基于物料体积检测算法的煤矿运输自动调速系统研究

2021-11-17魏忠奎

中国煤炭工业 2021年6期

文/魏忠奎

带式输送机是一种连续运输，能耗小、运量大、便于搭接的运输设备，大规模应用在煤矿井下、井上生产中。在实际生产中，由于前端采煤工况的变化，导致整个后方的运输系统不能有效、全负荷地运输煤炭，整个煤炭运输系统部分或整体运输皮带出现全功率、低负荷运行，大大降低了设备使用效率，造成能源浪费、人员配置冗余、皮带空载磨损损耗增大的问题。

为有效解决上述问题，提出了带式输送机煤量检测技术与顺煤流方向启停车控制逻辑，运用体积积分原理与曲线拟合方式，搭配红外激光等硬件设备辅助，实现瞬时煤流量与预测煤量的科学计算并将煤流量数据化，通过实时检测皮带运行状态和连续性煤炭的动态数据，实施综合控制，达到自动调速，实现煤矿主运系统的一体化、无人化，达到计量精准、响应及时的效果。

一、智能煤流检测控制装置算法与控制逻辑设计

煤矿运输自动化系统是指运输系统可以由一个系统对所有设备进行监测、控制、管理的系统，由设备控制子系统与软件子系统两部分组成。本文提出的智能煤流检测算法解决了传统硬件部分监测不及时、连续煤量动态数据无法量化等问题。软件系统搭配了本文提出的调速逻辑，对硬件系统提供的检测数据进行科学判断并及时做出控制响应。软硬件系统相互协调，实现了煤矿运输系统煤流检测与自动调速功能，达到运输系统智能分析，减人增效的目的。

1．智能煤流检测算法思想

智能检测算法采用剖面轮廓曲线拟合、复变函数与积分公式、不规则面积采用数值法近似规则图形算法对输送机上连续煤炭进行物料计算。通过高频率采集皮带机上的物料轮廓，结合皮带实时速度计算出需要的采样截面积，然后依据单位时间内的运输皮带位移结合积分公式计算出皮带上的瞬时煤量。2D激光扫描器用于运输机煤量并在规定的时间内建立扫描表面的纵向剖面，如图1所示。

图1 皮带煤量扫描剖面示意图

图1 中，最高点H代表物料最高点，剖面面积设为S，皮带下托辊长度为b，皮带载料有效宽度为a，侧托辊与皮带下托辊夹角为a，而实际生产中，物料自然平铺，可以将扫描截面看成一个梯形。计算公式如下：

其中，截面积S按以下公式计算：

公式优化后：

皮带实时速度为V，2 D激光传感器的扫描频率为K，煤的比重为ρ，截面煤量为M，截面煤量瞬时t内皮带累计检测出的煤量为Ta，则瞬时煤量为：

然后，对皮带单位小时内的动态煤流量进行预测计算。在实际生产应用时，规定每一个瞬时煤量的采样时间点t，而ti时间段内的煤量为Ty。

根据以上数据能够近似得出单位小时内的预测煤流量：

通过上面的运算公式，可以准确地计算出运输机瞬时煤量和皮带单位小时的预测煤流量。

2．系统控制逻辑设计

（1）启停车逻辑设计。2D激光器实时扫描运输皮带的煤量分布，动态更新单位小时内预测煤量。皮带开车时，在煤量检测下可以进行顺煤流方向启车与逆煤流停车。

当主运输子系统内的运输皮带空载且工作区域运输皮带有一定煤量时，首先启动工作面区域内皮带，然后根据皮带煤量预测数据与皮带实时数据通过计算得出煤流到达工作面区域运输机机头的时间。当时间小于设定值t时，将主运输系统内的所有设备按预测时间顺序启动，以达到顺煤流启动的目的。

在生产时系统中某部输送机出现突然停车时处理方式如下：在重新启动本输送机时，根据停车类型记录信息，判断上次是否为故障停车，如果是，则采用反向煤流启车方式，避免出现埋机头情况发生。

（2）依据煤量的调速逻辑设计。输送机皮带智能调速，需要结合整个运输系统内所有皮带预测煤流量和瞬时煤量的数据，通过综合分析来判断以防堆煤，从而调整各个皮带的运行速度和调速时间窗口。调速流程如图2所示。

图2 皮带调速功能实现示意图

由激光器扫描数据通过曲线拟合建立扫描剖面图形，在通过数值法或者积分公式近似或分割剖面图形，计算出剖面面积，结合当时皮带速度，积分剖面面积即可得出瞬时煤量，通过对瞬时煤量的时间转化即可得出单位小时内的预测煤量。将预规定时间内预测煤流量与输送机设计最大载荷做实时对比，得出的百分比定位为速比变量，用S表示。根据S值再结合预测煤流量的变化趋势可以确认输送机的理论运行速度，定义为T。如果理论速度T小于当前输送机运行速度，则用理论速度与实际运行速度的比值作为降速系数，结合降速时间做线性降速；如果理论速度大于当前输送机运行速度，则直接通过通讯将需要速度值写入变频或通过PLC可编程控制箱4～20ma模拟量输出端口驱动变频器调节速度，瞬间提高速度，立即响应运煤需求。

3．软件架构设计

煤流量检测调速系统软件作为煤矿运输自动化系统中的一部分，所有数据允许系统控制主机直接调用。区域控制主站通过以太网方式接收和上传相应数据至煤矿运输自动化系统主机，运输自动化系统主机做整体速度控制。

煤矿运输自动化系统上位机采用西门子WINCC软件开发，系统功能架构由初始化参数设定、启/停设备逻辑处理、设备故障记录、人机交互以及外围传感检测接入和通用协议五部分组成。

二、软硬件系统的具体实现

煤量检测装置由2D激光发生扫描装置、速度传感器、可编程控制箱、隔爆计算机、龙门架等硬件组成。本技术方案仅对前三部分的硬件设计及功能实现进行介绍。

1．硬件系统的具体实现

（1）煤量检测装置的电气构成。其中，超2D红外激光扫描负责对传送带上的煤量进行顶部分布轮廓扫描。速度传感器进行实时速度检测。监测控制器负责在线建模并计算扫描结果，然后将计算结果传送到本部皮带的可编程控制箱，可编程控制箱通过profinet网络总线协议与系统上位机进行数据交换，上位机为系统远程监控与数据记录最高级控制层级。

（2）速度传感器的实现。目前速度传感器设计方案有霍尔感应高速计数测量与编码器测量两种方式。霍尔检测方式是基于霍尔效应原理。

旋转编码器的测速是采用现有的稳定性好、精度高的旋转编码器，经过加强防护外壳，安装于下层皮带上，编码器与贯通式滚筒通过柔性连接方式连接。编码器的高速信号直接送至PLC可编程控制箱，通过PLC高速计数完成速度采集。

在本设计的煤流检测装置中，速度传感器设计采用的是直径为15cm的滚筒。通过拨码开关设置，选择输出的信号是4～20ma的模拟量或者开关量。不同皮带工况采用不同的安装支架。通过对测速轮轴承型号以及矿用大多数皮带调研，最终设计测试装置测速范围为0～5m/s，对应4～20mA的模拟量数据输出。

（3）激光扫描器设计。煤流识别检测装置主要应用于井下运输大巷具有变频装置的运输皮带，以及主斜井强力皮带或者具有变频驱动的顺槽皮带，现场环境通常粉尘较大，地上泥水较多，尤其具有喷雾抑尘的矿井，环境中具有较多的粘性悬浮颗粒杂物，对激光扫描窗口具有很强的附着力和污染力。故在设计时应考虑持续除尘清洁，并且除尘装置的设计要充分考虑煤流识别的实时性，要求在除尘过程中不得干涉2D激光扫描建模。

2.软件系统设计与实现

（1）检测控制器的软件设计。煤流检测控制装置有三个功能：信号采集处理计算、数据协议转化、检测数据输出。检测数据输出包括初始化数据参数设定和数据上传。三者之间相互数据共享，设计上比较复杂，为使程序运行更加流畅，考虑实际使用的广泛性，软件基于Windows系统运行。

应用层功能主要是完成被检测设备煤量零点标定、固化运行数据和实时变更测量数据；软件功能层负责检测数据的计算和结构输出，软件驱动层实现与硬件设备建立通讯链路完成数据交互，是监测装置的物理接口。

应用程序对软件整体进行配置，采用时间中断，中断时间为1s。有五个功能，最重要的是建立与另外层级的关联，建立连接之后对任务运行频率使用情况进行统计。参数读写部分作为独立的架构，负责对外提供接口。煤流识别控制器对外只提供工程量如皮带瞬时、每小时预测流量、皮带速度等，不提供中间计算变量。

（2）2D建模软件设计。由2D建模以及煤流识别的软件HMI单元、扫描轮廓数据处理单元以及模拟量工程数值输出单元组成。由于程序主要是基于单个激光扫描器，所以用工控板的循环设计方式。程序中物料扫描建模计算做时间中断重复调用，其他单元作为时间中断处理任务。优先级低的中断为TO中断，负责产生1s为时基的时间中断，并完成对各需要进行改动的数据进行置位和清零。

2D扫描建模数据采样部分为中断时的扫描数据，在进入中断后，首先对上次接受数据进行清零处理，根据新的数据进行截面建模，通过拟合曲线以及计算原理，运算得出本次中断所采集的煤量。与上一次结构进行对比，如果数据结果变化较大，则将本次数据与上次数据同时存入数据暂存区，进行下一次的中断数据采集运算，同样与前两次数据进行对比；如果与上次数据相差不大，则进入煤量上升趋势监测；如果与上次数据出入较大、与前一次数据相差不大则视为皮带运输线上偶尔的大块物料，最后中断返回。