王 榮,王新園
(1.神東煤炭集團(tuán)哈拉溝煤礦,陜西 神木 719300;2.陜西榆林能源集團(tuán)橫山煤電有限公司,陜西 榆林 719000)
在現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井中,膠帶運(yùn)輸機(jī)是生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵設(shè)備之一,它主要承擔(dān)礦井煤炭的運(yùn)輸任務(wù)。一旦膠帶運(yùn)輸機(jī)出現(xiàn)故障停機(jī),采煤和掘進(jìn)也將無法繼續(xù)進(jìn)行,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在生產(chǎn)和維修過程中,由于施工工藝及崗位工的責(zé)任心問題,維護(hù)或清理不及時(shí),常常會(huì)有一些鐵器(比如設(shè)備配件、支護(hù)材料或檢修時(shí)使用的鐵器)伴隨著煤炭一起進(jìn)入膠帶運(yùn)輸機(jī),這些鐵器很容易對膠帶造成嚴(yán)重?fù)p傷,造成膠帶運(yùn)輸機(jī)長時(shí)間停機(jī),嚴(yán)重影響生產(chǎn)[1-3]。目前膠帶運(yùn)輸機(jī)上通常安裝有除鐵器(主要有永磁和電磁形式),這種除鐵器可以清除煤炭中的部分鐵器,但是,在實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn),對于厚鋼板邊角料、鋼管及圓鋼這類長形的鐵器,在經(jīng)過除鐵器時(shí),鋼管的前端被除鐵器吸起,而后端仍然埋在煤流中,形成了“倒刺”。若膠帶運(yùn)輸機(jī)繼續(xù)運(yùn)行,倒刺極有可能刺破膠帶帶面,由于現(xiàn)有縱撕保護(hù)的局限性,無法立即停機(jī),將不可避免的造成撕帶事故[4-7]。
據(jù)調(diào)查了解,每年礦井膠帶運(yùn)輸機(jī)撕帶、斷帶事故頻發(fā),每起事故造成少則上百萬,多則上千萬的經(jīng)濟(jì)損失[8-10]。因此,需要研制一套能夠自動(dòng)檢測金屬的裝置,安裝在除鐵器之前,一旦檢測到長形鐵器,可輸出信號令膠帶機(jī)停機(jī),及時(shí)檢測除鐵器,有效保護(hù)膠帶機(jī)安全運(yùn)行。
檢測分析:針對長度大于除鐵器安裝高度的鐵器進(jìn)行探測并分析,同時(shí)濾除膠帶接頭金屬卡子的干擾信息。
報(bào)警停機(jī):膠帶運(yùn)行時(shí),該系統(tǒng)檢測到超長金屬時(shí),金屬檢測模塊控制監(jiān)控報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警,通過彈窗報(bào)警方式通知攜帶金屬位置和大小,并將信號傳輸?shù)侥z帶控制器,報(bào)警提示工作人員及時(shí)清除鐵器,消除隱患。
異常信號識(shí)別:運(yùn)用鐵器經(jīng)過電流線圈產(chǎn)生的局部磁場突變信息,完整的提取這些“異常信號”信息,并且運(yùn)用正確的識(shí)別模式及數(shù)學(xué)模型加以解析,實(shí)現(xiàn)對膠帶機(jī)鐵器進(jìn)行實(shí)時(shí)有效管控的技術(shù)手段。
報(bào)警停機(jī):該系統(tǒng)采用全天候?qū)崟r(shí)的監(jiān)管模式,與膠帶機(jī)啟停連鎖,開機(jī)即開始監(jiān)控,有利于實(shí)時(shí)掌握膠帶機(jī)上有無鐵器,確保主運(yùn)系統(tǒng)安全運(yùn)行。
該系統(tǒng)主要由金屬檢測模塊、通信控制模塊、膠帶機(jī)控制模塊(膠帶機(jī)主控器)及報(bào)警模塊等單元組成。
構(gòu)成與安裝:金屬檢測模塊包括多個(gè)金屬探測傳感器,多個(gè)金屬探測傳感器布置在一條線上且兩兩相鄰,多個(gè)金屬探測傳感器覆蓋的寬度大于(不小于500 mm)膠帶運(yùn)輸機(jī)的帶面寬度。金屬探測傳感器是電渦流傳感器,電渦流傳感器的磁感線圈感應(yīng)高度不小于40 cm(應(yīng)根據(jù)使用膠帶機(jī)帶面寬度適配)。金屬的尺寸包括金屬長度值,其中,沿膠帶運(yùn)輸機(jī)帶面運(yùn)行方向的尺寸為金屬長度值;金屬的尺寸包括金屬寬度值,其中,沿膠帶運(yùn)輸機(jī)帶面寬度方向的尺寸為金屬寬度值。如果信號處理模塊獲得的金屬長度值不大于A且金屬寬度值不大于B,信號處理模塊對該金屬長度值和金屬寬度值不予處理;其中A和B分別為用于連接膠帶機(jī)各帶面的金屬卡子的長度值和寬度值。金屬檢測模塊由金屬檢測器和磁感線圈組成,安裝位置及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,磁感線圈緊密布設(shè),密度越大,檢測金屬尺寸精度會(huì)越高,因此要選用體積小、感應(yīng)靈敏的傳感器效果較好。
圖1 安裝位置及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
檢測方式:①金屬檢測模塊實(shí)時(shí)自適應(yīng)皮帶無攜帶金屬情況下感量,可以達(dá)到抗干擾效果;②通過感量變化量判斷是否存在金屬;③通過感量變化大小和存在時(shí)間,通過積分精確判斷金屬長度;④通過幾個(gè)磁感線圈感量變化大小,通過幾個(gè)傳感器變化感量聯(lián)合計(jì)算判斷金屬寬度;⑤金屬檢測器通過自適應(yīng)和感知記憶培養(yǎng),結(jié)合上述方式,區(qū)分膠帶接頭之間的連接的金屬帶扣卡子和膠帶運(yùn)輸攜帶金屬,并判斷出金屬的大小是否超限;⑥當(dāng)金屬檢測模塊檢測到膠帶運(yùn)輸攜帶金屬超限時(shí),通過CAN總線通知通信控制器。
技術(shù)參數(shù):該供電電壓為DC12 V,工作電流≤100 mA;環(huán)境溫度20~100 ℃,靈敏度≥0.4 m,檢測速度≥100 km/h。CAN接口通信,通訊速率100 kb/s,具有CAN網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測功能,故障監(jiān)測報(bào)錯(cuò)。靈敏度可調(diào)節(jié),具有實(shí)時(shí)自適應(yīng)能力;支持傳感器擴(kuò)展功能。
基本原理:①金屬檢測模塊包括多個(gè)金屬探測傳感器,多個(gè)金屬探測傳感器布置在一條直線上(隨上層膠帶帶面彎曲呈槽型),橫向覆蓋范圍大于膠帶機(jī)的帶面寬度;②金屬探測傳感器采用電渦流傳感器,電渦流傳感器的磁感線圈感應(yīng)范圍應(yīng)不小于0.4 m;電渦流傳感器可檢測金屬例如鐵器相對于傳感器本身的位移值信息,根據(jù)位移值可得到鐵器的尺寸;③在該設(shè)計(jì)方案中,參考電渦流金屬檢測傳感器原理圖,如圖2所示,電渦流傳感器基于電渦流效應(yīng),即置于變化磁場中的塊狀金屬導(dǎo)體或在磁場中作切割磁力線的塊狀金屬導(dǎo)體,則在此塊狀金屬導(dǎo)體內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生旋渦狀的感應(yīng)電流的現(xiàn)象,該旋渦狀的感應(yīng)電流稱為電渦流,簡稱渦流。根據(jù)電渦流效應(yīng)原理制成的傳感器稱為電渦流式傳感器;④利用電渦流傳感器可以實(shí)現(xiàn)對位移、材料厚度、金屬表面溫度、應(yīng)力、速度以及材料損傷等進(jìn)行非接觸式的連續(xù)測量,并且這種測量方法具有靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍寬、體積小等一系列優(yōu)點(diǎn),可準(zhǔn)確測量被測體(金屬導(dǎo)體)與其探頭端面之間的相對位移變化。電渦流傳感器主要包括3部分,分別是探頭、連接線、前置器;⑤探頭的核心部分為探頭線圈,當(dāng)高頻振蕩電流經(jīng)過連接線,進(jìn)入探頭線圈,在線圈中產(chǎn)生交變的磁場,當(dāng)有導(dǎo)體通過磁場時(shí),對應(yīng)表面產(chǎn)生電渦流效應(yīng),并形成與探頭線圈相反的交變磁場,從而使線圈的有效阻抗發(fā)生改變;⑥前置器主要由振蕩器、檢測電路、放大器組成,它不僅為探頭線圈提供振蕩電流,同時(shí)將線圈阻抗的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號。該設(shè)計(jì)利用電渦流傳感器中的線圈阻抗變化來判斷線圈上方(即圖1中膠帶機(jī)的上帶面)是否存在金屬。
圖2 金屬探測原理圖
工作原理:①實(shí)際生產(chǎn)中,通常的膠帶機(jī)轉(zhuǎn)速為恒定v,通過記錄電渦流傳感器異常變化的時(shí)間t,可以計(jì)算出金屬導(dǎo)體在膠帶機(jī)運(yùn)行方向的長度x=vt。由于電渦流傳感器均勻分散布置,可以通過傳感器響應(yīng)的個(gè)數(shù)n及兩探頭之間分布距離d,得出通過金屬導(dǎo)體在膠帶機(jī)運(yùn)行方向的寬度y=n×d;②在信號處理器中提前設(shè)置危險(xiǎn)鐵器的長度警報(bào)閾值和寬度警報(bào)閾值,一旦x或y超限及時(shí)輸出報(bào)警及停機(jī)信號。關(guān)于電渦流傳感器,其基于法拉第電磁感應(yīng)原理,根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。前置器中高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈,在探頭頭部的線圈中產(chǎn)生交變的磁場;③當(dāng)被測金屬體靠近這一磁場,則在此金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流,與此同時(shí)該電渦流場也產(chǎn)生一個(gè)方向與頭部線圈方向相反的交變磁場,由于其反作用,使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變(線圈的有效阻抗),這一變化與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導(dǎo)體表面的距離等參數(shù)有關(guān);④通常假定金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻且性能是線性和各項(xiàng)同性,則線圈和金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)可由金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率σ、磁導(dǎo)率ξ、尺寸因子τ、頭部體線圈與金屬導(dǎo)體表面的距離D、電流強(qiáng)度I和頻率ω參數(shù)來描述。則線圈特征阻抗可用Z=F(τ,ξ,σ,D,I,ω)函數(shù)來表示。通常能做到控制τ、ξ、σ、I、ω這幾個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)不變,則線圈的特征阻抗Z就成為距離D的單值函數(shù),雖然它整個(gè)函數(shù)是一非線性的,其函數(shù)特征為“S”型曲線,但可以選取其近似為線性的一段;⑤于是,通過前置器電子線路的處理,將線圈阻抗Z的變化,即頭部體線圈與金屬導(dǎo)體的距離D的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化,電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)對金屬物體做有或無的檢測。
特殊情形:在實(shí)際使用中,一種特殊的情況是,常見膠帶機(jī)的帶面使用PVC類非金屬阻燃帶面材料,有時(shí)使用金屬卡子進(jìn)行帶面間的聯(lián)接。為避免檢測到金屬卡子時(shí)發(fā)出干擾警報(bào),應(yīng)當(dāng)在檢測到的長度值不大于金屬卡子長度、且檢測到的寬度值等于金屬卡子寬度時(shí),過濾此干擾信號。
基本原理:通信控制器通過CAN總線和各個(gè)金屬檢測模塊連接,實(shí)時(shí)將所檢測到的金屬超限信號信息傳輸?shù)侥z帶機(jī)控制器,或通過3G/4G、WiFi或以太網(wǎng)方式告知上位機(jī)操作系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)控制器發(fā)出停機(jī)指令。
技術(shù)參數(shù):供電電壓DC12 V,工作電流≤180 mA,環(huán)境溫度-20~100 ℃。CAN接口通信,通訊速率100 Kb/s,以太網(wǎng)10 M/100 M、3G/4G通信或WiFi通信。具有包括以太網(wǎng)、3G/4G或者WiFi的多種與主環(huán)網(wǎng)連接的方式,斷網(wǎng)情況下可保存歷史數(shù)據(jù)記錄32 K,可同時(shí)接入80個(gè)節(jié)點(diǎn)。能對多個(gè)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)檢測和控制,并帶有實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測硬件故障功能,保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。
報(bào)警模塊:①工作原理。金屬檢測模塊檢測到有超限金屬時(shí),觸動(dòng)語音報(bào)警器啟動(dòng)語音報(bào)警,播報(bào)語音內(nèi)容可自主選擇調(diào)配,如“危險(xiǎn)鐵器,請清除”;②技術(shù)參數(shù)。供電電壓DC24 V和DC12 V,聲光語音報(bào)警,語音信號為“危險(xiǎn)鐵器請清除”,亦可根據(jù)用戶要求選配;語音報(bào)警響度不小于85 dB,采用發(fā)光二極管群組成連續(xù)的紅色LED發(fā)光二極管光環(huán),光信號可見距離不小于30 m(黑暗中);本安無源開關(guān)接點(diǎn)信號,電阻≤350 Ω時(shí)可靠啟動(dòng)報(bào)警,電阻≥100 kΩ時(shí)停止報(bào)警,具有過流、過壓保護(hù)功能。
膠帶機(jī)控制模塊(膠帶機(jī)主控器):直接選用膠帶機(jī)配套使用的主控器,通過通訊接口適配傳輸通訊信息。
金屬探測裝置安裝于膠帶運(yùn)輸機(jī)的除鐵器的上游,與除鐵器的距離不小于10 m,具體應(yīng)根據(jù)該膠帶機(jī)運(yùn)行速度、坡度計(jì)算而調(diào)節(jié),保證停機(jī)指令發(fā)出后,膠帶機(jī)慣性滑行距離小于設(shè)置的安全距離。金屬探測裝置100的結(jié)構(gòu)框圖,如圖3所示。該金屬探測裝置100包括:金屬檢測模塊10、信號處理模塊12、膠帶機(jī)控制模塊14和報(bào)警模塊16。其中,金屬檢測模塊10可獲取膠帶機(jī)帶面上的金屬的尺寸;信號處理模塊12與金屬檢測模塊10連接,信號處理模塊12可從金屬檢測模塊接收金屬尺寸信息,當(dāng)該尺寸值大于預(yù)定閾值時(shí),發(fā)出停機(jī)信號和報(bào)警信號;膠帶機(jī)控制模塊14與信號處理模塊12連接,膠帶機(jī)控制模塊14可從信號處理模塊12接收停機(jī)信號,根據(jù)停機(jī)信號控制膠帶機(jī)停機(jī);報(bào)警模塊16與信號處理模塊12連接,報(bào)警模塊16可從信號處理模塊12接收報(bào)警信號,根據(jù)報(bào)警信號發(fā)出警報(bào)。
圖3 金屬探測裝置100結(jié)構(gòu)框架圖
鐵器經(jīng)過電流線圈產(chǎn)生局部磁場突變的信息,金屬探測裝置可完整的提取這些“異常信號”信息,并進(jìn)行解析,通過磁感線圈感量有無變化計(jì)算金屬長度,判定是否屬于有危險(xiǎn)的金屬,實(shí)現(xiàn)對膠帶機(jī)的實(shí)時(shí)有效管控,保證膠帶機(jī)可靠運(yùn)行。利用金屬檢測模塊10可獲得金屬的長度值和寬度值,當(dāng)檢測出某金屬物例如鐵器的長度超過了允許的最大限值,即通知報(bào)警停機(jī)。同理,如果該鐵器的寬度超過了允許的最大限值,也需報(bào)警停機(jī),可采用語音報(bào)警裝置發(fā)出語音警報(bào),提醒操作人員及時(shí)清除物料中的鐵器。金屬探測裝置還可包括通信控制模塊,其與信號處理模塊12連接,通信控制模塊可從信號處理模塊接收尺寸數(shù)據(jù),并將尺寸數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī),便于操作人員查看和留存日志等。金屬檢測模塊10與信號處理模塊12通過CAN總線相連接。
綜上,該裝置整體結(jié)構(gòu)簡單,利用該裝置可及早發(fā)現(xiàn)膠帶機(jī)運(yùn)輸物料中的金屬,尤其在發(fā)現(xiàn)金屬為長形鐵器時(shí),可及時(shí)報(bào)警并停機(jī)。本方案的金屬探測裝置可通過磁感線圈感量有無變化計(jì)算金屬長度,判定是否為有危險(xiǎn)的金屬,避免撕帶事故發(fā)生,使膠帶運(yùn)輸機(jī)的使用壽命提高,易于維護(hù)和修理,可有效提高經(jīng)濟(jì)效益。該方案的金屬探測裝置可采用全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)管模式,與膠帶機(jī)啟停連鎖,開機(jī)即開始監(jiān)控,有利于實(shí)時(shí)掌握膠帶機(jī)上有無金屬,彌補(bǔ)了現(xiàn)有膠帶機(jī)保護(hù)功能的缺陷,確保膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。該裝置配套自動(dòng)除鐵系統(tǒng)后,將實(shí)現(xiàn)檢測、除鐵、排雜自動(dòng)一體化,對于實(shí)現(xiàn)膠帶運(yùn)輸無人化、自動(dòng)化及智能化,有積極的推動(dòng)作用。