移動煤流采制樣系統(tǒng)全流程物料感知技術(shù)研究

胡志偉，楊金祥

(1．煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測分院，北京 100013;2．煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

煤炭機械化采制樣系統(tǒng)是當(dāng)前對商品煤進(jìn)行采樣、制樣的1種自動化控制系統(tǒng)，其能夠確保煤炭檢驗結(jié)果的客觀性、準(zhǔn)確性，并有效地消除人工采制樣的誤差[1]。

目前的采制樣系統(tǒng)，只對每臺設(shè)備的機械運轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，煤樣在整個系統(tǒng)流程內(nèi)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)不能被掌握。特別是雨季，煤炭在火車運輸途中和堆場儲存期間因降雨導(dǎo)致煤炭水分過大，采制樣系統(tǒng)在采樣作業(yè)時經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備堵料、負(fù)載過大等情況，設(shè)備故障導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運轉(zhuǎn)時才會故障報警。現(xiàn)有采制樣系統(tǒng)在系統(tǒng)運行時需專人巡視設(shè)備，通過設(shè)置于運轉(zhuǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)動部位的測速傳感器、位置傳感器并綜合工作人員在現(xiàn)場對設(shè)備狀態(tài)、聲音等信息的采集來判斷系統(tǒng)是否運轉(zhuǎn)正常。系統(tǒng)內(nèi)單體設(shè)備是全密封結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場人員對系統(tǒng)內(nèi)部煤流情況不能實時掌握，未收集到最終樣品或者樣品量不足等問題無法及時做出判斷。以上問題的出現(xiàn)，均是因為目前港口、礦區(qū)、電廠的采制樣系統(tǒng)沒有有效的技術(shù)手段對煤流的實時狀態(tài)進(jìn)行感知，對設(shè)備故障尤其是系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備堵塞情況無法進(jìn)行有效預(yù)判[2-5]。

1 移動煤流全流程物料感知技術(shù)

利用移動煤流采制樣系統(tǒng)全流程物料感知技術(shù)，可以實時掌握煤流在采制樣系統(tǒng)內(nèi)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過對系統(tǒng)內(nèi)煤流的多種物理量進(jìn)行傳感器感知，建立1套物料感知系統(tǒng)。通過對感知數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷當(dāng)前的采制樣流程工作狀態(tài)，對故障進(jìn)行預(yù)判、實現(xiàn)故障預(yù)警，并能夠根據(jù)得到的煤流信息實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備實時、動態(tài)的調(diào)整，真正實現(xiàn)采制樣系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的無人化、智能化。

通過研究移動煤流采制樣系統(tǒng)的工藝流程，分析單元機械設(shè)備結(jié)構(gòu)及煤流運行狀態(tài)，制定系統(tǒng)內(nèi)單元設(shè)備的煤流感知方案，如圖1所示。

圖1 移動煤流采制樣全流程物料感知方案Fig.1 The whole-process material sensing solution for mobile coal flow sampling and preparation

單元設(shè)備的煤流感知方案布置如下:

(1)在輸煤主膠帶采樣點前端設(shè)置膠帶稱重系統(tǒng)，通過采樣時的瞬時流量，推算初級子樣的樣品量，在膠帶給料機支架上設(shè)置質(zhì)量傳感系統(tǒng)，樣品下落到給料膠帶后對樣品準(zhǔn)確稱重，將稱重值與推算的樣品量進(jìn)行比較。

(2)在一級破碎機設(shè)置振動傳感系統(tǒng)，破碎機振動特性的變化與給料膠帶機上樣品的減重速度一致，若不一致，可能是堵料導(dǎo)致物料不能正常進(jìn)入破碎機。

(3) 在膠帶縮分機上設(shè)置超聲波傳感器，檢測物料在膠帶上的厚度，若厚度正常，說明一級破碎后的物料正常計入膠帶縮分機，若厚度不正常，可能物料在膠帶縮分機入口堵塞。厚度正常的情況下，一級縮分器動作，物料進(jìn)入二級破碎機，二級破碎機設(shè)置振動傳感器，因一級縮分器動作周期為2 s～3 s，二級破碎機應(yīng)表現(xiàn)出2 s～3 s的周期性振動特性，若振動特性異常，可能是一級縮分器至二級破碎機中間溜煤通道堵塞。

(4)二級破碎后的物料進(jìn)入二級縮分器，經(jīng)縮分后分析留樣進(jìn)入樣品收集器，棄樣進(jìn)入棄樣膠帶機，收集器設(shè)置稱重系統(tǒng)，樣品經(jīng)二級縮分后表現(xiàn)為收集器內(nèi)樣品質(zhì)量增加，若質(zhì)量無正常增加，可能是二級縮分器入口堵塞或縮分集樣口堵塞。

(5)在棄料膠帶機至斗提機的轉(zhuǎn)接口設(shè)置電容式限位開關(guān)進(jìn)行物料限位探測，若傳感器報警，則物料不能正常進(jìn)入斗提機。

(6)斗提機卸料口拋物卸料時，物料撞擊卸料管內(nèi)壁，每0.2 s拋料1斗，通過在卸料管設(shè)置振動傳感器，感知斗提機卸料狀態(tài)。通過建立的多物理量感知系統(tǒng)，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)的物料狀態(tài)進(jìn)行全過程實時監(jiān)控[6-10]。

2 系統(tǒng)組成

移動煤流采制樣全流程物料感知系統(tǒng)組成如圖2所示，主要包括:輸煤主膠帶稱重系統(tǒng)、轉(zhuǎn)載膠帶機稱重系統(tǒng)、樣品收集器稱重系統(tǒng)、超聲波煤流監(jiān)測系統(tǒng)、破碎機振動監(jiān)測系統(tǒng)、初采器鏟斗全角度監(jiān)測系統(tǒng)、多物理量采集系統(tǒng)、采制樣智能控制系統(tǒng)。

圖2 移動煤流采制樣全流程物料感知系統(tǒng)組成Fig.2 The composition of the system

2.1 輸煤主膠帶稱重系統(tǒng)

主輸煤膠帶安裝稱重系統(tǒng)，在稱重支架上的稱重傳感器檢測出主輸煤膠帶上物料的質(zhì)量，安裝在主膠帶上的速度傳感器檢測出膠帶運行的速度，如圖3所示質(zhì)量和速度信號送入變送器，經(jīng)處理后進(jìn)入積算器，積算器把收集到的質(zhì)量和速度信號進(jìn)行再處理及運算，最后得到通過膠帶上物料的累計量和瞬時流量，從而推算出初級子樣的樣品量。

圖3 輸煤主膠帶稱重系統(tǒng)Fig.3 Coal conveyor main belt weighing system

初級采樣器一次采集子樣的質(zhì)量計算參見式(1):

(1)

式中，D為初級采樣器切割器開口長度，m;L為額定運量，t/s;v為主輸煤膠帶額定帶速，m/s。

2.2 轉(zhuǎn)載膠帶機稱重系統(tǒng)

在膠帶給料機支架上設(shè)置質(zhì)量傳感系統(tǒng)，初級采樣器采取的煤樣全部布置于膠帶給料機，通過稱重測得初級子樣的實際質(zhì)量，通過與理論質(zhì)量的數(shù)據(jù)比較判斷判斷初級采樣器鏟斗、連接煤溜管是否發(fā)生堵塞。

2.3 樣品收集器稱重系統(tǒng)

在樣品收集器下方安裝1套稱重儀如圖4所示，整體托起樣品收集器，接入模擬量輸入模塊，稱重信號通過電纜傳入模擬量輸入模塊并由PLC分析計算。

圖4 樣品收集器稱重系統(tǒng)Fig.4 Sample collector weighing system

稱重數(shù)據(jù)在上位機界面顯示樣品收集器內(nèi)煤樣的實時質(zhì)量，在正常采樣過程中如果長時間質(zhì)量未增加，則提示報警。

2.4 超聲波煤流監(jiān)測

超聲波煤流監(jiān)測系統(tǒng)如圖5所示，其通過設(shè)置于轉(zhuǎn)運膠帶上方安裝的超聲波傳感器完成對系統(tǒng)內(nèi)煤流的高度、長度等參數(shù)的實時監(jiān)測，通過對轉(zhuǎn)載膠帶前端整形閘板進(jìn)行的動態(tài)調(diào)整保證膠帶內(nèi)煤流正常通過。

圖5 超聲波煤流監(jiān)測Fig.5 Ultrasonic coal flow monitoring

2.5 破碎機振動監(jiān)測系統(tǒng)

在破碎機腔體外側(cè)設(shè)置振動傳感器，通過振動傳感器測得破碎機動作過程中水平徑向振動、垂直徑向振動的數(shù)據(jù)采集來實現(xiàn)對設(shè)備內(nèi)煤炭樣品的破碎過程監(jiān)測。破碎機振動監(jiān)測如圖6所示，破碎機水平徑向振動和垂直徑向振動的監(jiān)測區(qū)域分為正常區(qū)、注意區(qū)、異常區(qū)，水平徑向和垂直徑向振幅位于正常區(qū)時說明系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，振幅監(jiān)測位于注意區(qū)時，破碎機內(nèi)疏通裝置動作，對破碎機腔體內(nèi)堵塞物料進(jìn)行疏通，及時恢復(fù)系統(tǒng)正常運行。振幅監(jiān)測長時間處于注意區(qū)時須在下一作業(yè)周期開始前進(jìn)行人工處理，振幅監(jiān)測異常區(qū)超過20 s時需立即停機檢查。

圖6 破碎機振動監(jiān)測Fig.6 Crusher vibration monitoring

2.6 初采器鏟斗全角度監(jiān)測系統(tǒng)

原有初采器配備1個停止限位傳感器和1個半圓保護(hù)傳感器，初采器收到停止限位傳感器信號后，動作停止，具體停止位置無法監(jiān)測，半圓保護(hù)傳感器用于監(jiān)測鏟斗故障位置區(qū)域，其他區(qū)域暫無法監(jiān)測。初采器鏟斗全角度監(jiān)測系統(tǒng)可以通過安裝于初級采樣器旋轉(zhuǎn)切割鏟斗連接軸端的角度傳感器測得角度位置對初采器的正常工作狀態(tài)、安全工作狀態(tài)進(jìn)行判斷。初采器鏟斗全角度監(jiān)測系統(tǒng)如圖7所示，對采樣器鏟斗停止區(qū)域可劃分為:鏟斗正常工作區(qū)域、鏟斗非正常安全停止區(qū)域、鏟斗故障位置區(qū)域。鏟斗處于故障區(qū)域時系統(tǒng)會立即停機并發(fā)出報警聯(lián)鎖信號，鏟斗多次處于非正常安全停止區(qū)域時，需停機檢查，從而避免事故擴(kuò)大[11-16]。

圖7 初采器鏟斗全角度監(jiān)測系統(tǒng)Fig.7 Full-angle monitoring system diagram of the bucket of the primary extractor

2.7 多物理量采集系統(tǒng)

多物理量采集系統(tǒng)如圖8所示，多物理量感知信息的采集過程是被感知到的各項數(shù)據(jù)從感知節(jié)點即質(zhì)量、超聲波、振動、物料等傳感器信號多物理量采集系統(tǒng)匯集的過程。數(shù)據(jù)的采集過程要求數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中沒有任何損失，并需要對不同數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對性的適用的收集、分析、處理等方案。

圖8 多物理量采集系統(tǒng)Fig.8 Multi-physical quantity acquisition system

感知信息采集是為了獲取所需目標(biāo)的真實情況，然而由于設(shè)備運行狀態(tài)的不斷變化和周圍環(huán)境問題的影響，對于數(shù)據(jù)的獲得往往伴隨著部分錯誤的異常數(shù)據(jù)。因此剔除錯誤數(shù)據(jù)以得到正確的數(shù)據(jù)對于保證監(jiān)控系統(tǒng)正常運行十分必要，對于錯誤數(shù)據(jù)的清除過程中部分?jǐn)?shù)據(jù)還會出現(xiàn)缺失的現(xiàn)象，缺失的數(shù)據(jù)要及時進(jìn)行估計，以便再次獲得完整、正確的數(shù)據(jù)信息。因此如何有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)的清洗和處理，對保證監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行具有決定性作用。

2.8 采制樣智能控制系統(tǒng)

采制樣智能控制系統(tǒng)如圖9所示，由采制樣設(shè)備、配電系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、工控機等組成，配電系統(tǒng)內(nèi)空開、接觸器、熱繼信號及現(xiàn)場設(shè)備傳感器信號等相關(guān)數(shù)據(jù)送入采制樣控制系統(tǒng)， PLC控制系統(tǒng)對采制樣設(shè)備的運行、停止、故障等所有信息均進(jìn)行實時采集/處理，并將一些必要的信號傳達(dá)給通過工控機上位機軟件傳達(dá)給控制室操作人員，以完成對系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的控制。

圖9 采制樣智能控制系統(tǒng)Fig.9 Intelligent control system for sample preparation

系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置稱重系統(tǒng)，通過樣品推算值與實際值、上下級設(shè)備的樣品質(zhì)量的比較，對設(shè)備的堵塞情況進(jìn)行預(yù)判，并通過局部振動、液壓疏通、高壓噴吹(棄樣部分)等措施對潛在堵塞環(huán)節(jié)進(jìn)行處理。通過對稱重、超聲波、振動、接近感應(yīng)等傳感器的信息采集和分析，實時掌握采制樣系統(tǒng)中煤流的位置和狀態(tài)，實現(xiàn)設(shè)備的實時故障診斷和故障預(yù)警。初采器設(shè)置角度傳感器，實現(xiàn)三百六十度實時檢測鏟斗位置，對不正常位置(未產(chǎn)生故障停機)及時檢修、校正，防止故障擴(kuò)大化。

3 結(jié) 語

通過分析研究移動煤流采制樣系統(tǒng)的工藝流程、機械設(shè)備結(jié)構(gòu)和煤流運行狀態(tài)及感知信息采集和分析技術(shù)，研發(fā)1套全流程物料感知系統(tǒng)，實時掌握采制樣系統(tǒng)中煤流的位置和狀態(tài)，實現(xiàn)設(shè)備的實時故障診斷和故障預(yù)警，系統(tǒng)自動進(jìn)行故障處理，保證系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)，符合智能化發(fā)展方向。移動煤流采制樣系統(tǒng)全流程物料感知系統(tǒng)投入使用后，采制樣系統(tǒng)可不配備現(xiàn)場巡視人員，節(jié)省人工成本。