基于激光测量的输送机低能耗运行控制系统的研究

李 浩 杨 毅

（山东李楼煤业有限公司，山东 菏泽 274000）

带式输送机运输系统是煤矿井下的核心设备，实现带式输送机运输系统的节能高效运行是提高煤炭运输经济性、降低生产成本的重要手段之一。目前降低带式输送机运行能耗的手段主要包括了提高满载率、改善控制策略、改进带式输送机调速装置等手段。蒋卫良等[1]人提出采用可控启动机构来降低带式输送机启动时对电网的冲击，同时实现对带式输送机运行速度的调节；董征等[2]人提出了基于机器视觉的矿用带式输送机自动调速系统，提出了一种非接触式的煤量监测方法，提升了对煤量判断的精确性。蒋卫良等[1]人提出了建立带式输送机的节能调速模型，并利用变频器调速的方案，提高了对带式输送机运行带速调整的精确性。

目前李楼煤业的带式输送机系统采用的是定速运行方案，带式输送机的运行经济性极差。因此，为了提升煤矿生产经济性，李楼煤矿机电科结合带式输送机的实际结构，提出了带速-煤量匹配调速的方案。为了解决传统电子称重系统精度差、故障率高的不足，开发了基于激光测量的非接触式的煤量预测系统，重点对激光测量系统安装位置、测量原理、软硬件结构等进行了分析，实现了在带式输送机上的稳定运行，同时对闭环反馈调速系统结构应用情况等进行了研究，提升了带式输送机的运行稳定性和可靠性。

1 带式输送机运输系统结构分析

李楼煤矿带式输送机运输系统主要由3 条输送带组成，采用逐级连续转载的方式将不同位置的煤炭输送到井底中央煤仓，设计输送能力400 万t/a。西九带式输送机为DTL120/210/3×250 型，带宽1200 mm，运输距离2140 m，倾角2.4°(或倾角范围)，带速4.15 m/s，输送量2100 t/h，电动机功率3×250 kW，电压10 kV。西大巷带式输送机为DSJ140/200/2×400，带宽1400 mm，运输距离2620 m，倾角3.7°，带速4.15 m/s，输送量2000 t/h，电动机功率2×400 kW，电压1140 V。集运带式输送机为DTL140/230/2×710 型，带宽1400 mm，运输距离3180 m，倾角3.3°，带速4.15 m/s，输送量2300 t/h，电动机功率2×710 kW，电压10 kV。由于煤矿在生产过程中受多种因素的影响，实际出煤量并不能完全保持恒定，而带式输送机均是按照4.15 m/s 的带速运行，致使带式输送机长期处于低负荷运行状态，而且运行效率低、耗电大、各转动部件磨损较重，维护检修工作量大，也存在一定的安全风险。李楼煤矿带式输送机运输系统结构如图1。

图1 带式输送机运输系统结构示意图

2 变频调速系统整体控制方案

带式输送机变频调速系统的核心包括煤量监控系统和闭环调速系统。系统在工作时需要接收煤量监控系统所测定的输送带上煤量状态，然后将其转换为带式输送机的匹配运行带速信号并传递给变频器，由变频器控制电动机转速而对带速匹配调整。带式输送机低功耗运行控制系统整体结构如图2。

图2 带式输送机低功耗运行控制系统结构示意图

由图2 可知，李楼煤矿带式输送机低功耗运行控制系统中包括了地面控制管理平台、带式输送机输煤量监控模块及变频控制模块三个部分。在带式输送机运行时，由激光发射器发出激光束对输送带上的煤量分布情况进行监视并对煤量进行预测，然后将感知数据传输至地面管理中心进行带速-煤量匹配计算；确认当前煤量状态下的最佳运行带速，然后将调节信号传递给控制装置；经过控制装置分析以后将信号传入变频器，由变频器对带式输送机驱动电动机转速进行调整，满足煤量-带速匹配运行。

3 煤量监测系统

3.1 煤量监测难点及现状

对带式输送机输送带上的煤量监测主要存在以下难点：

1）带式输送机运行速度快。带式输送机额定带速4.15 m/s，输送带上的煤量状态变化速率快，难以实现精确监测。

2）监测环境差。带式输送机巷道相对风流大、粉尘浓度大、空气湿度大、能见度差，对监测装置产生较大的干扰。

3）煤量分布不均。煤炭在输送带上随机分布，堆积不规则，而且煤炭的反射率低，成像效果较差。

4）煤炭和矸石的吸光能力较强，传统的光源或者视觉监测设备难以对煤炭堆积轮廓进行精确测定，不能满足对煤炭堆积情况高精度判断的需求。

目前对输送带上煤量的监测主要采用的是皮带秤称重和视频成像预测的方法。皮带秤称重法为接触式监测，精度较差，最大偏差甚至达到17%以上。视频成像预测法，由于成像效果不佳，预测的准确性和及时性都不理想，难以满足带式输送机运输系统快速调控需求。

3.2 激光辅助煤流量监测

为解决现有煤量监测精度差、故障率高的难题，提出了一种新的基于激光辅助煤流量监测装置。该装置采用了非接触式监测模式[3]，能够在不影响带式输送机运行的情况下实现对煤量分布情况的精确判断，整个装置的监测精度和可靠性均有了较大的提高。激光辅助煤流量监测装置的安装结构如图3。

图3 煤量监测装置安装结构示意图

为了提高对煤炭分布情况的监测精度，将激光发射器设置到输送带的正上方，激光发射装置和输送带的距离为1000 mm。 摄像机设置到和输送带纵向中心线呈45°夹角的位置上，和输送带的距离设置为800 mm。激光发射器的投射距离需要能够完全覆盖输送带承载断面边缘并留有一定跑偏余量，保证对煤炭分布情况监测的准确性。摄像机需要能够采集到输送带整个宽度方向上的图像，并将高清图像通过以太网光缆传输到地面控制管理平台，进行图像分析和处理，自动计算出当前时刻输送带上的煤量分布情况。

在进行煤量监测的过程中，激光发射装置和摄像机需要保持相对静止的状态，首先通过激光发射装置进行激光条纹分割，然后提取到激光条纹中心并对其进行断线补偿[4]，把输送带空载状态下的轮廓激光条纹中心线和输送带有煤状态下的煤量激光条纹中心线进行叠加，获取一个封闭的轮廓曲线，最后再根据封闭轮廓曲线面积和煤炭在输送带上的分布密度及输送带的运行速度来确定输送带上的煤量。非接触式激光煤量监测流程[5]：光学系统标定→激光条纹分割→激光条纹中心提取及断线修补→煤流量计算。

3.3 硬件结构分析

激光发射装置和摄像机是非接触式煤量监测系统的核心，其稳定性和可靠性直接决定了煤流量监测的准确性。煤量监测主板主要是用于对监测数据的分析，其可靠性直接决定了数据分析的速度和数据分析精确性。

由于煤炭、矸石、输送带的颜色都是黑色，吸光能力较强，普通的低密度光束投射到上面时会被吸收大部分，难以满足监测可靠性的需求。因此，引入了一款高亮度半导体一字线激光发射装置[6]，其工作的功率在0.5～30 mW，输出的最大工作电流为60 mA，在1 m 远的位置散射宽度不超过3 mm，能够在高尘、高湿、高温的环境下工作。摄像机主要是负责采集煤矿井下的实时煤流图像，根据摄像机的安装位置和使用环境，选择了可变焦距摄像装置，能够根据输送带上煤量的分布情况进行自动调焦，提高所采集图像的精确性。摄像机的有效像素为500 万，焦距为2.4～13 mmF1.4，采用了自适应以太网接口[7]，其最低彩色照度可以达到0.000 7 Lux，能够保证在不同情况下视频图像采集的精度。摄像机和激光发生器均采用了外部供电电源，而且有备用的稳压电源，能够连续稳定工作。煤量监测主板主要是用于对煤量数据分析，因此要求具备高度的集成性和高速的数据处理能力，经过分析后确认采用S7-1200 PLC[8]满足大数据高速运算的需求。

根据实际运行统计，该非接触式煤量监测系统对煤量的识别偏差为±1.1%，具有很高的监测精度，为实现煤量-带速匹配运行控制奠定了基础。

4 带式输送机变频调速控制系统

4.1 变频调速系统结构

带式输送机调速控制的目的主要是把运行速度和实时煤流量建立起匹配关系，实现根据输送带上煤流量的分布情况进行自动调速，从而满足智能化低功耗运行控制的需求。对带式输送机运行速度的调节主要是将变频器和带式输送机的驱动电机连接在一起[9]，然后通过改变变频器的输出频率信号来改变输送机的运行速度。李楼煤矿带式输送机变频调速控制系统的整体结构如图4。

图4 带式输送机变频调速系统结构示意图

由图4 可知，带式输送机变频调速控制系统主要包括调速控制模块、煤量监测模块、环网交换机、变频器及综合保护装置等。煤量监测模块在获取到输送带上的实时煤流图像以后通过环网交换机传输到上位机。上位机通过预设程序对煤流图像的数据信息自动判定当前的煤流量情况，然后根据预设的节能优化模型来确定输送带的期望速度，并将该速度信号传输给调速控制装置，控制变频器的输出频率，从而对驱动电动机的转速进行调整，满足带式输送机高效运行的目的。

4.2 节能优化模型分析

带式输送机调速控制，其核心是根据输送带上的煤流量来确定运行速度，从而使带式输送机能够尽量在满载的情况下运行，提高输送效率。分析认为输送带上的煤量分布和输送带的带速呈线性关系，但在实际工作中发现，由于带式输送机的动态特性很难进行无级调速，为了避免调速时对煤流量的影响，就需要把煤流量划分为多个不同的区间，针对性地构建带式输送机调速时的节能优化模型[10]。

根据李楼煤矿带式输送机输送能力2100 t/h，带速4.15 m/s 时，单位带式输送机长度上的负载量为140.6 kg/m。按煤流量以200 t/h 的增量进行分析，确定不同煤流量状态下的带式输送机经济运行速度。同时为了避免输送带带速的频繁调整，设计当输送带上的煤量低于600 t/h 后，输送带按最低带速v=800 mm/s 的速度运行。带速-运量匹配关系见表1。

表1 带式输送机运量和带速匹配关系模型

由表1 分析可知，当输送量小于2100 t/h，输送带的运行带速会随着输送量的增加而加大，而当输送量大于等于2100 t/h 时，表示已经超出了输送带的额定输送能力，此时会停止带式输送机的运行。

5 应用情况分析

目前该带式输送机低功耗运行控制系统已经在李楼煤矿稳定运行了1 年，根据对改造后运行情况的统计，输送带的平均运行带速由最初的4.15 m/s 降低到了目前的3.12 m/s，降低了24.8%。优化后带式输送机运输系统小时电耗由最初的3940 kW·h 降低到了目前的2766 kW·h，运行能耗降低了29.8%。按每年330 d、每天工作18 h 计算，每年节省电能6 973 560 kW·h，电费按0.8 元/（kW·h）计算，每年可节约电费为557.88 万元。

在优化前带式输送机在设备额定速度运行，相对输送带、滚筒、托辊等转动部件的磨损量较大，平均年维护维修费用达112.4 万元。优化后带式输送机运输系统年维护维修费用降低至67.9 万元，降低39.6%，提升了带式输送机的运输效率，延长了使用寿命。

6 结论

针对李楼煤矿带式输送机系统采用定速运行模式能耗高、磨损大的不足，基于激光测量的非接触式煤量监测技术，开发了变频调速控制系统并建立了煤量-带速精确匹配模型。控制系统可根据实际煤量对输送带自动调速，实现了带式输送机运输系统高效、低耗、自动的功能，延长了胶带的使用寿命，为煤矿井下带式输送机运输系统自动化、智能化控制提供了实践经验。

根据实际应用表明：

1）基于激光辅助煤流量监测装置，采用了非接触式监测模式，能够在不影响带式输送机运行的情况下实现对煤量分布情况的精确判断。

2）把煤流量划分为多个不同的区间并针对性地构建带式输送机带速-煤量匹配模型，实现了对带式输送机运行带速的灵活调整，同时解决了传统控制模式带式输送机频繁启动、频繁调整的困难。

3）低功耗运行控制系统，对煤量的识别偏差为±1.1%，能够将输送带的运行速度降低24.8%，每年可节约电费557.88 万元，带式输送机零件更换维修费用降低39.6%。