新型光纖無源綜合保護(hù)在水泥廠皮帶輸送機(jī)中的應(yīng)用

＊王冉冉 李叢毅 李強(qiáng) 邵林 李鵬 郗忠梅*

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 山東 271018 2.平邑中聯(lián)水泥有限公司 山東 273300 3.山東超晟光電科技有限公司 山東 271000 4.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實(shí)驗(yàn)室 山東 271018）

引言

隨著整個(gè)社會(huì)城市化步伐的不斷推進(jìn)，其對應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐步增長，因此水泥的需求呈現(xiàn)出持續(xù)增長的態(tài)勢。水泥是所有建筑工程的首選材料，全球水泥日產(chǎn)量超過400萬噸。在水泥生產(chǎn)國中，中國的水泥產(chǎn)量居首位，在2019年占全球產(chǎn)量的57%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出第二名。在水泥廠產(chǎn)能和規(guī)模增長的過程中，因?yàn)樗嗌a(chǎn)本身存在的特殊性，各種危險(xiǎn)因素的存在，一旦處理不當(dāng)，則會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全隱患，安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)制定的不合理，安全生產(chǎn)管理?xiàng)l例實(shí)行不規(guī)范是很多水泥企業(yè)的通病，同時(shí)還存在很多普遍性的問題。安全生產(chǎn)和安全管理問題已經(jīng)作為企業(yè)經(jīng)營管理的核心內(nèi)容，越來越受到企業(yè)和社會(huì)關(guān)注[1-4]。水泥廠的安全事故不但會(huì)造成設(shè)備損傷、停產(chǎn)，給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失，更嚴(yán)重的是，事故對工人的人身甚至生命都造成重大威脅[5]。

在水泥工業(yè)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，使用最多的是輸送設(shè)備，對比目前存在的一些水平輸送設(shè)備，皮帶式輸送機(jī)的運(yùn)行設(shè)備相對較低，因而在水泥廠的原材物料、熟料輸送等環(huán)節(jié)，使用較多[6-7]。皮帶式輸送機(jī)雖然運(yùn)送量大、結(jié)構(gòu)簡單，但是由于其在輸送方向、密封、溫度等方面天然的缺點(diǎn)，在輸送過程中,使用綜合保護(hù)裝置對其運(yùn)行具有重要作用，是保證皮帶輸送機(jī)安全運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是很多行業(yè)和地區(qū)帶式輸送機(jī)運(yùn)行規(guī)范的強(qiáng)制要求。

1.行業(yè)現(xiàn)有問題

由于行業(yè)特點(diǎn)，水泥廠規(guī)模較大，在水泥廠的生產(chǎn)過程中，有大量的機(jī)械設(shè)備，這些設(shè)備在運(yùn)行過程中，有大量的包括變頻器在內(nèi)的電氣設(shè)備，變頻器其自身的開關(guān)特性形成一個(gè)非線性負(fù)載，而改變交流電源的正弦波特性，從而在交流電力系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生大量諧波，這些電氣設(shè)備在生產(chǎn)車間形成了極為復(fù)雜的電磁環(huán)境和大量的線路諧波，這些惡劣的條件對皮帶綜合保護(hù)裝置有極大的影響[8-9]。在皮帶的運(yùn)輸過程中，托輥安裝位置不正確、傳動(dòng)滾筒與改向滾筒不平行、膠帶接頭錯(cuò)位、落料點(diǎn)位置不正、膠帶質(zhì)量不好、成槽性差為皮帶跑偏的主要原因。皮帶的撕裂、跑遍、斷帶為皮帶故障的三個(gè)表現(xiàn)形式。帶式輸送機(jī)在工作過程中，載荷分布不均，受力復(fù)雜，一旦發(fā)生故障可能引起重大安全事故。因此，及時(shí)診斷發(fā)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的故障，準(zhǔn)確定位并處理，對實(shí)際生產(chǎn)過程的安全性十分重要[10-11]。為準(zhǔn)確定位故障，學(xué)者在監(jiān)控系統(tǒng)中采用了多種復(fù)雜算法的嘗試，但是這些算法都是基于傳感器的準(zhǔn)確信號傳輸[12-13]，然而傳輸信號電纜在水泥廠車間復(fù)雜電磁環(huán)境下易受干擾，強(qiáng)屏蔽方式成本太高。因此在傳統(tǒng)皮帶保護(hù)中，信號誤報(bào)率較高，這些算法往往不能解決根本問題。基于圖像處理的故障檢測技術(shù)是解決信號誤報(bào)的有效方式，因其安裝維護(hù)簡單，應(yīng)用成本低，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[14-16]，但是在水泥廠現(xiàn)場粉塵較多，漂浮的灰塵極易在靜電作用下吸附到相機(jī)鏡頭上，因此相機(jī)鏡頭需要及時(shí)清理，否則難以持續(xù)工作。

因此目前水泥廠的皮帶機(jī)保護(hù)仍大多采用傳統(tǒng)的電氣回路方式。為減少干擾信號，降低電纜成本，傳感器和按鈕大都采用串聯(lián)連接方式。該方式下一旦有動(dòng)作發(fā)生，或者有一個(gè)發(fā)生信號誤報(bào)，整條線路的故障點(diǎn)需要人工排查，造成用工成本增加，且維修和故障排除時(shí)間成本增加。串聯(lián)方式下區(qū)分故障位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測需要采用地址編碼器實(shí)現(xiàn)，通常采用RS-485總線通訊，波特率固定為9600b/s。總線最大通訊距離為1200m，為穩(wěn)定可靠宜控制在800～1000m，超過這個(gè)距離應(yīng)使用中繼器延長。增加地址編碼器和中繼器，會(huì)增加硬件造成布線布局復(fù)雜，增加器件也會(huì)使故障點(diǎn)相應(yīng)增加，因此會(huì)使得整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的故障率和維修成本增加，維護(hù)維修時(shí)間也增加了工業(yè)生產(chǎn)的時(shí)間成本。同時(shí)由于車間粉塵較多，傳感器漂移大、需要校正、維護(hù)成本工作量大，大約有10%～20%維護(hù)量。

運(yùn)行中的各種弊端，使得實(shí)際皮帶保護(hù)真正運(yùn)行的利用率偏低。皮帶保護(hù)的棄用使得皮帶運(yùn)行隱患增加，監(jiān)控形同虛設(shè)。光纖無源型帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)裝置是新一代基于光纖傳感技術(shù)的皮帶機(jī)綜合保護(hù)狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，是基于全光纖的皮帶機(jī)綜合保護(hù)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，徹底解決目前系統(tǒng)電磁干擾和傳感器故障多的問題。

2.系統(tǒng)構(gòu)成

光纖型輸送機(jī)綜合保護(hù)裝置是利用激光、光纖傳感和光通信等高科技技術(shù)構(gòu)建的帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)，是用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的皮帶機(jī)拉繩、跑偏、堆料、撕帶綜合保護(hù)裝置。是基于光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于皮帶機(jī)防護(hù)的全新系統(tǒng)。通過光纖光柵傳感器，進(jìn)行持續(xù)和實(shí)時(shí)的監(jiān)控。采集光纖數(shù)據(jù)，經(jīng)過后端分析處理和智能識別，判斷出不同的外部光纖干擾類型，如拉繩、跑偏、堆料、撕帶開關(guān)量動(dòng)作，與安全生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)平臺預(yù)警，以及手機(jī)短信告警。從而達(dá)到對皮帶機(jī)進(jìn)行綜合保護(hù)的目的。系統(tǒng)保護(hù)的示意圖如圖1所示。

圖1 光纖無源綜合保護(hù)系統(tǒng)組成示意圖

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例及結(jié)果

根據(jù)保護(hù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，在平邑中聯(lián)水泥有限公司選取了5條皮帶機(jī)輸送線路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其電氣接線圖如圖2所示。

由圖2可知，本系統(tǒng)在配電室內(nèi)，配備聯(lián)合申報(bào)單位1臺光纖無源型綜保控制柜。該控制柜的控制核心由西門子系列可編程控制器+光纖分析控制儀組成。配備人機(jī)界面（液晶彩色觸摸面板），可實(shí)時(shí)顯示皮帶機(jī)綜保運(yùn)行參數(shù)、數(shù)據(jù)及故障記錄。通過光纖網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行運(yùn)輸系統(tǒng)沿線綜保數(shù)據(jù)的傳輸與控制。并留有工業(yè)以太網(wǎng)口，方便接入水泥廠DCS集控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了控制的自動(dòng)化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化。在中控室配置1臺工控機(jī)，可將光纖綜保運(yùn)行數(shù)據(jù)單獨(dú)顯示。

圖2 水泥廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

光纖無源型皮帶機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)的傳感器包括光纖無源型拉繩開關(guān)、光纖無源型跑偏開關(guān)、光纖無源型堆料傳感器、光纖無源型撕帶傳感器。輸送機(jī)兩側(cè)每25m布置拉繩開關(guān)一對，安裝在皮帶機(jī)沿線兩側(cè)銜架上面。每條皮帶機(jī)機(jī)頭機(jī)尾各布置跑偏開關(guān)一對，安裝在皮帶機(jī)頭尾部兩側(cè)銜架上。拉繩開關(guān)和跑偏開關(guān)具有精準(zhǔn)定位功能，報(bào)警后，方便查找復(fù)位。每條皮帶機(jī)各配1只堆料傳感器，安裝在機(jī)頭落料倉正上方。每條皮帶機(jī)各配1只撕帶傳感器，安裝在沿皮帶機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向，距受料點(diǎn)3～5m處（上皮帶下方）。

該系統(tǒng)在車間已經(jīng)連續(xù)安全運(yùn)行了6個(gè)月，目前為止0故障。通過現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)也可以說明系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。圖3為整個(gè)系統(tǒng)判定傳感器在線的圖形，圖3（a）是光路正常時(shí)的狀態(tài)，整個(gè)光路的底噪值接近0V；圖3（b）是光路清潔度不夠或其他因素導(dǎo)致光路有反射時(shí)，整個(gè)光路的底噪值的基準(zhǔn)線為0.25V左右，遠(yuǎn)離光路的有效信號，可以通過設(shè)置閾值有效分辨。

圖3 光路信號采集圖

把傳感器的底噪值及峰高值采集出來通過MODBUS通訊傳送給PLC，由PLC對峰高值和底噪做運(yùn)算，高于人為設(shè)定的報(bào)警值表示傳感器在線，反之表示傳感器不在線；避免了上位機(jī)環(huán)節(jié)中外界因素對光路的影響、減少中間環(huán)節(jié)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。顯示的峰值既是傳感器的在線狀態(tài)，設(shè)定峰值下限為10～15，當(dāng)傳感器動(dòng)作后，峰值低于下限值，判定為傳感器動(dòng)作，或不在線。如圖4所示，該系統(tǒng)的判斷接線明顯，不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作的現(xiàn)象。

圖4 報(bào)警閾值采集示意圖

4.結(jié)論

本系統(tǒng)的傳感器采用無源技術(shù)，無需電源技術(shù)，整個(gè)一次側(cè)采用光纜連接，技術(shù)在國內(nèi)尚屬首創(chuàng)，同時(shí)光纜技術(shù)還可以節(jié)約我國的銅礦資源。

無源模式下，全程采用光纜通訊技術(shù)，避免電磁干擾造成的通訊失敗，傳輸距離不再拘泥于1000m的限制，無需中繼即可實(shí)現(xiàn)長距離通訊。利用傳感器的光信號波段識別技術(shù)，無需地址編碼器即可完成故障定位，結(jié)合安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)或者DCS可實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和報(bào)警。

傳感器采用膠裝密閉設(shè)計(jì)，機(jī)械動(dòng)作磨損減少，壽命增加。同時(shí)不受電磁信號干擾影響，安裝傳感器無需復(fù)雜調(diào)試校正過程。