一種用于膠帶運輸機的金屬探測裝置

王 榮，王新園

(1.神東煤炭集團哈拉溝煤礦，陜西 神木 719300；2.陜西榆林能源集團橫山煤電有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

在現代化高產高效礦井中，膠帶運輸機是生產環節中的關鍵設備之一，它主要承擔礦井煤炭的運輸任務。一旦膠帶運輸機出現故障停機，采煤和掘進也將無法繼續進行，造成嚴重的經濟損失。在生產和維修過程中，由于施工工藝及崗位工的責任心問題，維護或清理不及時，常常會有一些鐵器(比如設備配件、支護材料或檢修時使用的鐵器)伴隨著煤炭一起進入膠帶運輸機，這些鐵器很容易對膠帶造成嚴重損傷，造成膠帶運輸機長時間停機，嚴重影響生產[1-3]。目前膠帶運輸機上通常安裝有除鐵器(主要有永磁和電磁形式)，這種除鐵器可以清除煤炭中的部分鐵器，但是，在實際生產過程中發現，對于厚鋼板邊角料、鋼管及圓鋼這類長形的鐵器，在經過除鐵器時，鋼管的前端被除鐵器吸起，而后端仍然埋在煤流中，形成了“倒刺”。若膠帶運輸機繼續運行，倒刺極有可能刺破膠帶帶面，由于現有縱撕保護的局限性，無法立即停機，將不可避免的造成撕帶事故[4-7]。

據調查了解，每年礦井膠帶運輸機撕帶、斷帶事故頻發，每起事故造成少則上百萬，多則上千萬的經濟損失[8-10]。因此，需要研制一套能夠自動檢測金屬的裝置，安裝在除鐵器之前，一旦檢測到長形鐵器，可輸出信號令膠帶機停機，及時檢測除鐵器，有效保護膠帶機安全運行。

1 系統設計

1.1 系統功能

檢測分析：針對長度大于除鐵器安裝高度的鐵器進行探測并分析，同時濾除膠帶接頭金屬卡子的干擾信息。

報警停機：膠帶運行時，該系統檢測到超長金屬時，金屬檢測模塊控制監控報警器進行報警，通過彈窗報警方式通知攜帶金屬位置和大小，并將信號傳輸到膠帶控制器，報警提示工作人員及時清除鐵器，消除隱患。

1.2 基本原理

異常信號識別：運用鐵器經過電流線圈產生的局部磁場突變信息，完整的提取這些“異常信號”信息，并且運用正確的識別模式及數學模型加以解析，實現對膠帶機鐵器進行實時有效管控的技術手段。

報警停機：該系統采用全天候實時的監管模式，與膠帶機啟停連鎖，開機即開始監控，有利于實時掌握膠帶機上有無鐵器，確保主運系統安全運行。

2 系統組成

該系統主要由金屬檢測模塊、通信控制模塊、膠帶機控制模塊(膠帶機主控器)及報警模塊等單元組成。

2.1 金屬檢測模塊

構成與安裝：金屬檢測模塊包括多個金屬探測傳感器，多個金屬探測傳感器布置在一條線上且兩兩相鄰，多個金屬探測傳感器覆蓋的寬度大于(不小于500 mm)膠帶運輸機的帶面寬度。金屬探測傳感器是電渦流傳感器，電渦流傳感器的磁感線圈感應高度不小于40 cm(應根據使用膠帶機帶面寬度適配)。金屬的尺寸包括金屬長度值，其中，沿膠帶運輸機帶面運行方向的尺寸為金屬長度值；金屬的尺寸包括金屬寬度值，其中，沿膠帶運輸機帶面寬度方向的尺寸為金屬寬度值。如果信號處理模塊獲得的金屬長度值不大于A且金屬寬度值不大于B，信號處理模塊對該金屬長度值和金屬寬度值不予處理；其中A和B分別為用于連接膠帶機各帶面的金屬卡子的長度值和寬度值。金屬檢測模塊由金屬檢測器和磁感線圈組成，安裝位置及系統結構如圖1所示，磁感線圈緊密布設，密度越大，檢測金屬尺寸精度會越高，因此要選用體積小、感應靈敏的傳感器效果較好。

圖1 安裝位置及系統結構

檢測方式：①金屬檢測模塊實時自適應皮帶無攜帶金屬情況下感量，可以達到抗干擾效果；②通過感量變化量判斷是否存在金屬；③通過感量變化大小和存在時間，通過積分精確判斷金屬長度；④通過幾個磁感線圈感量變化大小，通過幾個傳感器變化感量聯合計算判斷金屬寬度；⑤金屬檢測器通過自適應和感知記憶培養，結合上述方式，區分膠帶接頭之間的連接的金屬帶扣卡子和膠帶運輸攜帶金屬，并判斷出金屬的大小是否超限；⑥當金屬檢測模塊檢測到膠帶運輸攜帶金屬超限時，通過CAN總線通知通信控制器。

技術參數：該供電電壓為DC12 V，工作電流≤100 mA；環境溫度20～100 ℃，靈敏度≥0.4 m，檢測速度≥100 km/h。CAN接口通信，通訊速率100 kb/s，具有CAN網絡聯網監測功能，故障監測報錯。靈敏度可調節，具有實時自適應能力；支持傳感器擴展功能。

基本原理：①金屬檢測模塊包括多個金屬探測傳感器，多個金屬探測傳感器布置在一條直線上(隨上層膠帶帶面彎曲呈槽型)，橫向覆蓋范圍大于膠帶機的帶面寬度；②金屬探測傳感器采用電渦流傳感器，電渦流傳感器的磁感線圈感應范圍應不小于0.4 m；電渦流傳感器可檢測金屬例如鐵器相對于傳感器本身的位移值信息，根據位移值可得到鐵器的尺寸；③在該設計方案中，參考電渦流金屬檢測傳感器原理圖，如圖2所示，電渦流傳感器基于電渦流效應，即置于變化磁場中的塊狀金屬導體或在磁場中作切割磁力線的塊狀金屬導體，則在此塊狀金屬導體內將會產生旋渦狀的感應電流的現象，該旋渦狀的感應電流稱為電渦流，簡稱渦流。根據電渦流效應原理制成的傳感器稱為電渦流式傳感器；④利用電渦流傳感器可以實現對位移、材料厚度、金屬表面溫度、應力、速度以及材料損傷等進行非接觸式的連續測量，并且這種測量方法具有靈敏度高、頻率響應范圍寬、體積小等一系列優點，可準確測量被測體(金屬導體)與其探頭端面之間的相對位移變化。電渦流傳感器主要包括3部分，分別是探頭、連接線、前置器；⑤探頭的核心部分為探頭線圈，當高頻振蕩電流經過連接線，進入探頭線圈，在線圈中產生交變的磁場，當有導體通過磁場時，對應表面產生電渦流效應，并形成與探頭線圈相反的交變磁場，從而使線圈的有效阻抗發生改變；⑥前置器主要由振蕩器、檢測電路、放大器組成，它不僅為探頭線圈提供振蕩電流，同時將線圈阻抗的變化轉化為電壓信號。該設計利用電渦流傳感器中的線圈阻抗變化來判斷線圈上方(即圖1中膠帶機的上帶面)是否存在金屬。

圖2 金屬探測原理圖

工作原理：①實際生產中，通常的膠帶機轉速為恒定v，通過記錄電渦流傳感器異常變化的時間t，可以計算出金屬導體在膠帶機運行方向的長度x=vt。由于電渦流傳感器均勻分散布置，可以通過傳感器響應的個數n及兩探頭之間分布距離d，得出通過金屬導體在膠帶機運行方向的寬度y=n×d；②在信號處理器中提前設置危險鐵器的長度警報閾值和寬度警報閾值，一旦x或y超限及時輸出報警及停機信號。關于電渦流傳感器，其基于法拉第電磁感應原理，根據電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。前置器中高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產生交變的磁場；③當被測金屬體靠近這一磁場，則在此金屬表面產生感應電流，與此同時該電渦流場也產生一個方向與頭部線圈方向相反的交變磁場，由于其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變(線圈的有效阻抗)，這一變化與金屬體磁導率、電導率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導體表面的距離等參數有關；④通常假定金屬導體材質均勻且性能是線性和各項同性，則線圈和金屬導體系統的物理性質可由金屬導體的電導率σ、磁導率ξ、尺寸因子τ、頭部體線圈與金屬導體表面的距離D、電流強度I和頻率ω參數來描述。則線圈特征阻抗可用Z=F(τ，ξ，σ，D，I，ω)函數來表示。通常能做到控制τ、ξ、σ、I、ω這幾個參數在一定范圍內不變，則線圈的特征阻抗Z就成為距離D的單值函數，雖然它整個函數是一非線性的，其函數特征為“S”型曲線，但可以選取其近似為線性的一段；⑤于是，通過前置器電子線路的處理，將線圈阻抗Z的變化，即頭部體線圈與金屬導體的距離D的變化轉化成電壓或電流的變化。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是根據這一原理實現對金屬物體做有或無的檢測。

特殊情形：在實際使用中，一種特殊的情況是，常見膠帶機的帶面使用PVC類非金屬阻燃帶面材料，有時使用金屬卡子進行帶面間的聯接。為避免檢測到金屬卡子時發出干擾警報，應當在檢測到的長度值不大于金屬卡子長度、且檢測到的寬度值等于金屬卡子寬度時，過濾此干擾信號。

2.2 通信控制器

基本原理：通信控制器通過CAN總線和各個金屬檢測模塊連接，實時將所檢測到的金屬超限信號信息傳輸到膠帶機控制器，或通過3G/4G、WiFi或以太網方式告知上位機操作系統，驅動控制器發出停機指令。

技術參數：供電電壓DC12 V，工作電流≤180 mA，環境溫度-20～100 ℃。CAN接口通信，通訊速率100 Kb/s，以太網10 M/100 M、3G/4G通信或WiFi通信。具有包括以太網、3G/4G或者WiFi的多種與主環網連接的方式，斷網情況下可保存歷史數據記錄32 K，可同時接入80個節點。能對多個網絡同時檢測和控制，并帶有實時自動檢測硬件故障功能，保證系統運行的穩定性和可靠性。

2.3 報警及膠帶機控制模塊

報警模塊：①工作原理。金屬檢測模塊檢測到有超限金屬時，觸動語音報警器啟動語音報警，播報語音內容可自主選擇調配，如“危險鐵器，請清除”；②技術參數。供電電壓DC24 V和DC12 V，聲光語音報警，語音信號為“危險鐵器請清除”，亦可根據用戶要求選配；語音報警響度不小于85 dB，采用發光二極管群組成連續的紅色LED發光二極管光環，光信號可見距離不小于30 m(黑暗中)；本安無源開關接點信號，電阻≤350 Ω時可靠啟動報警，電阻≥100 kΩ時停止報警，具有過流、過壓保護功能。

膠帶機控制模塊(膠帶機主控器)：直接選用膠帶機配套使用的主控器，通過通訊接口適配傳輸通訊信息。

3 具體實施方案

3.1 結構框架

金屬探測裝置安裝于膠帶運輸機的除鐵器的上游，與除鐵器的距離不小于10 m，具體應根據該膠帶機運行速度、坡度計算而調節，保證停機指令發出后，膠帶機慣性滑行距離小于設置的安全距離。金屬探測裝置100的結構框圖，如圖3所示。該金屬探測裝置100包括：金屬檢測模塊10、信號處理模塊12、膠帶機控制模塊14和報警模塊16。其中，金屬檢測模塊10可獲取膠帶機帶面上的金屬的尺寸；信號處理模塊12與金屬檢測模塊10連接，信號處理模塊12可從金屬檢測模塊接收金屬尺寸信息，當該尺寸值大于預定閾值時，發出停機信號和報警信號；膠帶機控制模塊14與信號處理模塊12連接，膠帶機控制模塊14可從信號處理模塊12接收停機信號，根據停機信號控制膠帶機停機；報警模塊16與信號處理模塊12連接，報警模塊16可從信號處理模塊12接收報警信號，根據報警信號發出警報。

圖3 金屬探測裝置100結構框架圖

3.2 工作方式

鐵器經過電流線圈產生局部磁場突變的信息，金屬探測裝置可完整的提取這些“異常信號”信息，并進行解析，通過磁感線圈感量有無變化計算金屬長度，判定是否屬于有危險的金屬，實現對膠帶機的實時有效管控，保證膠帶機可靠運行。利用金屬檢測模塊10可獲得金屬的長度值和寬度值，當檢測出某金屬物例如鐵器的長度超過了允許的最大限值，即通知報警停機。同理，如果該鐵器的寬度超過了允許的最大限值，也需報警停機，可采用語音報警裝置發出語音警報，提醒操作人員及時清除物料中的鐵器。金屬探測裝置還可包括通信控制模塊，其與信號處理模塊12連接，通信控制模塊可從信號處理模塊接收尺寸數據，并將尺寸數據發送給上位機，便于操作人員查看和留存日志等。金屬檢測模塊10與信號處理模塊12通過CAN總線相連接。

4 結語

綜上，該裝置整體結構簡單，利用該裝置可及早發現膠帶機運輸物料中的金屬，尤其在發現金屬為長形鐵器時，可及時報警并停機。本方案的金屬探測裝置可通過磁感線圈感量有無變化計算金屬長度，判定是否為有危險的金屬，避免撕帶事故發生，使膠帶運輸機的使用壽命提高，易于維護和修理，可有效提高經濟效益。該方案的金屬探測裝置可采用全天候實時監管模式，與膠帶機啟停連鎖，開機即開始監控，有利于實時掌握膠帶機上有無金屬，彌補了現有膠帶機保護功能的缺陷，確保膠帶運輸系統安全高效運行。該裝置配套自動除鐵系統后，將實現檢測、除鐵、排雜自動一體化，對于實現膠帶運輸無人化、自動化及智能化，有積極的推動作用。