新型光纖無源綜合保護在水泥廠皮帶輸送機中的應用

＊王冉冉 李叢毅 李強 邵林 李鵬 郗忠梅*

（1.山東農業大學 山東 271018 2.平邑中聯水泥有限公司 山東 273300 3.山東超晟光電科技有限公司 山東 271000 4.山東省農業裝備智能化工程實驗室 山東 271018）

引言

隨著整個社會城市化步伐的不斷推進，其對應的基礎設施建設逐步增長，因此水泥的需求呈現出持續增長的態勢。水泥是所有建筑工程的首選材料，全球水泥日產量超過400萬噸。在水泥生產國中，中國的水泥產量居首位，在2019年占全球產量的57%，遠遠超出第二名。在水泥廠產能和規模增長的過程中，因為水泥生產本身存在的特殊性，各種危險因素的存在，一旦處理不當，則會引發嚴重的安全隱患，安全生產標準制定的不合理，安全生產管理條例實行不規范是很多水泥企業的通病，同時還存在很多普遍性的問題。安全生產和安全管理問題已經作為企業經營管理的核心內容，越來越受到企業和社會關注[1-4]。水泥廠的安全事故不但會造成設備損傷、停產，給企業帶來經濟損失，更嚴重的是，事故對工人的人身甚至生命都造成重大威脅[5]。

在水泥工業的生產環節中，使用最多的是輸送設備，對比目前存在的一些水平輸送設備，皮帶式輸送機的運行設備相對較低，因而在水泥廠的原材物料、熟料輸送等環節，使用較多[6-7]。皮帶式輸送機雖然運送量大、結構簡單，但是由于其在輸送方向、密封、溫度等方面天然的缺點，在輸送過程中,使用綜合保護裝置對其運行具有重要作用，是保證皮帶輸送機安全運行的關鍵環節，也是很多行業和地區帶式輸送機運行規范的強制要求。

1.行業現有問題

由于行業特點，水泥廠規模較大，在水泥廠的生產過程中，有大量的機械設備，這些設備在運行過程中，有大量的包括變頻器在內的電氣設備，變頻器其自身的開關特性形成一個非線性負載，而改變交流電源的正弦波特性，從而在交流電力系統中會產生大量諧波，這些電氣設備在生產車間形成了極為復雜的電磁環境和大量的線路諧波，這些惡劣的條件對皮帶綜合保護裝置有極大的影響[8-9]。在皮帶的運輸過程中，托輥安裝位置不正確、傳動滾筒與改向滾筒不平行、膠帶接頭錯位、落料點位置不正、膠帶質量不好、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表現形式。帶式輸送機在工作過程中，載荷分布不均，受力復雜，一旦發生故障可能引起重大安全事故。因此，及時診斷發現帶式輸送機的故障，準確定位并處理，對實際生產過程的安全性十分重要[10-11]。為準確定位故障，學者在監控系統中采用了多種復雜算法的嘗試，但是這些算法都是基于傳感器的準確信號傳輸[12-13]，然而傳輸信號電纜在水泥廠車間復雜電磁環境下易受干擾，強屏蔽方式成本太高。因此在傳統皮帶保護中，信號誤報率較高，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是解決信號誤報的有效方式，因其安裝維護簡單，應用成本低，受到了國內外學者的廣泛關注[14-16]，但是在水泥廠現場粉塵較多，漂浮的灰塵極易在靜電作用下吸附到相機鏡頭上，因此相機鏡頭需要及時清理，否則難以持續工作。

因此目前水泥廠的皮帶機保護仍大多采用傳統的電氣回路方式。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連接方式。該方式下一旦有動作發生，或者有一個發生信號誤報，整條線路的故障點需要人工排查，造成用工成本增加，且維修和故障排除時間成本增加。串聯方式下區分故障位置，實現自動監測需要采用地址編碼器實現，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，為穩定可靠宜控制在800～1000m，超過這個距離應使用中繼器延長。增加地址編碼器和中繼器，會增加硬件造成布線布局復雜，增加器件也會使故障點相應增加，因此會使得整個保護系統的故障率和維修成本增加，維護維修時間也增加了工業生產的時間成本。同時由于車間粉塵較多，傳感器漂移大、需要校正、維護成本工作量大，大約有10%～20%維護量。

運行中的各種弊端，使得實際皮帶保護真正運行的利用率偏低。皮帶保護的棄用使得皮帶運行隱患增加，監控形同虛設。光纖無源型帶式輸送機綜合保護裝置是新一代基于光纖傳感技術的皮帶機綜合保護狀態在線監測系統，是基于全光纖的皮帶機綜合保護狀態實時監測系統，徹底解決目前系統電磁干擾和傳感器故障多的問題。

2.系統構成

光纖型輸送機綜合保護裝置是利用激光、光纖傳感和光通信等高科技技術構建的帶式輸送機綜合保護系統，是用來代替傳統的皮帶機拉繩、跑偏、堆料、撕帶綜合保護裝置。是基于光纖傳感技術應用于皮帶機防護的全新系統。通過光纖光柵傳感器，進行持續和實時的監控。采集光纖數據，經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、撕帶開關量動作，與安全生產系統結合，實現平臺預警，以及手機短信告警。從而達到對皮帶機進行綜合保護的目的。系統保護的示意圖如圖1所示。

圖1 光纖無源綜合保護系統組成示意圖

3.系統設計實例及結果

根據保護系統的特點，在平邑中聯水泥有限公司選取了5條皮帶機輸送線路進行了實驗，其電氣接線圖如圖2所示。

由圖2可知，本系統在配電室內，配備聯合申報單位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。配備人機界面（液晶彩色觸摸面板），可實時顯示皮帶機綜保運行參數、數據及故障記錄。通過光纖網絡，進行運輸系統沿線綜保數據的傳輸與控制。并留有工業以太網口，方便接入水泥廠DCS集控系統，實現了控制的自動化、智能化、模塊化、網絡化、信息化。在中控室配置1臺工控機，可將光纖綜保運行數據單獨顯示。

圖2 水泥廠系統設計實例

光纖無源型皮帶機綜合保護系統的傳感器包括光纖無源型拉繩開關、光纖無源型跑偏開關、光纖無源型堆料傳感器、光纖無源型撕帶傳感器。輸送機兩側每25m布置拉繩開關一對，安裝在皮帶機沿線兩側銜架上面。每條皮帶機機頭機尾各布置跑偏開關一對，安裝在皮帶機頭尾部兩側銜架上。拉繩開關和跑偏開關具有精準定位功能，報警后，方便查找復位。每條皮帶機各配1只堆料傳感器，安裝在機頭落料倉正上方。每條皮帶機各配1只撕帶傳感器，安裝在沿皮帶機運轉方向，距受料點3～5m處（上皮帶下方）。

該系統在車間已經連續安全運行了6個月，目前為止0故障。通過現場采集的數據也可以說明系統的運行狀況。圖3為整個系統判定傳感器在線的圖形，圖3（a）是光路正常時的狀態，整個光路的底噪值接近0V；圖3（b）是光路清潔度不夠或其他因素導致光路有反射時，整個光路的底噪值的基準線為0.25V左右，遠離光路的有效信號，可以通過設置閾值有效分辨。

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算，高于人為設定的報警值表示傳感器在線，反之表示傳感器不在線；避免了上位機環節中外界因素對光路的影響、減少中間環節，增加系統的穩定性。顯示的峰值既是傳感器的在線狀態，設定峰值下限為10～15，當傳感器動作后，峰值低于下限值，判定為傳感器動作，或不在線。如圖4所示，該系統的判斷接線明顯，不會出現誤動作的現象。

圖4 報警閾值采集示意圖

4.結論

本系統的傳感器采用無源技術，無需電源技術，整個一次側采用光纜連接，技術在國內尚屬首創，同時光纜技術還可以節約我國的銅礦資源。

無源模式下，全程采用光纜通訊技術，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，無需中繼即可實現長距離通訊。利用傳感器的光信號波段識別技術，無需地址編碼器即可完成故障定位，結合安全生產監控系統或者DCS可實現皮帶運行狀態的監控和報警。

傳感器采用膠裝密閉設計，機械動作磨損減少，壽命增加。同時不受電磁信號干擾影響，安裝傳感器無需復雜調試校正過程。