導(dǎo)語：膠帶運(yùn)輸機(jī)是煤礦生產(chǎn)中的基本運(yùn)輸設(shè)備，其長時(shí)間負(fù)載運(yùn)行容易發(fā)生各類故障，對人員和機(jī)械設(shè)備的安全造成極大的隱患。本期轉(zhuǎn)化果推薦的《膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)激光/光纖監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)研究》重點(diǎn)是對機(jī)頭驅(qū)動電機(jī)及滾動、機(jī)尾電機(jī)、托輥、皮帶等運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，并利用AI圖像智能識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行的全方位保護(hù)，消除隱患杜絕事故發(fā)生。
一、項(xiàng)目背景
膠帶運(yùn)輸機(jī)是煤礦行業(yè)基本的傳輸工具，在煤礦運(yùn)輸工作中發(fā)揮著不可替代的作用，由于膠帶機(jī)長時(shí)間負(fù)載運(yùn)行，容易發(fā)生各類故障，如托輥損壞、皮帶斷裂、皮帶撕裂、跑偏、打滑、堆煤、火災(zāi)等，這些故障的發(fā)生對人員和機(jī)械設(shè)備的安全造成了極大的隱患。一旦其異常運(yùn)行將直接影響煤礦生產(chǎn)，帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失影響人員生命安全，因此對膠帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及故障監(jiān)測預(yù)警具有重要意義。
二、監(jiān)測內(nèi)容
1.主要監(jiān)測目標(biāo)根據(jù)相關(guān)皮帶發(fā)生故障分析，需要重點(diǎn)關(guān)注皮帶運(yùn)行中關(guān)鍵設(shè)備的監(jiān)測，包括：機(jī)頭驅(qū)動電機(jī)及滾動、機(jī)尾電機(jī)、托輥、皮帶運(yùn)行的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。
圖1 膠帶運(yùn)輸機(jī)安全運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭D
2.監(jiān)測內(nèi)容
（1）預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成
膠帶運(yùn)輸機(jī)安全運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要包括：皮帶巷火災(zāi)分布式光纖測溫及噴淋系統(tǒng)、分布式無源托輥工作狀態(tài)監(jiān)測及異常定位監(jiān)測系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)測及異常分析預(yù)警系統(tǒng)、膠帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭機(jī)尾熱成像、皮帶跑偏、堆煤監(jiān)測、危險(xiǎn)區(qū)域防入侵監(jiān)測等。
（2）子系統(tǒng)功能
分布式光纖測溫技術(shù)通過安裝在皮帶機(jī)沿線的感溫光纜，感知膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行過程中火災(zāi)熱源，通過分布式光纖測溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的感知及準(zhǔn)確定位，并通過聯(lián)動電磁閥，對膠帶機(jī)部位進(jìn)行噴淋灑水。
通過沿膠帶運(yùn)輸機(jī)敷設(shè)光纜運(yùn)監(jiān)測沿線托輥振動異常的信號特征，采用分布式光纖振動技術(shù)進(jìn)行特征信號的采集及識別，實(shí)現(xiàn)故障托輥的預(yù)警及定位。
研究膠帶驅(qū)動電機(jī)及驅(qū)動滾筒的軸承振動特征、異常狀態(tài)的快速識別判斷及預(yù)警。采用光纖光柵監(jiān)測技術(shù)針對電機(jī)、關(guān)鍵設(shè)備主要軸承振動、溫度狀態(tài)監(jiān)測，實(shí)時(shí)分析時(shí)頻域信號，判斷軸承的機(jī)械異常，提前預(yù)警，實(shí)現(xiàn)溫度保護(hù)及火災(zāi)的定位。
采用紅外熱成像技術(shù)，研究驅(qū)動滾筒膠帶打滑位置產(chǎn)生的高溫特性及溫度場分布，采用高清視頻攝像技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測卸料口狀況，利用AI圖像智能識別技術(shù)完成堆煤、跑偏、異物識別、防入侵等功能。
三、各系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)
1.帶式輸送機(jī)溫度保護(hù)-皮帶巷火災(zāi)分布式光纖測溫
圖2 膠帶運(yùn)輸機(jī)火災(zāi)分布式光纖溫度監(jiān)測拓?fù)鋱D
傳統(tǒng)方案通過安裝煙霧傳感器監(jiān)測皮帶巷道火災(zāi)信息，當(dāng)煤礦井下皮帶輸送機(jī)膠帶因摩擦發(fā)熱或其它原因產(chǎn)生煙霧時(shí)，煙霧傳感器在產(chǎn)生煙霧下風(fēng)處適當(dāng)位置獲得信號時(shí)，延時(shí)小于2秒保護(hù)停車，并啟動灑水裝置灑水。
光纖解決方案：一旦發(fā)生火災(zāi)，通過分布式光纖測溫技術(shù)可實(shí)現(xiàn)火源的定位，方便滅火、撤離及救援；
膠帶運(yùn)輸機(jī)分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)具有對膠帶運(yùn)輸機(jī)周圍溫度連續(xù)測量的功能，全線監(jiān)測巷道溫度變化情況，實(shí)時(shí)顯示線路隨距離變化的溫度分布曲線。對整條膠帶運(yùn)輸機(jī)線路的溫度異常點(diǎn)及時(shí)報(bào)警，光纖分布式測溫具有不帶電、本質(zhì)安全、施工簡單等優(yōu)點(diǎn)。監(jiān)測主機(jī)放置在井下中央變電所，并通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至地面中心。
圖3 膠帶運(yùn)輸機(jī)巷道火災(zāi)分布式光纖測溫敷設(shè)（2種方式）
2.帶式輸送機(jī)打滑保護(hù)-滾筒紅外熱成像及托輥異常聲音監(jiān)測
皮帶打滑的主要原因是驅(qū)動滾筒與皮帶張力耦合不好，打滑時(shí)存在較大的摩擦力，短時(shí)間內(nèi)溫度上升，采用紅外熱成像儀對皮帶打滑點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測；
皮帶沿線托輥連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，故障托輥時(shí)有發(fā)生，采用分布式光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)異常托輥振動時(shí)發(fā)出的異常聲音。
圖4 分布式光纖托輥振動監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)鋱D
圖5 皮帶機(jī)托輥打滑分布式光纖聲音監(jiān)測系統(tǒng)離線分析軟件界面
3.帶式輸送機(jī)超溫灑水保護(hù)-驅(qū)動電機(jī)滾筒光纖光柵溫度振動監(jiān)測
在驅(qū)動電機(jī)、滾筒安裝光纖光柵溫度、振動傳感器，監(jiān)測設(shè)備異常工作狀態(tài)。
圖6 安裝示意圖
4.紅外熱成像監(jiān)測
結(jié)合煤礦現(xiàn)場實(shí)際情況，可在重要大型機(jī)電設(shè)備場所、電力設(shè)施場所等位置布設(shè)紅外熱成像智能熱點(diǎn)監(jiān)測設(shè)備，對于現(xiàn)場和設(shè)備異常的溫度情況作出快速準(zhǔn)確的預(yù)警，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場圖像更有利于決策分析。
熱成像技術(shù)采用特殊傳感器偵測紅外線，根據(jù)不同物體之間的溫差，生成清晰的紅外圖像。該技術(shù)能夠在完全無光的環(huán)境下、夜間、透過灰霧、煙霧以及從遠(yuǎn)距離看到所觀察的物體。
圖7 礦用本安型熱成像儀及皮帶成像圖片
5.高清AI智能識別
通過AI攝像頭分析判斷連續(xù)檢測到煤位超過預(yù)定位置，系統(tǒng)應(yīng)即時(shí)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)堆煤預(yù)警。在皮帶機(jī)尾安裝皮帶異物識別攝像儀，運(yùn)用AI智能視頻監(jiān)測技術(shù)識別皮帶輸送物料中的大塊矸石、鋼釬、廢鋼鐵、木材等雜物，防止損傷或撕裂皮帶，一旦識別出皮帶上有異物，系統(tǒng)平臺立即報(bào)警或停機(jī)。在皮帶機(jī)頭、機(jī)尾及皮帶易跑偏位置設(shè)置視覺識別攝像儀，利用圖像識別技術(shù)自動完成皮帶視頻圖像的采集、顯示、存儲和處理，通過對皮帶運(yùn)行狀態(tài)的圖像分析來判斷皮帶是否跑偏，根據(jù)皮帶跑偏的嚴(yán)重程度，系統(tǒng)平臺發(fā)出報(bào)警信號或停機(jī)信號。
圖8 現(xiàn)場監(jiān)測圖
四、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)
預(yù)警特征參數(shù)：振動，溫度，熱成像、分布式振動等參數(shù)。
1.分布式光纖測溫監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)
（1）防爆型式：礦用本質(zhì)安全型；
（2）測量距離：≥10km；
（3）測溫范圍：-10～120℃；
（4）通道數(shù)目：8；
（5）運(yùn)行操作系統(tǒng)：嵌入式操作系統(tǒng)；
（6）防護(hù)等級：IP65；
2.分布式無源托輥工作狀態(tài)監(jiān)測及異常工作定位監(jiān)測系統(tǒng)
基于瑞利散射原理研發(fā)的分布式振動監(jiān)測系統(tǒng)，采用分布式光纖振動技術(shù)進(jìn)行特征信號的采集及識別，實(shí)現(xiàn)對故障托輥的有效定位。具體指標(biāo)如下：
（1）防爆型式：礦用隔爆兼本安型；
（2）探測光纖長度：≥40km；
（3）光纖類型：9/125um單模光纖;
（4）空間分辨率：1m;
（5）頻響范圍：5～1000Hz;
（6）通訊方式：以太網(wǎng)及雙芯單模光纖接口；
3.機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)與故障分析診斷預(yù)測系統(tǒng)
可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、高速、連續(xù)、在線監(jiān)測的礦用光纖光柵解調(diào)分站。
技術(shù)指標(biāo)如下：
（1）波長范圍：1528nm～1568nm;
（2）掃描頻率：1-2kHz;
光纖振動傳感器：
（1）測量范圍：10mg～3g;
（2）靈敏度：1mg;
光纖溫度傳感器：
（1）測量范圍：-20～120℃；
（2）精度：±1℃。
4.紅外熱成像及AI圖像識別系統(tǒng)
利用熱成像及AI圖像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)堆煤的準(zhǔn)確判斷，對典型異物進(jìn)行及時(shí)有效識別，皮帶跑偏及危險(xiǎn)區(qū)域人員防禁入識別具體指標(biāo)如下：
（1）具有紅外熱成像與可見光混合圖像顯示；
（2）通訊接口：網(wǎng)口和光纖；
（3）實(shí)現(xiàn)皮帶上大體積煤塊（或煤矸石）以及錨桿、托盤等大型異物的視頻識別報(bào)警；
（4）實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)堆煤判斷；
（5）實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)跑偏監(jiān)測；
（6）實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域人員防禁入識別及報(bào)警。
五、軟件設(shè)計(jì)
軟件主要完成礦用光纖系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、圖形顯示、曲線顯示、報(bào)表查詢等功能，以使地面人員及時(shí)掌握井下各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境溫度變化情況，有效預(yù)防危險(xiǎn)發(fā)生，為煤礦井下安全生產(chǎn)提供重要保障。
1.系統(tǒng)軟件
主要包括：數(shù)據(jù)采集程序，WEB客戶端程序， SQLserver數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等組成部分
（1）數(shù)據(jù)采集程序：主要用于采集井下各分站的原始數(shù)據(jù)加以分析處理保存到數(shù)據(jù)庫。
（2）WEB客戶端程序：主要用于系統(tǒng)信息的web發(fā)布，用戶通過使用web瀏覽器登錄服務(wù)器，即可以在任意一臺電腦上查看系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表打印等功能。
（3）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫采用微軟公司的SQLserver數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫管理工具，具有5年以上的數(shù)據(jù)容量。
圖9 WEB 軟件系統(tǒng)架構(gòu)原理圖
2.主要功能
（1）實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，異常信息及時(shí)報(bào)警，包括聲光、短信等多種報(bào)警方式；
（2）顯示巷道布置模擬圖、設(shè)備、傳感器等安裝位置及狀態(tài)直觀明確；
（3）歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)存儲、查詢功能；
（4）故障信息報(bào)警提示、存儲記錄功能；
（5）報(bào)表訂制，導(dǎo)出打印功能。
系統(tǒng)采用B/S模式，客戶端運(yùn)行于windows操作系統(tǒng)。
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