移動(dòng)煤流采制樣系統(tǒng)全流程物料感知技術(shù)研究

胡志偉，楊金祥

(1．煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測(cè)分院，北京 100013;2．煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

煤炭機(jī)械化采制樣系統(tǒng)是當(dāng)前對(duì)商品煤進(jìn)行采樣、制樣的1種自動(dòng)化控制系統(tǒng)，其能夠確保煤炭檢驗(yàn)結(jié)果的客觀性、準(zhǔn)確性，并有效地消除人工采制樣的誤差[1]。

目前的采制樣系統(tǒng)，只對(duì)每臺(tái)設(shè)備的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，煤樣在整個(gè)系統(tǒng)流程內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)不能被掌握。特別是雨季，煤炭在火車(chē)運(yùn)輸途中和堆場(chǎng)儲(chǔ)存期間因降雨導(dǎo)致煤炭水分過(guò)大，采制樣系統(tǒng)在采樣作業(yè)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備堵料、負(fù)載過(guò)大等情況，設(shè)備故障導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才會(huì)故障報(bào)警。現(xiàn)有采制樣系統(tǒng)在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需專(zhuān)人巡視設(shè)備，通過(guò)設(shè)置于運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)部位的測(cè)速傳感器、位置傳感器并綜合工作人員在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備狀態(tài)、聲音等信息的采集來(lái)判斷系統(tǒng)是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常。系統(tǒng)內(nèi)單體設(shè)備是全密封結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部煤流情況不能實(shí)時(shí)掌握，未收集到最終樣品或者樣品量不足等問(wèn)題無(wú)法及時(shí)做出判斷。以上問(wèn)題的出現(xiàn)，均是因?yàn)槟壳案劭?、礦區(qū)、電廠的采制樣系統(tǒng)沒(méi)有有效的技術(shù)手段對(duì)煤流的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行感知，對(duì)設(shè)備故障尤其是系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備堵塞情況無(wú)法進(jìn)行有效預(yù)判[2-5]。

1 移動(dòng)煤流全流程物料感知技術(shù)

利用移動(dòng)煤流采制樣系統(tǒng)全流程物料感知技術(shù)，可以實(shí)時(shí)掌握煤流在采制樣系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)煤流的多種物理量進(jìn)行傳感器感知，建立1套物料感知系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷當(dāng)前的采制樣流程工作狀態(tài)，對(duì)故障進(jìn)行預(yù)判、實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，并能夠根據(jù)得到的煤流信息實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的調(diào)整，真正實(shí)現(xiàn)采制樣系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的無(wú)人化、智能化。

通過(guò)研究移動(dòng)煤流采制樣系統(tǒng)的工藝流程，分析單元機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)及煤流運(yùn)行狀態(tài)，制定系統(tǒng)內(nèi)單元設(shè)備的煤流感知方案，如圖1所示。

圖1 移動(dòng)煤流采制樣全流程物料感知方案Fig.1 The whole-process material sensing solution for mobile coal flow sampling and preparation

單元設(shè)備的煤流感知方案布置如下:

(1)在輸煤主膠帶采樣點(diǎn)前端設(shè)置膠帶稱(chēng)重系統(tǒng)，通過(guò)采樣時(shí)的瞬時(shí)流量，推算初級(jí)子樣的樣品量，在膠帶給料機(jī)支架上設(shè)置質(zhì)量傳感系統(tǒng)，樣品下落到給料膠帶后對(duì)樣品準(zhǔn)確稱(chēng)重，將稱(chēng)重值與推算的樣品量進(jìn)行比較。

(2)在一級(jí)破碎機(jī)設(shè)置振動(dòng)傳感系統(tǒng)，破碎機(jī)振動(dòng)特性的變化與給料膠帶機(jī)上樣品的減重速度一致，若不一致，可能是堵料導(dǎo)致物料不能正常進(jìn)入破碎機(jī)。

(3) 在膠帶縮分機(jī)上設(shè)置超聲波傳感器，檢測(cè)物料在膠帶上的厚度，若厚度正常，說(shuō)明一級(jí)破碎后的物料正常計(jì)入膠帶縮分機(jī)，若厚度不正常，可能物料在膠帶縮分機(jī)入口堵塞。厚度正常的情況下，一級(jí)縮分器動(dòng)作，物料進(jìn)入二級(jí)破碎機(jī)，二級(jí)破碎機(jī)設(shè)置振動(dòng)傳感器，因一級(jí)縮分器動(dòng)作周期為2 s～3 s，二級(jí)破碎機(jī)應(yīng)表現(xiàn)出2 s～3 s的周期性振動(dòng)特性，若振動(dòng)特性異常，可能是一級(jí)縮分器至二級(jí)破碎機(jī)中間溜煤通道堵塞。

(4)二級(jí)破碎后的物料進(jìn)入二級(jí)縮分器，經(jīng)縮分后分析留樣進(jìn)入樣品收集器，棄樣進(jìn)入棄樣膠帶機(jī)，收集器設(shè)置稱(chēng)重系統(tǒng)，樣品經(jīng)二級(jí)縮分后表現(xiàn)為收集器內(nèi)樣品質(zhì)量增加，若質(zhì)量無(wú)正常增加，可能是二級(jí)縮分器入口堵塞或縮分集樣口堵塞。

(5)在棄料膠帶機(jī)至斗提機(jī)的轉(zhuǎn)接口設(shè)置電容式限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行物料限位探測(cè)，若傳感器報(bào)警，則物料不能正常進(jìn)入斗提機(jī)。

(6)斗提機(jī)卸料口拋物卸料時(shí)，物料撞擊卸料管內(nèi)壁，每0.2 s拋料1斗，通過(guò)在卸料管設(shè)置振動(dòng)傳感器，感知斗提機(jī)卸料狀態(tài)。通過(guò)建立的多物理量感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的物料狀態(tài)進(jìn)行全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控[6-10]。

2 系統(tǒng)組成

移動(dòng)煤流采制樣全流程物料感知系統(tǒng)組成如圖2所示，主要包括:輸煤主膠帶稱(chēng)重系統(tǒng)、轉(zhuǎn)載膠帶機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)、樣品收集器稱(chēng)重系統(tǒng)、超聲波煤流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、破碎機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、初采器鏟斗全角度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、多物理量采集系統(tǒng)、采制樣智能控制系統(tǒng)。

圖2 移動(dòng)煤流采制樣全流程物料感知系統(tǒng)組成Fig.2 The composition of the system

2.1 輸煤主膠帶稱(chēng)重系統(tǒng)

主輸煤膠帶安裝稱(chēng)重系統(tǒng)，在稱(chēng)重支架上的稱(chēng)重傳感器檢測(cè)出主輸煤膠帶上物料的質(zhì)量，安裝在主膠帶上的速度傳感器檢測(cè)出膠帶運(yùn)行的速度，如圖3所示質(zhì)量和速度信號(hào)送入變送器，經(jīng)處理后進(jìn)入積算器，積算器把收集到的質(zhì)量和速度信號(hào)進(jìn)行再處理及運(yùn)算，最后得到通過(guò)膠帶上物料的累計(jì)量和瞬時(shí)流量，從而推算出初級(jí)子樣的樣品量。

圖3 輸煤主膠帶稱(chēng)重系統(tǒng)Fig.3 Coal conveyor main belt weighing system

初級(jí)采樣器一次采集子樣的質(zhì)量計(jì)算參見(jiàn)式(1):

(1)

式中，D為初級(jí)采樣器切割器開(kāi)口長(zhǎng)度，m;L為額定運(yùn)量，t/s;v為主輸煤膠帶額定帶速，m/s。

2.2 轉(zhuǎn)載膠帶機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)

在膠帶給料機(jī)支架上設(shè)置質(zhì)量傳感系統(tǒng)，初級(jí)采樣器采取的煤樣全部布置于膠帶給料機(jī)，通過(guò)稱(chēng)重測(cè)得初級(jí)子樣的實(shí)際質(zhì)量，通過(guò)與理論質(zhì)量的數(shù)據(jù)比較判斷判斷初級(jí)采樣器鏟斗、連接煤溜管是否發(fā)生堵塞。

2.3 樣品收集器稱(chēng)重系統(tǒng)

在樣品收集器下方安裝1套稱(chēng)重儀如圖4所示，整體托起樣品收集器，接入模擬量輸入模塊，稱(chēng)重信號(hào)通過(guò)電纜傳入模擬量輸入模塊并由PLC分析計(jì)算。

圖4 樣品收集器稱(chēng)重系統(tǒng)Fig.4 Sample collector weighing system

稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)在上位機(jī)界面顯示樣品收集器內(nèi)煤樣的實(shí)時(shí)質(zhì)量，在正常采樣過(guò)程中如果長(zhǎng)時(shí)間質(zhì)量未增加，則提示報(bào)警。

2.4 超聲波煤流監(jiān)測(cè)

超聲波煤流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖5所示，其通過(guò)設(shè)置于轉(zhuǎn)運(yùn)膠帶上方安裝的超聲波傳感器完成對(duì)系統(tǒng)內(nèi)煤流的高度、長(zhǎng)度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)載膠帶前端整形閘板進(jìn)行的動(dòng)態(tài)調(diào)整保證膠帶內(nèi)煤流正常通過(guò)。

圖5 超聲波煤流監(jiān)測(cè)Fig.5 Ultrasonic coal flow monitoring

2.5 破碎機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在破碎機(jī)腔體外側(cè)設(shè)置振動(dòng)傳感器，通過(guò)振動(dòng)傳感器測(cè)得破碎機(jī)動(dòng)作過(guò)程中水平徑向振動(dòng)、垂直徑向振動(dòng)的數(shù)據(jù)采集來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備內(nèi)煤炭樣品的破碎過(guò)程監(jiān)測(cè)。破碎機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)如圖6所示，破碎機(jī)水平徑向振動(dòng)和垂直徑向振動(dòng)的監(jiān)測(cè)區(qū)域分為正常區(qū)、注意區(qū)、異常區(qū)，水平徑向和垂直徑向振幅位于正常區(qū)時(shí)說(shuō)明系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，振幅監(jiān)測(cè)位于注意區(qū)時(shí)，破碎機(jī)內(nèi)疏通裝置動(dòng)作，對(duì)破碎機(jī)腔體內(nèi)堵塞物料進(jìn)行疏通，及時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。振幅監(jiān)測(cè)長(zhǎng)時(shí)間處于注意區(qū)時(shí)須在下一作業(yè)周期開(kāi)始前進(jìn)行人工處理，振幅監(jiān)測(cè)異常區(qū)超過(guò)20 s時(shí)需立即停機(jī)檢查。

圖6 破碎機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)Fig.6 Crusher vibration monitoring

2.6 初采器鏟斗全角度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

原有初采器配備1個(gè)停止限位傳感器和1個(gè)半圓保護(hù)傳感器，初采器收到停止限位傳感器信號(hào)后，動(dòng)作停止，具體停止位置無(wú)法監(jiān)測(cè)，半圓保護(hù)傳感器用于監(jiān)測(cè)鏟斗故障位置區(qū)域，其他區(qū)域暫無(wú)法監(jiān)測(cè)。初采器鏟斗全角度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)安裝于初級(jí)采樣器旋轉(zhuǎn)切割鏟斗連接軸端的角度傳感器測(cè)得角度位置對(duì)初采器的正常工作狀態(tài)、安全工作狀態(tài)進(jìn)行判斷。初采器鏟斗全角度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖7所示，對(duì)采樣器鏟斗停止區(qū)域可劃分為:鏟斗正常工作區(qū)域、鏟斗非正常安全停止區(qū)域、鏟斗故障位置區(qū)域。鏟斗處于故障區(qū)域時(shí)系統(tǒng)會(huì)立即停機(jī)并發(fā)出報(bào)警聯(lián)鎖信號(hào)，鏟斗多次處于非正常安全停止區(qū)域時(shí)，需停機(jī)檢查，從而避免事故擴(kuò)大[11-16]。

圖7 初采器鏟斗全角度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.7 Full-angle monitoring system diagram of the bucket of the primary extractor

2.7 多物理量采集系統(tǒng)

多物理量采集系統(tǒng)如圖8所示，多物理量感知信息的采集過(guò)程是被感知到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)從感知節(jié)點(diǎn)即質(zhì)量、超聲波、振動(dòng)、物料等傳感器信號(hào)多物理量采集系統(tǒng)匯集的過(guò)程。數(shù)據(jù)的采集過(guò)程要求數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^(guò)程中沒(méi)有任何損失，并需要對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對(duì)性的適用的收集、分析、處理等方案。

圖8 多物理量采集系統(tǒng)Fig.8 Multi-physical quantity acquisition system

感知信息采集是為了獲取所需目標(biāo)的真實(shí)情況，然而由于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的不斷變化和周?chē)h(huán)境問(wèn)題的影響，對(duì)于數(shù)據(jù)的獲得往往伴隨著部分錯(cuò)誤的異常數(shù)據(jù)。因此剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)以得到正確的數(shù)據(jù)對(duì)于保證監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行十分必要，對(duì)于錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的清除過(guò)程中部分?jǐn)?shù)據(jù)還會(huì)出現(xiàn)缺失的現(xiàn)象，缺失的數(shù)據(jù)要及時(shí)進(jìn)行估計(jì)，以便再次獲得完整、正確的數(shù)據(jù)信息。因此如何有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的清洗和處理，對(duì)保證監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有決定性作用。

2.8 采制樣智能控制系統(tǒng)

采制樣智能控制系統(tǒng)如圖9所示，由采制樣設(shè)備、配電系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、工控機(jī)等組成，配電系統(tǒng)內(nèi)空開(kāi)、接觸器、熱繼信號(hào)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳感器信號(hào)等相關(guān)數(shù)據(jù)送入采制樣控制系統(tǒng)， PLC控制系統(tǒng)對(duì)采制樣設(shè)備的運(yùn)行、停止、故障等所有信息均進(jìn)行實(shí)時(shí)采集/處理，并將一些必要的信號(hào)傳達(dá)給通過(guò)工控機(jī)上位機(jī)軟件傳達(dá)給控制室操作人員，以完成對(duì)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的控制。

圖9 采制樣智能控制系統(tǒng)Fig.9 Intelligent control system for sample preparation

系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置稱(chēng)重系統(tǒng)，通過(guò)樣品推算值與實(shí)際值、上下級(jí)設(shè)備的樣品質(zhì)量的比較，對(duì)設(shè)備的堵塞情況進(jìn)行預(yù)判，并通過(guò)局部振動(dòng)、液壓疏通、高壓噴吹(棄樣部分)等措施對(duì)潛在堵塞環(huán)節(jié)進(jìn)行處理。通過(guò)對(duì)稱(chēng)重、超聲波、振動(dòng)、接近感應(yīng)等傳感器的信息采集和分析，實(shí)時(shí)掌握采制樣系統(tǒng)中煤流的位置和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)故障診斷和故障預(yù)警。初采器設(shè)置角度傳感器，實(shí)現(xiàn)三百六十度實(shí)時(shí)檢測(cè)鏟斗位置，對(duì)不正常位置(未產(chǎn)生故障停機(jī))及時(shí)檢修、校正，防止故障擴(kuò)大化。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析研究移動(dòng)煤流采制樣系統(tǒng)的工藝流程、機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)和煤流運(yùn)行狀態(tài)及感知信息采集和分析技術(shù)，研發(fā)1套全流程物料感知系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握采制樣系統(tǒng)中煤流的位置和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)故障診斷和故障預(yù)警，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行故障處理，保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，符合智能化發(fā)展方向。移動(dòng)煤流采制樣系統(tǒng)全流程物料感知系統(tǒng)投入使用后，采制樣系統(tǒng)可不配備現(xiàn)場(chǎng)巡視人員，節(jié)省人工成本。