带式输送机煤流检测系统设计及其应用研究

张 宇

（山西潞安环保能源开发股份有限公司， 山西 长治 046000）

0 引言

煤炭作为我国的主要能源之一，其生产流程有采掘、支护和运输等，而带式输送机又是煤炭开采中不可或缺的重要运输设备。相比于其他输送设备，带式输送机具有输送距离大、输送量大及运行稳定等特点，其运行性能直接决定着煤矿的经济效益[1]。带式输送机是将输送带作为牵引和承载机构的输送装置，其工作原理是利用张紧装置为系统提供所需的张力，并驱动电机将电能转为机械能，驱动滚筒使输送带运行，将物料从输送带的一端输送到另一端，从而完成煤料运输过程[2]。由于带式输送机体积大且电机驱动，在运行中会消耗大量的电能，此外，在煤炭实际开采中，煤炭开采量是随时变化的，且是非线性随机变化，而大部分输送机又不能依据实际煤流量来实时控制带速，造成输送机出现“大马拉小车”的现象[3]，不仅浪费了能源，而且增加了输送机的损耗，缩短了其使用寿命。因此，本文设计带式输送机煤流检测系统，该系统不仅能够实时检测煤流量，而且可根据煤流量实时调节输送机带速，节能效果显著。

1 煤流检测系统设计

1.1 整体架构

带式输送机煤流检测系统的整体架构组成有：煤流视觉检测系统、地面控制中心信息处理系统、变频调速控制和数据通讯交互系统，如图1 所示。

图1 煤流检测系统

1）煤流视觉检测系统主要由激光发射器、摄像头及电源、补光灯组成，具体是在输送机各皮带合适的位置安装摄像头和激光发射器，并辅以补光灯。该系统能够实时获得各皮带煤流，为煤流量识别创造条件，确保整个系统正常运行。

2）地面控制中心信息处理属于系统的核心，其组成有工控机、硬盘刻录机、服务器和显示器等。其主要作用是对煤量检测系统传送的图像信息进行处理、分析，并通过所涉及的算法、模型计算得到皮带上的实际煤流量，然后通过数据交互系统将煤流量信息传给变频调速系统，对输送机速度进行调节。

3）变频调速系统主体所需硬件有变频器、控制器及电机，其主要作用是依据中心处理系统，利用煤流量计算模型、图像处理算法获得的实时煤流量和期望带速对比得到偏差信息，并将其传递给控制器对频率进行调节，用来控制电机转速，实现依据煤流大来对带速的调节，有效减少输送机损耗，实现煤炭生产的节能效果。

4）数据交互系统作为数据传输的关键，是通过网络将系统的前端和后台串联，让煤流量检测系统、变频调速系统及信息处理系统相互传送信息，从而实现数据交互。

因此，对于带式输送机煤流检测系统，其前端部分为煤流量视觉检测系统、变频调速控制系统、数据通讯交互系统，而后台分析部分为地面控制中心处理系统。

1.2 系统硬件选型

带式输送机煤流检测系统中硬件设备有防爆摄像机、激光发射器、交换机、控制器及电源等。其中，防爆摄像机选用KBA127 矿用防爆型摄像机，具有质量小、体积小，适用于煤矿生产中实时监控关键设备及重要环节，且可将图像数据传送给视觉检测系统。激光发射器选用一字型半导体激光发射器，可得到带式输送机皮带上的煤流轮廓，具有效率高、照射距离远等。交换机选用KT105A-J2 矿用防爆千兆交换机，满足本系统数据传输需求。控制器选用KXJ27 矿用隔爆本安型可编程控制器，具备多设备手动启停、现场可编程等。电源选用矿用隔爆本安型直流电源，当电流、电压大于阈值，可切断电路保护。

1.3 系统软件选择

由于带式输送机煤流检测系统整体的稳定性和所构建的软件平台息息相关，因此，需设计好图像处理、智能控制算法，并构建软件平台，图2 为系统软件设计流程。

图2 软件设计流程

其中，图像处理软件选用OpenCV 和halon，其中，OpenCV 适用于多个操作系统安装，可解决视觉与图像处理问题；halcon 属于功能效果最好的Machine Vision 软件平台，具有可操纵性强，因此，本文采用OpenCV 和halcon 作为整体系统的图像处理软件，设计处理方法并调用图像处理算法处理带式输送机的煤流图像。

智能控制软件选用MATLAB R2018b 来完成带式输送机节能控制系统的设计。软件开发平台采用Microsoft Visual Studio（简称VS）来完成带式输送机煤流视觉检测控制系统上位机的设计，具有开发方式灵活、实用可靠等特点。VS 具有高效集成的可视化用户开发设计界面，可直接拖放控件在平台界面，从而降低使用者在界面开发时的难度。在编译中，VS 对程序进行设计、开发、调试及查看等，如图3 所示。

图3 软件工具选择

2 实际运行效果

将本文设计的带式输送机煤流检测系统于2022年7 月在某煤矿南大巷安装并投入运行。截至现在，该设备系统各项运行状态良好，能够满足生产实际需要。

某煤矿南大巷650 集运带式输送机对两台电机采用两台变频器进行转速控制，电机输出功率是280 kW。在带式输送机运行过程中，两台电机同步输出并为带式输送机提供动力源。对650 集运带式输送机半小时内的煤流检测结果及其相应的皮带运行速度进行分别采集，如图4 所示。

图4 运行结果

图4 -1 为煤流量检测结果的波动情况及趋势，由此可看出，本文设计的煤流量检测系统可以快速检测煤流量，且结果与实际变化相一致。图4-2 皮带运行速度曲线，当未设计煤流检测系统时，如图中虚线所示，带式输送机一直以额定带速3.2 m/s 运行；设计改进后，如图中实线所示，根据皮带运行速度与煤流量大小相匹配的特性，在采集的前15 min，随煤流量的增大，皮带运行速度为预先设定值；在采集的后15 min，随着煤流量的减少，皮带运行速度也随之减小。

3 经济效益

对比分析带式输送机在恒速（未改造）和节能状态（改造后）运行7 d 的电能耗费情况，如表1 所示。

表1 对比统计结果

为对比验证其耗电情况，分别计算带式输送机在上述两种状态下输送2 万t 煤时所消耗的电能，设定带式输送机在恒速、节能下的消耗电能分别为W恒速、W节能，具体如下：

当带式输送机输送完成2 万t 煤时，依据式（1），在恒速状态下的电能消耗为49 503.8 kW·h；依据式（2），在节能状态下的电能消耗为40 663.6 kW·h，因此，对比可知，带式输送机比在恒速状态下节约17.9%左右的电能。若该煤矿一年采煤量按照90 万t来考虑，依据电费0.71 元/kW·h，则全年约可节省28.2 万元。

4 结论

1）对带式输送机煤流检测控制系统总体框架进行设计，并对该系统所需的硬件设备进行选型，最后对软件系统中图像处理软件、智能控制软件及软件开发工具进行选择。

2）该带式输送机煤流检测控制系统投入运行后，系统各项运行状态良好，能够满足生产实际需要，且可快速检测煤流量，同时，带速随着煤流量大小的变化而变化。

3）对该带式输送机煤流检测系统投入运行前后的经济效益进行对比分析，当输送完成2 万t 煤时，未投入前，电能消耗49 503.8 kW·h；投入运行后，电能消耗40 663.6 kW·h，节约电能约17.9%左右，因此，若该煤矿一年开采量为90 万t 时，则全年约可节约28.2 万元。