CGHC1-15型鋼絲繩膠帶掃描成像系統在煤礦中的應用

張 博王喜貴

(1.內蒙古科技大學,內蒙古自治區包頭市,014010; 2.平朔煤炭工業公司,山西省平朔市,036006)

★煤炭科技·機電與信息化★

CGHC1-15型鋼絲繩膠帶掃描成像系統在煤礦中的應用

張 博1王喜貴2

(1.內蒙古科技大學,內蒙古自治區包頭市,014010; 2.平朔煤炭工業公司,山西省平朔市,036006)

介紹了一種專為煤礦鋼絲繩強力膠帶斷帶保護研制的基于磁感應數字傳感器和CAN總線通訊的網絡分布式新型保護裝置,分析了該裝置基本結構與關鍵技術,簡要說明了該裝置實際應用效果。該裝置由多個分布于煤礦井下不同帶式輸送機的磁感數字傳感器箱組成,通過總線連接將數據傳輸至地面計算機,從而使得整個保護系統的檢測和保護等性能更加完善和合理。

帶式輸送機 斷帶保護 掃描成像系統 CAN總線 磁感應數字傳感器

鋼絲繩芯強力帶式輸送機擔負著煤礦井下原煤主要運輸任務,作為運輸瓶頸,一旦發生斷帶事故,不僅影響全礦井生產,甚至會造成人員傷亡。井下煤矸石、巖石、鐵器等物體砸落在膠帶上而使膠帶內的鋼絲繩受損或使膠帶敷膠破裂,水或其它腐蝕性液體滲透到膠帶內而使得鋼絲繩銹蝕,這些情況都有可能造成斷帶事故。此外,硫化接頭如果沒有按照標準硫化,或者硫化膠質量有問題,接頭就有可能發生抽動,這是發生斷帶事故的另一個主要因素。各煤礦企業對強力膠帶的檢查、檢測雖然有相應的規定,然而鋼絲繩強力膠帶斷帶事故仍然屢見不鮮。實踐表明,缺乏科學有效、可靠性高、效率高的檢測手段是頻繁發生斷帶事故的主要原因之一。

1 鋼絲繩膠帶探傷概述

1.1 傳統人工檢查方式探傷

傳統人工檢查方式就是維護人員用眼睛直接觀察膠帶有無破損和鼓包。對于接頭的檢測,一般是在膠帶接頭處刻上記號,按照規定的檢查周期和時間,用鋼尺測量接頭長度是否發生變化。人工檢查操作繁瑣、效率低、檢查周期長,只能對可疑部位進行局部重點檢查。

1.2 人工使用工業X光機探傷

使用工業X光機的優點是檢測直觀、準確,但是X光對檢測人員的身體損害極大,而且檢測效率很低。按照要求檢查一個接頭,至少需要時間30～40 min,并且一般只能對接頭或可疑部位進行重點檢查,不可能對膠帶進行全長范圍進行檢測。1.3 電磁感應探傷

磁化裝置通電后對膠帶內的鋼絲繩進行磁化,當鋼絲繩出現斷頭時,斷開的鋼絲繩形成N極和S極,傳感器將漏磁場的變化轉變為電信號最終傳輸到計算機上。目前國內對膠帶檢測主要采用的是這項技術,但該檢測方式存在以下主要問題。

(1)膠帶上下抖動導致磁阻不斷發生變化,傳感器傳輸到計算機上的數據或圖形也始終是不穩定的,即使膠帶接頭發生抽動,也不會反映出真實的變化情況。

(2)由于制造工藝上的原因,磁棒的一致性很差,測量精度難以保證。

(3)鋼絲繩磁化過程中,膠帶的上下抖動使磁化鋼絲繩均勻度變差,使得不同部位的鋼絲繩磁場強度大小不一,檢測結果極不穩定。

(4)速度傳感器和膠帶直接接觸,非常容易發生故障,而速度傳感器一旦損壞,整個檢測系統將無法進行探傷工作。

2 CGHC1-15型鋼繩芯膠帶掃描成像分析系統

2.1 系統組成

由山西慧達感測技術有限公司生產的CGHC1 -15型鋼繩芯膠帶掃描成像分析系統在鋼絲繩膠帶探傷領域具有國際領先水平,代表了鋼絲繩探傷領域的發展方向。系統由主機設備、通訊設備、隔爆兼本安電源、通訊接口和上位工業控制計算機組成。傳感器箱的寬度大于膠帶寬度100 mm以上,在膠帶跑偏的情況下,傳感器箱仍然能夠覆蓋所有鋼絲繩。標準型傳感器箱密集布置了48組傳感器,每組傳感器監測1～2根鋼絲繩,膠帶以正常速度運行時,各組傳感器對膠帶內的鋼絲繩進行不間斷的掃描檢測。用3×1.5 mm2礦用電纜將127V/ 220V電源接入電源箱,將通訊電纜或光纜從電源箱引出,通往地面監控機房,主機安裝在底膠帶下部或上部,主機到膠帶平面的距離在50～80 mm之內。膠帶掃描成像分析系統示意圖如圖1所示。

圖1 膠帶掃描成像分析系統示意圖

2.2 系統工作原理

傳感器的探傷原理是通過探測鋼絲繩的導磁性能來判斷鋼絲繩的受損情況,以及接頭是否發生抽動。無損傷、連續的鋼絲繩導磁性能良好,在通過傳感器安裝位置時,傳感器不會產生任何信號。當膠帶內的鋼絲繩出現斷頭、銹蝕等情況時,鋼絲繩的導磁性能變差,傳感器獲取到信號的變化后,經過信號處理電路,將信號轉換成方波。傳感器輸出的方波信號寬度和鋼絲繩斷口大小成正比,斷口小,方波信號則窄;反之,方波信號就寬。同時,方波信號與鋼絲繩斷口到傳感器的距離成反比,距離越大,方波信號越窄。傳感器具有很高的靈敏度,當一根鋼絲繩受損時,附近布置的幾個傳感器都會感應出信號。如圖2中的鋼絲繩斷口,在該斷口左右布置的傳感器C1～C4都檢測到了該斷口,傳感器C2、C3到斷口的距離L2、L3近,所以輸出的方波信號寬,傳感器C1、C4到斷口的距離L1、L4遠,輸出的方波信號就窄。數據采集/通訊模塊采集到傳感器輸出的方波信號后,將數據傳輸至地面計算機。地面計算機截取出方波的寬度,以紅色或者綠色線條表現方波的寬窄。每個線條對應一個傳感器輸出的信號,線條的長短和傳感器輸出的方波信號的寬窄相對應。典型的斷頭信號在計算機上顯示的圖形如圖3所示。該圖說明:在斷頭附近布置的4個傳感器都檢測到了該斷頭,短線條表示傳感器距離斷頭遠,線條越長,則斷頭距該傳感器越近。

CGHC1-15系統對膠帶掃描檢測后,自動將整條膠帶的斷頭、損傷、銹蝕以及接頭狀況以圖片形式真實地全程顯示、儲存、記錄。可以打開多個窗口,將任何一張圖片拍攝成照片,對不同時段的檢測結果進行分析對比,相對于人工X光機檢查,更加可靠。

3 關鍵技術性問題

3.1 傳感器的抗抖動原理

通常傳感器工作時,膠帶上下抖動導致鋼絲繩和電感線圈之間的空氣氣隙忽大忽小,亦即從鋼絲繩斷口到電感線圈之間的磁阻不斷發生變化。和電阻一樣,磁阻變化,鋼絲繩斷口到電感線圈之間的磁場強度隨著變化,最終導致傳感器的輸出信號也會變化。由于傳感器輸出的信號不穩定,即使膠帶接頭真正發生抽動,也不會反映出變化情況。而本文所使用的傳感器是在膠帶上下采用兩個傳感器,膠帶上跳時,傳感器A1輸出信號增大,而A2信號減小;下跳時則相反。通過處理電路對信號運算進行處理,從而使所使用的傳感器具有良好的抗抖動性能,傳感器抗抖動原理示意圖如圖4所示。

圖4 傳感器抗抖動原理示意圖

3.2 硫化接頭抽動檢測

當接頭內的各列斷點通過傳感器箱安裝位置時,所有傳感器都會出現信號,檢測結果也出現2列或3列斷點并顯示對接口或搭接口的傾斜方向,兩者之間的區別是傾斜方向相反。當接頭發生抽動后,檢測結果圖形會發生明顯的變化。圖5是CGHC1-15型鋼絲繩膠帶掃描成像分析系統在神華集團海渤灣礦業有限責任公司平溝礦檢測出的一個接頭抽動案例。監測軟件通過對原始圖形的比較,及時做出了報警,避免了一次重大事故的發生。

3.3 數據重復率

啟動監測系統對膠帶進行實時監測時,讓膠帶運行2圈。對于同一個接頭或斷頭圖形,通常在2圈內是不會變化的,因此兩個圖形應重疊,圖形重復率越高,說明設備檢測精度越高,數據重復率可以采用圖形重疊比較的方法進行驗證。如果傳感器無抗膠帶抖動性能,或者由于傳感器工作點漂移、死機等設備自身的原因,2圈內的檢測結果圖形就會有很大的差異,圖形是無法重疊的。

圖5 掃描成像分析

4 效益分析

4.1 經濟效益

首套CGHC1-15裝置于2006年2月在晉煤集團寺河煤礦投入使用,其主要性能指標和可靠性指標均達到和超過國外同類強力膠帶監測系統,至今系統整體運行可靠,未出現任何故障,使用狀況良好。該裝置在神東煤炭公司、山西焦煤集團、晉城煤業集團、烏海煤業公司得到推廣.從使用結果看,故障率極低,設備檢測精度高。按當前強力鋼絲繩芯膠帶的市場價格為1000元/m,每條膠帶長按3000 m計算,如果膠帶壽命延長1倍,則可為煤炭企業節約資金300萬元,大大節約了產品的成本費用和維修費用。強力鋼絲繩芯膠帶作為礦井運輸的咽喉通道,如果鋼絲繩芯膠帶沒有使用檢測裝置而發生斷帶事故,會導致整個礦井停產,影響生產時間少則幾天,多則十幾天。按當前煤炭的市場售價400元/t計算,以一個產量為300萬t/a的中型礦井為例,日產原煤近1萬t,即使在7 d內恢復生產,造成的經濟損失也達到2800萬元,這還不包括所耗費的材料、設備、人工等費用以及由于發生斷帶事故所造成的礦工人身安全問題。

4.2 社會效益

CGHC1-15型鋼絲繩膠帶掃描成像系統能及時靈敏地將整條膠帶的斷頭、損傷、銹蝕以及接頭狀況以圖片形式真實地全程顯示、儲存、記錄。可以同時打開計算機多個窗口對不同時段的檢測結果進行分析對比,有效避免了由于斷帶問題造成的煤礦工人傷亡以及企業正常生產的中斷。使用鋼絲繩膠帶掃描成像系統后,可將膠帶安全隱患消滅在萌芽狀態,在生產環節上為煤礦安全提供了一項重要科學舉措,消除了因斷帶造成的煤礦傷亡事故,塑造了良好的企業安全生產形象,減少了礦區的不穩定因素。

(責任編輯 路 強)

Application of CGHC1-15 steel wire conveyor belt scann ing/ imaging system in coalm ines

Zhang Bo1,Wang Xigui2
(1.InnerMongolia University of Science and Technology,Baotou,InnerMongolia 014010,China; 2.Pingshuo Coal Industry Co Ltd,Pingshuo,Shanxi province 036006,China)

This paper introduces magnetic induction numerical transducer and CAN bus communication based novel protection device of network distribution type that is especially developed for conveyor belt breakage protection for heavy duty steelwire belt used in coalmines.The paper provides an analysis of the basic structure and the key technology used in the device and gives a brief introduction to the effect of the actual application of the device.Configured by multiple magnetic induction numerical transducer boxesdistributed along various belt conveyors in underground coal mines,this device sends the data collected onsitetothesurface computer systemvia bus line.This adds tothe good monitoring and protection property of this protection system and hence improves the rationality of the system.

belt conveyor,broken belt protector,scanning/imaging system,CAN bus line,magnetic induction numerical transducer

TD634.1

B

張博(1963-),男,河北省辛集市人,內蒙古科技大學高等職業技術學院副教授,全國煤炭高職高專礦山電氣類“十一五”規劃教材編審委員會委員。