基于分布式光纖聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)的帶式輸送機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

摘"要：實(shí)時(shí)地對(duì)帶式輸送機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷其是否正常運(yùn)行，是保障帶式輸送機(jī)安全且穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。為了解決帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控問題，保障帶式輸送機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文通過分布式光纖聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合聲發(fā)射檢測(cè)方式，基于分布式光纖聲波識(shí)別技術(shù)［COTDR（DAS）］，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集并記錄帶式輸送機(jī)的聲發(fā)射數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的、全天候的監(jiān)測(cè)帶式輸送機(jī)并提供健康監(jiān)測(cè)的預(yù)警服務(wù)，為實(shí)際的帶式輸送機(jī)運(yùn)維工作提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：分布式光纖聲學(xué)檢測(cè)；聲發(fā)射；帶式輸送機(jī)監(jiān)測(cè)

Research"on"Belt"Conveyor"Health"Monitoring"System

Based"on"Distributed"Fiber"Optic"Acoustic"Detection"Technology

Fang"Jie1"Xu"Libo2

1.Shaanxi"Deyuan"Fugu"Energy"Co.，Ltd.Sandaogou"Coal"Mine"ShaanxiYulin"719400；

2.Shanxi"Luneng"Hequ"Electric"Coal"Development"Co.，Ltd."ShanxiXinzhou"036599

Abstract：Realtime"monitoring"of"the"current"operating"status"of"the"belt"conveyor"to"determine"whether"it"is"operating"normally"is"the"key"to"ensuring"the"safe"and"stable"operation"of"the"belt"conveyor.In"order"to"solve"the"problem"of"monitoring"and"supervising"the"realtime"running"status"of"belt"conveyor"and"to"guarantee"the"safe"and"stable"operation"of"belt"conveyor，this"paper"carries"out"realtime"monitoring"of"the"running"status"of"belt"conveyor"by"means"of"distributed"fiber"optic"acoustic"detection"technology，combining"with"the"acoustic"emission"detection"method"based"on"distributed"fiber"optic"acoustic"wave"recognition"technology［COTDR（DAS）］，the"system"realtime"collects"and"records"the"acoustic"emission"data"of"the"belt"conveyor，realizes"the"Realtime，allweather"monitoring"of"the"belt"conveyor"and"provide"health"monitoring"early"warning"service，to"provide"decisionmaking"basis"for"the"actual"operation"and"maintenance"of"the"belt"conveyor.

Keywords：Distributed"Acoustic"Sensing；Acoustic"emission；Belt"conveyor"monitoring

及時(shí)地知曉帶式輸送機(jī)目前的運(yùn)行狀態(tài)是否正常是保障帶式輸送機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵［13］。國內(nèi)帶式輸送機(jī)及其附屬設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)手段還停留在比較初級(jí)的階段，最初主要是靠人工巡視的方式來實(shí)現(xiàn)，近些年隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，有通過在帶式輸送機(jī)的特定位置安裝振動(dòng)傳感器的方式來實(shí)現(xiàn)［4］，也有通過安裝攝像頭以機(jī)器視覺的方式來進(jìn)行［5］?，F(xiàn)有的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法，或多或少存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、系統(tǒng)復(fù)雜、維護(hù)成本高和抗電磁干擾能力較差等缺點(diǎn)［6］。

分布式光纖聲波檢測(cè)［COTDR（DAS）］以光纖作為聲發(fā)射檢測(cè)的傳感介質(zhì)，適合沿帶式輸送機(jī)大范圍、長距離部署，并且數(shù)據(jù)采集量極大，最小采集區(qū)域可以做到1m以內(nèi)，相當(dāng)于在1km的軌道上部署了1000個(gè)傳感點(diǎn)。極限采集時(shí)間間隔可以做到亞微秒級(jí)，普通設(shè)置為0.01s。相當(dāng)于1km帶式輸送機(jī)上每秒采集100000次聲發(fā)射信號(hào)；另外，單次采集的聲發(fā)射信息和聲發(fā)射源強(qiáng)度高度線性相關(guān)，聲音還原能力很強(qiáng)，可以準(zhǔn)確地對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

本文以三道溝煤礦選煤廠為研究對(duì)象，基于分布式光纖聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)［7］，設(shè)計(jì)研發(fā)了帶式輸送機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［8］，實(shí)現(xiàn)了在運(yùn)行期間進(jìn)行實(shí)時(shí)性能監(jiān)控和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控，極大程度上減少故障發(fā)生率，并且可以基于數(shù)據(jù)的累積和監(jiān)測(cè)模型的多樣化實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)式維護(hù)［9］。

1"工程背景

三道溝煤礦位于陜西省府谷縣西北310°方向廟溝門至老高川一帶，生產(chǎn)能力為900Mt/a，目前煤炭運(yùn)輸方式均采用帶式輸送機(jī)，對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)巡檢大部分仍為人工巡檢，作業(yè)效率低并且勞動(dòng)環(huán)境差，人工巡查過程中需斷電作業(yè)，嚴(yán)重影響運(yùn)輸效率，且作業(yè)人員的安全難以保障。

為了解決以上問題，本文對(duì)基于分布式光纖聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)研發(fā)了帶式輸送機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效降低了人員巡檢成本，保證了作業(yè)人員的安全，保障了帶式輸送機(jī)的正常運(yùn)行，提高了安全生產(chǎn)效率。

2"分布式光纖聲學(xué)檢測(cè)帶式輸送機(jī)原理

2.1"分布式光纖聲學(xué)檢測(cè)［CODTR（DAS）］原理

CODTR（DAS），是基于瑞利散射的相干光檢測(cè)技術(shù)。

使用窄線寬激光器發(fā)出的脈沖光，分成兩束：一束為主光（能量比99%），注入光纖纖芯；另一束為本征參考光（能量比1%）；沿著光纖傳播的主光，因?yàn)槿鹄⑸涞淖饔?，有一部分光返回，稱為瑞利散射光。由于激光器發(fā)射的是脈沖光，所以瑞利散射光返回后會(huì)有一個(gè)空間序列和時(shí)間序列的分布，將回來的瑞利散射光與本征參考光相干，會(huì)在每一個(gè)時(shí)序點(diǎn)上對(duì)應(yīng)得到一個(gè)振動(dòng)強(qiáng)度波形，如果光纖附近有振動(dòng)（聲發(fā)射源）發(fā)生，一定空間/時(shí)間內(nèi)的時(shí)序點(diǎn)的振動(dòng)波形圖會(huì)隨之變化，找出特定的有變化的時(shí)序點(diǎn)，就形成了有振動(dòng)影響的時(shí)序點(diǎn)的時(shí)空分布，DAS主機(jī)設(shè)備就是利用這樣的時(shí)空分布信息，以及每一個(gè)相關(guān)時(shí)序點(diǎn)的振動(dòng)波形信息，通過一系列的數(shù)據(jù)分析手段完成對(duì)振動(dòng)行為以及聲發(fā)射現(xiàn)象的檢測(cè)。

2.2"帶式輸送機(jī)監(jiān)測(cè)原理

隨著帶式輸送機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，存量帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的維護(hù)工作變得越來越重要，通過及時(shí)合理的帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)件更換和維修，可以有效地延長帶式輸送機(jī)的使用壽命并保證帶式輸送機(jī)的日常性能。所以，帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)件的健康狀態(tài)監(jiān)控越來越得到重視。然而，目前的現(xiàn)狀是“走皮帶”觀察和聆聽聲音的原始方法仍然是最常用的方法，在效率和實(shí)時(shí)性上存在很大的問題，因此，在帶式輸送機(jī)上安裝振動(dòng)傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法得到了很多研究者的關(guān)注。這樣的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄帶式輸送機(jī)的一些狀態(tài)信息，有助于了解帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)變化的過程，更好地評(píng)估帶式輸送機(jī)的服役狀態(tài)，提高帶式輸送機(jī)安全運(yùn)行的可靠性。在這一領(lǐng)域，光纖傳感有著無源、抗電磁干擾強(qiáng)、長距離和分布式傳感等特點(diǎn)，是非常合適的監(jiān)測(cè)技術(shù)。

分布式光纖聲音傳感系統(tǒng)用于帶式輸送機(jī)及其附屬設(shè)施的健康監(jiān)測(cè)的主要原理是，在沿著帶式輸送機(jī)部署光纜，將高速行進(jìn)的皮帶和輥筒摩擦碰撞的聲音作為聲發(fā)射源，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集并記錄帶式輸送機(jī)的聲發(fā)射數(shù)據(jù)，結(jié)合部分人工方式完成聲發(fā)射數(shù)據(jù)的標(biāo)注、清洗工作，使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的聲紋識(shí)別技術(shù)，生成帶式輸送機(jī)及其附屬設(shè)施健康監(jiān)測(cè)的預(yù)測(cè)模型，并將預(yù)測(cè)模型應(yīng)用到實(shí)際部署的DAS系統(tǒng)上。這樣可以實(shí)時(shí)、全天候地監(jiān)測(cè)帶式輸送機(jī)并提供健康監(jiān)測(cè)的預(yù)警服務(wù)，為實(shí)際的帶式輸送機(jī)運(yùn)維工作提供決策依據(jù)。

2.3"COTDR（DAS）設(shè)備構(gòu)成

COTDR（DAS）設(shè)備由以下部分構(gòu)成：通過光纖振動(dòng)傳感儀預(yù)警主機(jī)能感應(yīng)長距離光纜上所有的微小振動(dòng)，運(yùn)用多種數(shù)據(jù)分析手段對(duì)報(bào)警信號(hào)分析、判斷，最終確定報(bào)警信息；使用光纖振動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)備與人機(jī)的交互界面，將告警信息等情況以電子地圖的方式顯示給用戶，顯示運(yùn)行狀態(tài)，記錄報(bào)警信息，過濾掉風(fēng)雨雷電等自然噪聲出現(xiàn)的虛警等；以通信傳輸光纜作為光信號(hào)的傳輸載體，提供相干光信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的高精度測(cè)量與傳輸；采用工控機(jī)及顯示器承載光纖振動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控軟件和本系統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)備，通過顯示器和工控機(jī)提供給軟件進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)換算的服務(wù)，用于存儲(chǔ)振動(dòng)波形圖等數(shù)據(jù)和系統(tǒng)需要的其他數(shù)據(jù)，展示系統(tǒng)人機(jī)交互界面，更好地為監(jiān)控人員提供與設(shè)備的交互操作。

3"帶式輸送機(jī)聲學(xué)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

帶式輸送機(jī)的每一個(gè)組成部分在帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中都有其獨(dú)特的聲學(xué)信號(hào)。人可以通過聽覺直接分辨其中的一些聲學(xué)信號(hào)差異，這也是目前巡查的工作需要靠人耳聽的主要原因。但是人耳無法感知帶式輸送機(jī)聲學(xué)信號(hào)的細(xì)節(jié)，原因在于聲音信號(hào)中包含了許多與其特性相關(guān)的信息。在檢測(cè)這些信息時(shí)，檢測(cè)范圍的動(dòng)態(tài)性和傳感器的靈敏度至關(guān)重要。DAS系統(tǒng)可檢測(cè)的電平范圍由其固有噪聲及信號(hào)頻帶寬度超范圍現(xiàn)象的影響決定，DAS系統(tǒng)的固有噪聲源自其固有特性和持續(xù)的外部影響。如果待檢測(cè)聲學(xué)信號(hào)與其固有的噪聲近似，則信噪比將變得很小，以致無法進(jìn)行測(cè)量，從而出現(xiàn)檢測(cè)不出某些特征或行為的情況。當(dāng)然這種情況可通過執(zhí)行相應(yīng)的邏輯（可確保DAS系統(tǒng)不自動(dòng)“丟失”此類信號(hào)的邏輯）來規(guī)避。固有噪聲閾值隨系統(tǒng)靈敏度而變化，因此應(yīng)采用非常靈敏的DAS系統(tǒng)。

首先，考慮帶式輸送機(jī)聲學(xué)信號(hào)的信噪比問題，即被追蹤的帶式輸送機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)質(zhì)量，可以采用降噪算法，提高信噪比。由于DAS采樣率很高，假設(shè)帶式輸送機(jī)時(shí)速30km/h，在一次采樣間隔內(nèi)才前進(jìn)9mm。因此，在時(shí)域上有足夠多的冗余數(shù)據(jù)可以拿來做平均降噪。假設(shè)輥筒的定位精度要求1m的話，在帶式輸送機(jī)行進(jìn)1m的時(shí)間內(nèi)，已經(jīng)采樣了1031次，平均降噪理論中有"m定律，即m次平均信噪比提高"m倍，因此采用這個(gè)算法，信噪比可以提升15dB（即32倍）。

其次，DAS系統(tǒng)使用的激光器的脈沖重復(fù)頻率和采樣頻率可根據(jù)帶式輸送機(jī)的長度、輥筒之間的間隔距離和信號(hào)清晰度進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)設(shè)置合理的脈沖頻率和采樣頻率后，系統(tǒng)將會(huì)非常靈敏，甚至可以檢測(cè)到單個(gè)雨滴撞擊光纖的聲音。DAS系統(tǒng)同時(shí)從輸送機(jī)的每一米處收集實(shí)時(shí)聲音數(shù)據(jù)，然后通過軟件進(jìn)行處理。在很短的時(shí)間內(nèi)，帶式輸送機(jī)的每個(gè)部分都有自己的頻率圖像。

再次，是環(huán)境聲波的干擾信號(hào)，即環(huán)境中其他機(jī)械對(duì)被測(cè)信號(hào)的干擾。這一因素對(duì)特定位置的帶式輸送機(jī)聲學(xué)信號(hào)影響很大。對(duì)于這個(gè)問題擬采用兩個(gè)角度來解決：第一個(gè)角度是舍棄，確定干擾源的位置，在初步的整體建模過程中舍棄此部分?jǐn)?shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)舍棄的數(shù)據(jù)單獨(dú)建立模型。第二個(gè)角度是可以采用雙光纜部署，由于方向的原因，兩組波形信號(hào)強(qiáng)度不同，利用兩組不同的原始數(shù)據(jù)，從而通過建立一定的算法來排除干擾源。

最后，由于每個(gè)位置上有多個(gè)輥筒，并有多個(gè)軸承，雙光纜部署可以進(jìn)一步確定特定輥筒位置上的特定軸承。

4"現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

圖2是三道溝煤礦的帶式輸送機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)照片，用于監(jiān)測(cè)的傳感光纜部署在帶式輸送機(jī)沿線，采用母線槽或扣件固定的方式緊貼在帶式輸送機(jī)護(hù)欄上。

基于分布式光纖聲學(xué)帶式輸送機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在三道溝煤礦的應(yīng)用，在使用過程中，未出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)，大大降低了煤礦的人工檢測(cè)成本，保障了帶式輸送機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，降低了帶式輸送機(jī)的報(bào)修率，有效地提高了作業(yè)效率。

結(jié)語

通過基于分布式光纖聲學(xué)帶式輸送機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在三道溝煤礦的應(yīng)用，大幅度地節(jié)省了人工成本，提高了勞動(dòng)效率，最大限度地延長了部件使用壽命；優(yōu)化了帶式輸送機(jī)性能，實(shí)現(xiàn)了7×24h持續(xù)監(jiān)測(cè)、智能報(bào)告、定時(shí)部件更換，有效消除潛在故障，消除了手動(dòng)檢查，減少了手動(dòng)維護(hù)，保證了生產(chǎn)安全，為煤礦的安全生產(chǎn)提供保障，為煤礦智能化建設(shè)提供了理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：方杰（1996—"），男，漢族，陜西安康人，本科，助理工程師，主要從事煤礦開采技術(shù)方面研究。