 40.9 万元的电费。【参考文献】1 陶伟忠.基于视频的煤矿带式输送机自动调速控制系统 J.煤炭科学技术，2017，45（05）：28-33.2 张豪，陶建松.煤矿带式输送机变频调速系统的改造与应用 J.煤炭工程，2015，47（10）：74-76.3 王惠臣.小保当一号煤矿主斜井带式输送机智能调速电控系统设计J.煤炭工程，2021，53（06）：17-22.4 刘士栋，徐清波.变频调速技术分析及在煤矿带式输送机中的应用 J.中国煤炭，2006（03）：44-46.5 王瑾.井下胶带输送机自适应控制系统的设计 J.工矿自动化，2011，37（04）：94-96.6 张营章，李辉中.长距离带式输送机自适应车式拉紧系统设计 J.煤炭工程，2021，53（05）：173-176.7 白刚，金美花.基于 PLC 的直流带式输送机系统的自适应模糊控制J.煤炭