輸送帶縱撕檢測系統(tǒng)的探索與應(yīng)用

蔣 歡

鎮(zhèn)江港務(wù)集團有限公司研發(fā)中心 鎮(zhèn)江 212000

0 引言

散貨碼頭整體生產(chǎn)智慧化的前提是基礎(chǔ)工藝裝備的智能化，帶式輸送機輸送設(shè)備的智能化改造升級是港口智慧化不可或缺的環(huán)節(jié)和步驟。實施帶式輸送機遠(yuǎn)程在線檢測系統(tǒng)，對帶式輸送機系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備動態(tài)實時在線檢測，能夠減少設(shè)備運行巡視人員配置，可以避免或降低人員技能和責(zé)任心問題帶來的設(shè)備運行風(fēng)險。

1 輸送帶縱撕檢測系統(tǒng)綜述

輸送帶是整體輸送體系的關(guān)鍵模塊，能夠?qū)⑤斔臀飶囊粋€空間轉(zhuǎn)移到另一個空間。在當(dāng)前多數(shù)輸送體系中，輸送帶撕裂一直是困擾輸送體系運作的重要因素，發(fā)生輸送帶撕裂的情況會帶來較大的經(jīng)濟損失。林世鑫[1]分析了輸送帶撕裂的多種原因及解決方法，如重視輸送產(chǎn)品的質(zhì)量、積極使用各類撕裂檢測設(shè)備等。其中撕裂檢測設(shè)備能夠在輸送帶發(fā)生撕裂的初期，將撕裂甄別出來并發(fā)出相應(yīng)的警告信號，避免撕裂問題進一步擴大。

某港務(wù)公司主要負(fù)責(zé)散雜貨運輸，現(xiàn)有輸送帶45條，水平總長7 154 m，輸送帶點多面廣的情況給現(xiàn)場管理帶來挑戰(zhàn)，而輸送帶防撕裂保護是輸送帶管理中尤為棘手的問題。輸送帶的撕裂一般有橫向撕裂和縱向撕裂2大類，橫向撕裂大部分因為輸送帶內(nèi)的鋼絲繩芯斷裂造成的，一般屬于輸送帶本身質(zhì)量問題，此類事故發(fā)生的概率較低?？v向撕裂由于作業(yè)中硬物擠壓輸送帶，當(dāng)達到輸送帶承載極限后，輸送帶被刺穿，輸送帶繼續(xù)運轉(zhuǎn)造成刺孔被拉伸，可能將整條輸送帶全部劃開，此類事故帶來的損失及影響更為嚴(yán)重。當(dāng)前，示例港口仍沿用傳統(tǒng)機械接觸式檢測保護裝置，由于此類保護裝置自身存在一定缺陷，其可靠性較為低下。通過對傳統(tǒng)機械式防撕裂保護裝置進行改造，提升防撕裂保護可靠性、減少輸送帶縱向撕裂事故損失已十分緊要。

1.1 現(xiàn)有技術(shù)方案

1.1.1 激光探測縱向撕裂保護裝置

如圖1所示，由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)鏡片聚焦到被測物體上，反射光線被鏡片收集后投射到攝像頭上。信號處理器通過三角函數(shù)計算攝像頭上的光電位置得到被測物的距離信息。激光器和攝像頭分別裝置在上輸送帶的左右下側(cè)，激光器向輸送帶底部發(fā)射一條帶狀激光，在輸送帶表面反射后由攝像頭采集，實時輸出到控制計算機，得到輸送帶底3D圖像，可以直觀判斷輸送帶是否發(fā)生撕裂現(xiàn)象。一旦輸送帶發(fā)生縱向撕裂，系統(tǒng)將在第一時間發(fā)出報警并停止輸送帶運行。

圖1 激光探測裝置

石建華等[2]提出了一種基于激光線束輔助的視覺檢測系統(tǒng)，利用工業(yè)相機采集輸送帶上下表面的線激光投射圖像，基于Matlab軟件再對圖像進行分析，通過激光光條的特征形態(tài)來判斷輸送帶是否撕裂。但激光檢測在一些惡劣工況下如風(fēng)塵、灑料較多的情況下容易造成誤報。當(dāng)尖銳鋒利的鐵器造成輸送帶撕裂，撕裂時輸送帶由于張力關(guān)系，并未張開撕裂口，此時激光裝置也同樣難以檢測到。

1.1.2 感知式縱向撕裂保護裝置

如圖2所示，感知器采用先進的導(dǎo)電橡膠技術(shù)，當(dāng)帶式輸送機的輸送帶被物料穿透后，隨輸送帶運行而積壓感知器，或出輸料口與膠帶之間因物料堵塞，通過活動門擠壓感知器輸出撕裂信號。電控箱接收感知器傳至的信號通過控制線路發(fā)出報警停機信號。

圖2 感知式縱向撕裂保護裝置

1.1.3 嵌入式撕裂保護檢查系統(tǒng)

采用在輸送帶中或輸送帶表面預(yù)埋設(shè)金屬導(dǎo)線、線圈、磁性物質(zhì)或是某種導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料等方法，檢測設(shè)備通過檢測輸送帶中預(yù)埋物的完整性來判斷輸送帶是否發(fā)生縱向撕裂。將一組金屬線圈橫向放置在帶芯內(nèi)，在靠近輸送帶地方的兩側(cè)分別裝有電磁波發(fā)射和接收裝置。電磁波發(fā)射裝置向輸送帶發(fā)射電磁波，當(dāng)輸送帶中的線圈經(jīng)過時，線圈中將會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生的電磁波被另一側(cè)的接受傳感器截獲。如輸送帶縱向撕裂，則線圈被切斷，接收裝置將收不到該信號，說明發(fā)生了縱向撕裂。

1.1.4 溫度感應(yīng)式撕裂保護檢查系統(tǒng)

在輸送帶撕裂過程中，由于劇烈的撕扯會導(dǎo)致輸送帶內(nèi)部能量發(fā)生變化，對外表征為破壞性形變和溫度上升。通過高精度紅外熱成像儀和高精度光學(xué)攝像機對輸送帶下覆面進行檢測，如果溫度超過設(shè)定的閾值則發(fā)出撕裂報警，進而通過連鎖保護停機。

張亮有等[3]提出了一種基于紅外熱成像技術(shù)的輸送帶縱向撕裂檢測方法，具有較好的實時性和準(zhǔn)確性；朱劍峰[4]設(shè)計了基于紅外檢測技術(shù)撕裂事故在線檢測系統(tǒng)。在分析帶式輸送機在煤礦運輸系統(tǒng)中重要的地位和發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，對紅外檢測技術(shù)的原理、計算公式、黑體波長與紅外輻射強度對應(yīng)關(guān)系進行研究，結(jié)合井下輸送帶運行工況設(shè)計撕裂紅外檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析系統(tǒng)各個模塊組成和功能，并對系統(tǒng)紅外檢測模塊和軟件程序進行設(shè)計。韓斌[5]提出了一種基于紅外視覺的輸送帶縱向撕裂預(yù)警方法，基于該方法的縱向撕裂預(yù)警平均檢測精度可達99.19%，能夠滿足系統(tǒng)的實時性要求。

1.1.5 金屬探測式撕裂保護檢查系統(tǒng)

通過金屬探測裝置掃描貨物中的金屬物質(zhì)發(fā)出報警信號，避免金屬對輸送帶造成傷害。

1.1.6 礦用輸送帶鋼絲繩芯X射線探傷裝置

如圖3所示，X射線發(fā)射箱產(chǎn)生人造X射線，穿透被測輸送帶后在視頻圖像接收板成像。利用不同密度物質(zhì)對X射線吸收率不同將鋼絲繩芯和輸送帶內(nèi)外的缺陷異常清晰顯示出來。

圖3 礦用輸送帶鋼絲繩芯X射線探傷裝置

1.1.7 云端輸送帶撕裂視覺檢測系統(tǒng)

康彬[6]設(shè)計了一套行而有效的基于云端的輸送帶撕裂視覺檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將傳統(tǒng)的輸送帶撕裂故障診斷與互聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)和機器視覺相結(jié)合，建立起從圖像數(shù)據(jù)采集、撕裂故障的分析評估與診斷、信息數(shù)據(jù)的管理、到最后達到對帶式輸送機的維護這樣一整套診斷系統(tǒng)。

鑒于該港務(wù)公司目前的使用環(huán)境和以往的撕裂事故原因分析，溫度感應(yīng)式撕裂保護技術(shù)不僅能夠?qū)ω灤┬运毫哑鸬奖Ｗo作用，而且能夠?qū)ξ簇灤┑膭潅鸬奖Ｗo作用，較為適合輸送帶防撕裂需求。

2 輸送帶縱向撕裂技術(shù)方案設(shè)計

2.1 功能需求

紅外熱成像防撕裂保護裝置由數(shù)據(jù)采集層，數(shù)據(jù)分析層（上位機服務(wù)器）和集成檢測層構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集層（檢測模塊與數(shù)字化定位模塊）通過以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞綄崟r檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機服務(wù)器中進行數(shù)據(jù)存儲、分析，并將分析結(jié)果傳輸至集成檢測系統(tǒng)。上位機或集成檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)報警事件遠(yuǎn)程推送，同時向電控系統(tǒng)推送指令，觸發(fā)設(shè)備停機流程。

2.2 非功能需求

項目中所使用到的監(jiān)控硬件設(shè)備須全部按照工業(yè)級的標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計和規(guī)劃，大部分設(shè)備長期暴露于露天環(huán)境中，必須確保設(shè)備可在極端環(huán)境下穩(wěn)定運行。應(yīng)選用先進、成熟、主流的技術(shù)，搭建可升級、可擴展、可兼容的系統(tǒng)應(yīng)用平臺，數(shù)據(jù)開放可接入現(xiàn)有設(shè)備管理平臺。

2.3 建設(shè)方案

帶式輸送機長約745 m，選取帶寬1 400 mm帶式輸送機作為試點，輸送帶縱撕裂檢測系統(tǒng)安裝在距落料點5～20 m位置。通過輸送帶縱撕裂檢測對輸送帶非工作面進行熱成像掃描，溫度超過設(shè)定的閾值則發(fā)出撕裂報警，進而通過連鎖保護停機，降低撕裂對輸送帶造成大的傷害。

3 溫度感應(yīng)式撕裂檢測系統(tǒng)

3.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖4所示，溫度感應(yīng)式撕裂檢測系統(tǒng)包括輸送帶機護板、編碼器安裝輔助板、RFID模塊、編碼器、編碼器安裝板、縱撕模塊-紅外線、縱撕模塊-可見光、通用橋架、帶式輸送機等。橫梁盡量貼近一側(cè)滾筒托架，給相機留足空間。

圖4 輸送機安裝布局圖

3.2 設(shè)備安裝

如圖5所示，在帶寬1 400 mm輸送帶式輸送機上，選取距落料點5～20 m位置，先將編碼器安裝在編碼器安裝板上，將整個編碼器和安裝板通過U形螺栓固定在通用橋架上；將1個縱撕模塊-可見光、2個縱撕模塊-紅外線分別通過U形螺栓安裝在通用橋架上，將整個安裝好的通用橋架從側(cè)面塞進輸送帶，固定在輸送機槽鋼上；將RFID模塊通過U形螺栓安裝在輸送機槽鋼上，設(shè)備安裝到位后開始調(diào)節(jié)距離；確保攝像頭覆蓋上輸送帶，確保編碼器輪子接觸到輸送帶，確保RFID天線在輸送帶中心位置。

圖5 輸送機安裝示意圖

圖6為護板安裝示意圖，將護板固定在輸送機護欄上，調(diào)整護板間距和數(shù)量，確保攝像頭區(qū)域內(nèi)無強光。

圖6 護板安裝示意圖

3.2 邏輯架構(gòu)

如圖7所示，輸送帶縱向撕裂在線檢測由數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、分析應(yīng)用層、終端用戶層組成，其中數(shù)據(jù)采集層包括縱向撕裂檢測模塊、數(shù)字化定位模塊2大部分，網(wǎng)絡(luò)傳輸層為網(wǎng)線或光纖，分析應(yīng)用層包括數(shù)據(jù)分析計算、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、縱撕報警5個部分，終端用戶層為中空平臺和PLC控制。

圖7 為輸送帶縱向撕裂在線檢測系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)圖

輸送帶縱向撕裂在線檢測裝置（檢測模塊與數(shù)字化定位模塊）通過以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞綄崟r檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到分析應(yīng)用層中進行數(shù)據(jù)存儲、分析、報警等，并將分析結(jié)果傳輸至中控平臺及輸送機PLC，觸發(fā)設(shè)備停機。

3.3 軟件平臺

圖8、圖9為終端用戶層的中控平臺，該平臺為綜合控制平臺，包含了輸送帶縱向撕裂在線檢測系統(tǒng)在內(nèi)的多個系統(tǒng)。該中控平臺實現(xiàn)了用戶遠(yuǎn)程對輸送系統(tǒng)進行實時監(jiān)控的功能，并將檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)以圖形化的方式予以展現(xiàn)，同時在系統(tǒng)軟件設(shè)有相應(yīng)的畫面提示預(yù)警、狀態(tài)偏移閾值和故障等級。通過此在線檢測系統(tǒng)可對輸送帶進行7×24 h不間斷掃描，結(jié)合圖像識別和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對裂縫的長度、方向連續(xù)性、分布規(guī)律性等進行判斷，能夠及時發(fā)現(xiàn)輸送帶撕裂故障，準(zhǔn)確判斷故障位置，減少了現(xiàn)場巡檢人員的工作時間。

圖8 現(xiàn)有設(shè)備管理平臺

圖9 輸送帶實時監(jiān)測圖

3.4 防撕裂測試

輸送帶縱向撕裂在線檢測系統(tǒng)安裝完成后，在輸送機運行狀態(tài)下，模擬輸送帶縱撕效果，如圖10所示。

圖10 撕裂發(fā)生檢測圖

撕裂現(xiàn)象具備后，輸送帶縱向撕裂在線檢測系統(tǒng)可識別出模擬撕裂情況，中控平臺發(fā)出報警信息提示，同時現(xiàn)場電氣箱內(nèi)蜂鳴器報警提示，輸送機停機。

從上述防撕裂測試試驗中可以看出輸送帶縱向撕裂在線檢測系統(tǒng)可以實施捕捉到縱撕畫面，同時形成報警信息，并且支持中控平臺報警信息提示和現(xiàn)場電氣箱內(nèi)蜂鳴器報警提示。

4 應(yīng)用效果

本縱向撕裂檢測系統(tǒng)硬件成熟度高，維護成本低，帶式輸送機現(xiàn)場可實現(xiàn)無人值守，有效降低非計劃性停機率，延長帶式輸送機硬件使用壽命，穩(wěn)定生產(chǎn)。

1）縱撕檢測系統(tǒng)中可見光攝像機實時檢測輸送帶非工作面運行情況，配合熱成像攝像機進行異常圖像的存儲與分析，從而實現(xiàn)異常視頻及圖像的追溯；具備自動校準(zhǔn)功能（Flat-Field Calibration，F(xiàn)FC）進行校準(zhǔn)后，熱成像畫面質(zhì)量將會得到優(yōu)化，溫度變化更容易被觀察，防止溫度精度漂移；

2）縱撕檢測系統(tǒng)中紅外光可對輸送帶非工作面進行熱成像掃描，24 h全天候檢測輸送帶是否有縱向撕裂發(fā)生，同時使用多種參數(shù)和算法來檢測溫度的變化，并對異常進行詳細(xì)的計算，具備特征分析功能（如裂縫長度、寬度、相對位置、方向連續(xù)性、分布規(guī)律性等），能確定縱向撕裂是否真實發(fā)生，減少誤報頻率；

3）縱撕檢測系統(tǒng)具備自動報警功能，一旦輸送帶發(fā)生縱向撕裂，將在第一時間發(fā)出聲光報警并推送至遠(yuǎn)程平臺，可向輸送帶主機電氣系統(tǒng)發(fā)出信號，聯(lián)動停機（提供報警信號輸出節(jié)點），避免事故進一步擴大；在報警同時，將輸送帶撕裂情況的圖像和視頻抓拍并保存到檢測系統(tǒng)內(nèi)。

4）縱向撕裂檢測系統(tǒng)中控平臺操作簡便，操作人員經(jīng)過簡單培訓(xùn)即可獨立完成對輸送帶的監(jiān)測。

5 結(jié)論

紅外熱成像防撕裂保護裝置通過對輸送帶非工作面進行熱成像掃描，利用可見光攝像機實時檢測輸送帶非工作面運行情況，配合熱成像攝像機進行異常圖像的存儲與分析，確定縱向撕裂是否真實發(fā)生，提升縱向撕裂檢測保護可靠性。通過這種檢測方式，可以有效檢測輸送帶是否發(fā)生了撕裂，甚至可以檢測到輸送帶即將發(fā)生撕裂的過程。同時結(jié)合數(shù)字化RFID技術(shù)推斷撕裂的大致定位和撕裂范圍。目前紅外熱成像與可見光攝像機相結(jié)合技術(shù)在周邊港口已有使用，效果明顯。