一种用于胶带运输机的金属探测装置.pdf
收稿日期 2 0 1 9 - 1 0 - 0 8 作者简介 王 荣( 1 9 6 9 ) 男, 陕西神木人, 2 0 1 0年毕业于内蒙古工 业大学电气工程及其自动化专业, 高级工程师, 现从事煤矿机电管理 工作。 一种用于胶带运输机的金属探测装置 王 荣1, 王新园2 ( 1 . 神东煤炭集团哈拉沟煤矿, 陕西 神木 7 1 9 3 0 0 ; 2 . 陕西榆林能源集团横山煤电有限公司, 陕西 榆林 7 1 9 0 0 0 ) 摘 要 为优化胶带运输机除铁作业模式, 防止“ 倒刺” 现象的发生, 研制了一套能够自动检测金属 的装置, 安装在除铁器之前, 以有效保护胶带机安全运行。分别从金属检测模块、 信号处理模块、 胶 带机控制模块及报警模块对该金属探测装置进行介绍, 并阐述了具体技术方案和工作方式。该装 置从信号检测到处理模块接收报警信号, 根据报警信号发出警报及停机, 可及时发现胶带运输机带 面上有危险的金属件, 告知巡查人员及时停机清除, 可有效避免事故发生; 且整体结构 简单, 对于实现胶带运输无人化、 自动化及智能化, 有积极的推动作用。 关键词 胶带运输机; 金属探测; 通信控制; 报警模块 中图分类号 T D 5 2 8 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 - 7 4 9 X ( 2 0 2 0 ) 0 3 - 0 1 0 6 - 0 4 Ame t a l d e t e c t i o nd e v i c ef o rb e l t c o n v e y o r WA N GR o n g 1, WA N GX i n y u a n2 ( 1 . H a l a g o uC o a l M i n e , S h e n d o n gC o a l G r o u pC o ., L t d ., S h e n m u7 1 9 3 0 0 , C h i n a ; 2 . H e n g s h a nC o a l P o w e r C o ., L t d ., S h a a n x i Y u l i nE n e r g yG r o u p , Y u l i n7 1 9 0 0 0 , C h i n a ) A b s t r a c t I no r d e r t oo p t i m i z et h ei r o nr e m o v a l m o d eo f b e l t c o n v e y o r a n dp r e v e n t t h eo c c u r r e n c eo f “ b a r b ” , as e t o f a u t o m a t i cm e t a l d e t e c t i o nd e v i c ew a s d e v e l o p e d , w h i c hi s i n s t a l l e di nf r o n t o f t h e i r o nr e m o v e r t o e f f e c t i v e l y p r o t e c t t h e s a f e o p e r a t i o no f b e l t c o n v e y o r . T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e m e t a l d e t e c t i o nd e v i c e f r o mt h e m e t a l d e t e c t i o nm o d u l e , s i g n a l p r o c e s s i n g m o d u l e , b e l t c o n v e y o r c o n t r o l m o d u l e a n da l a r mm o d u l e , a n de x p o u n d s t h e s p e c i f i c t e c h n i c a l s c h e m e a n dw o r k i n g m o d e . T h e d e v i c e c a ns e n do u t a na l a r ma c c o r d i n g t o t h e a l a r ms i g n a l , d i s c o v e r t h e d a n g e r o u s m e t a l p a r t s o nt h e b e l t s u r f a c e o f t h e b e l t c o n v e y o r i nt i m e , a n di n f o r mt h e p a t r o l p e r s o n n e l t o s t o pt h e m a c h i n e a n dc l e a r t h e m , w h i c hc a ne f f e c t i v e l y a v o i da c c i d e n t s . T h eo v e r a l l s t r u c t u r eo f t h ed e v i c ei s s i m p l e , w h i c hh a s ap o s i t i v er o l ei np r o m o t i n gt h er e a l i z a t i o no f u n m a n n e d , a u t o m a t i c a n di n t e l l i g e n t b e l t t r a n s p o r t a t i o n . K e yw o r d s b e l t c o n v e y o r ; m e t a l d e t e c t i o n ; c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l ; a l a r mm o d u l e 0 引言 在现代化高产高效矿井中, 胶带运输机是生产 环节中的关键设备之一, 它主要承担矿井煤炭的运 输任务。一旦胶带运输机出现故障停机, 采煤和掘 进也将无法继续进行, 造成严重的经济损失。在生 产和维修过程中, 由于施工工艺及岗位工的责任心 问题, 维护或清理不及时, 常常会有一些铁器( 比如 设备配件、 支护材料或检修时使用的铁器) 伴随着 煤炭一起进入胶带运输机, 这些铁器很容易对胶带 造成严重损伤, 造成胶带运输机长时间停机, 严重影 响生产[ 1 - 3 ]。目前胶带运输机上通常安装有除铁器 ( 主要有永磁和电磁形式) , 这种除铁器可以清除煤 炭中的部分铁器, 但是, 在实际生产过程中发现, 对 于厚钢板边角料、 钢管及圆钢这类长形的铁器, 在经 过除铁器时, 钢管的前端被除铁器吸起, 而后端仍然 601王 荣 王新园 一种用于胶带运输机的金属探测装置 2 0 2 0年 埋在煤流中, 形成了“ 倒刺” 。若胶带运输机继续运 行, 倒刺极有可能刺破胶带带面, 由于现有纵撕保护 的局限性, 无法立即停机, 将不可避免的造成撕带事 故[ 4 - 7 ]。 据调查了解, 每年矿井胶带运输机撕带、 断带事 故频发, 每起事故造成少则上百万, 多则上千万的经 济损失[ 8 - 1 0 ]。因此, 需要研制一套能够自动检测金 属的装置, 安装在除铁器之前, 一旦检测到长形铁 器, 可输出信号令胶带机停机, 及时检测除铁器, 有 效保护胶带机安全运行。 1 系统设计 1 . 1 系统功能 检测分析 针对长度大于除铁器安装高度的铁 器进行探测并分析, 同时滤除胶带接头金属卡子的 干扰信息。 报警停机 胶带运行时, 该系统检测到超长金属 时, 金属检测模块控制监控报警器进行报警, 通过弹 窗报警方式通知携带金属位置和大小, 并将信号传 输到胶带控制器, 报警提示工作人员及时清除铁器, 消除隐患。 1 . 2 基本原理 异常信号识别 运用铁器经过电流线圈产生的 局部磁场突变信息, 完整的提取这些“ 异常信号” 信 息, 并且运用正确的识别模式及数学模型加以解析, 实现对胶带机铁器进行实时有效管控的技术手段。 报警停机 该系统采用全天候实时的监管模式, 与胶带机启停连锁, 开机即开始监控, 有利于实时掌 握胶带机上有无铁器, 确保主运系统安全运行。 2 系统组成 该系统主要由金属检测模块、 通信控制模块、 胶 带机控制模块( 胶带机主控器) 及报警模块等单元 组成。 2 . 1 金属检测模块 构成与安装 金属检测模块包括多个金属探测 传感器, 多个金属探测传感器布置在一条线上且两 两相邻, 多个金属探测传感器覆盖的宽度大于( 不 小于5 0 0m m ) 胶带运输机的带面宽度。金属探测传 感器是电涡流传感器, 电涡流传感器的磁感线圈感 应高度不小于 4 0c m( 应根据使用胶带机带面宽度 适配) 。金属的尺寸包括金属长度值, 其中, 沿胶带 运输机带面运行方向的尺寸为金属长度值; 金属的 尺寸包括金属宽度值, 其中, 沿胶带运输机带面宽度 方向的尺寸为金属宽度值。如果信号处理模块获得 的金属长度值不大于 A且金属宽度值不大于 B , 信 号处理模块对该金属长度值和金属宽度值不予处 理; 其中 A和 B分别为用于连接胶带机各带面的金 属卡子的长度值和宽度值。金属检测模块由金属检 测器和磁感线圈组成, 安装位置及系统结构如图 1 所示, 磁感线圈紧密布设, 密度越大, 检测金属尺寸 精度会越高, 因此要选用体积小、 感应灵敏的传感器 效果较好。 701第 3期王 荣 王新园 一种用于胶带运输机的金属探测装置 检测方式 ①金属检测模块实时自适应皮带无 携带金属情况下感量, 可以达到抗干扰效果; ②通过 感量变化量判断是否存在金属; ③通过感量变化大 小和存在时间, 通过积分精确判断金属长度; ④通过 几个磁感线圈感量变化大小, 通过几个传感器变化 感量联合计算判断金属宽度; ⑤金属检测器通过自 适应和感知记忆培养, 结合上述方式, 区分胶带接头 之间的连接的金属带扣卡子和胶带运输携带金属, 并判断出金属的大小是否超限; ⑥当金属检测模块 检测到胶带运输携带金属超限时, 通过 C A N总线通 知通信控制器。 技术参数 该供电电压为 D C 1 2V , 工作电流 ≤1 0 0m A ; 环境温度 2 0~ 1 0 0℃, 灵敏度≥0 . 4m , 检测速度≥1 0 0k m/ h 。C A N接口通信, 通讯速率 1 0 0k b / s , 具有 C A N网络联网监测功能, 故障监测 报错。灵敏度可调节, 具有实时自适应能力; 支持传 感器扩展功能。 图 1 安装位置及系统结构 基本原理 ①金属检测模块包括多个金属探测 传感器, 多个金属探测传感器布置在一条直线上 ( 随上层胶带带面弯曲呈槽型) , 横向覆盖范围大于 胶带机的带面宽度; ②金属探测传感器采用电涡流 传感器, 电涡流传感器的磁感线圈感应范围应不小 于 0 . 4m ; 电涡流传感器可检测金属例如铁器相对 于传感器本身的位移值信息, 根据位移值可得到铁 器的尺寸; ③在该设计方案中, 参考电涡流金属检测 传感器原理图, 如图 2所示, 电涡流传感器基于电涡 流效应, 即置于变化磁场中的块状金属导体或在磁 场中作切割磁力线的块状金属导体, 则在此块状金 属导体内将会产生旋涡状的感应电流的现象, 该旋 涡状的感应电流称为电涡流, 简称涡流。根据电涡 流效应原理制成的传感器称为电涡流式传感器; ④ 利用电涡流传感器可以实现对位移、 材料厚度、 金属 表面温度、 应力、 速度以及材料损伤等进行非接触式 的连续测量, 并且这种测量方法具有灵敏度高、 频率 响应范围宽、 体积小等一系列优点, 可准确测量被测 体( 金属导体) 与其探头端面之间的相对位移变化。 电涡流传感器主要包括 3部分, 分别是探头、 连接 线、 前置器; ⑤探头的核心部分为探头线圈, 当高频 振荡电流经过连接线, 进入探头线圈, 在线圈中产生 交变的磁场, 当有导体通过磁场时, 对应表面产生电 涡流效应, 并形成与探头线圈相反的交变磁场, 从而 使线圈的有效阻抗发生改变; ⑥前置器主要由振荡 器、 检测电路、 放大器组成, 它不仅为探头线圈提供 振荡电流, 同时将线圈阻抗的变化转化为电压信号。 该设计利用电涡流传感器中的线圈阻抗变化来判断 线圈上方( 即图1 中胶带机的上带面) 是否存在金属。 图 2 金属探测原理图 工作原理 ①实际生产中, 通常的胶带机转速为 恒定 v , 通过记录电涡流传感器异常变化的时间 t , 可以计算出金属导体在胶带机运行方向的长度 x = v t 。由于电涡流传感器均匀分散布置, 可以通过传 感器响应的个数 n及两探头之间分布距离 d , 得出 通过金属导体在胶带机运行方向的宽度 y =nd ; ②在信号处理器中提前设置危险铁器的长度警报阈 值和宽度警报阈值, 一旦 x 或 y 超限及时输出报警 及停机信号。关于电涡流传感器, 其基于法拉第电 磁感应原理, 根据电涡流效应制成的传感器称为电 涡流式传感器。前置器中高频振荡电流通过延伸电 缆流入探头线圈, 在探头头部的线圈中产生交变的 磁场; ③当被测金属体靠近这一磁场, 则在此金属表 面产生感应电流, 与此同时该电涡流场也产生一个 方向与头部线圈方向相反的交变磁场, 由于其反作 用, 使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变 ( 线圈的有效阻抗) , 这一变化与金属体磁导率、 电 导率、 线圈的几何形状、 几何尺寸、 电流频率以及头 部线圈到金属导体表面的距离等参数有关; ④通常 假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性, 则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的 电导率 σ 、 磁导率 ξ 、 尺寸因子 τ 、 头部体线圈与金属 导体表面的距离 D 、 电流强度 I 和频率 ω参数来描 述。则线圈特征阻抗可用 Z=F ( τ , ξ , σ , D , I , ω ) 函 数来表示。通常能做到控制 τ 、 ξ 、 σ 、 I 、 ω这几个参 数在一定范围内不变, 则线圈的特征阻抗 Z就成为 距离 D的单值函数, 虽然它整个函数是一非线性 的, 其函数特征为“ S ” 型曲线, 但可以选取其近似为 线性的一段; ⑤于是, 通过前置器电子线路的处理, 将线圈阻抗 Z的变化, 即头部体线圈与金属导体的 距离 D的变化转化成电压或电流的变化。输出信 号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化, 电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体做 有或无的检测。 特殊情形 在实际使用中, 一种特殊的情况是, 常见胶带机的带面使用 P V C类非金属阻燃带面材 料, 有时使用金属卡子进行带面间的联接。为避免 检测到金属卡子时发出干扰警报, 应当在检测到的 长度值不大于金属卡子长度、 且检测到的宽度值等 于金属卡子宽度时, 过滤此干扰信号。 2 . 2 通信控制器 基本原理 通信控制器通过 C A N总线和各个金 属检测模块连接, 实时将所检测到的金属超限信号 信息传输到胶带机控制器, 或通过 3 G/ 4 G 、 Wi F i 或 以太网方式告知上位机操作系统, 驱动控制器发出 停机指令。 技术参数 供电电压 D C 1 2V , 工作电流≤1 8 0m A , 801陕 西 煤 炭 2 0 2 0年 环境温度 - 2 0 ~ 1 0 0℃。C A N接口通信, 通讯速率 1 0 0K b / s , 以太网 1 0M/ 1 0 0M、 3 G/ 4 G通信或 Wi F i 通信。具有包括以太网、 3 G/ 4 G或者 Wi F i 的多种与 主环网连接的方式, 断网情况下可保存历史数据记 录 3 2K , 可同时接入 8 0个节点。能对多个网络同 时检测和控制, 并带有实时自动检测硬件故障功能, 保证系统运行的稳定性和可靠性。 2 . 3 报警及胶带机控制模块 报警模块 ①工作原理。金属检测模块检测到 有超限金属时, 触动语音报警器启动语音报警, 播报 语音内容可自主选择调配, 如“ 危险铁器, 请清除” ; ②技术参数。供电电压 D C 2 4V和 D C 1 2V , 声光语 音报警, 语音信号为“ 危险铁器请清除” , 亦可根据 用户要求选配; 语音报警响度不小于 8 5d B , 采用发 光二极管群组成连续的红色 L E D发光二极管光环, 光信号可见距离不小于 3 0m ( 黑暗中) ; 本安无源开 关接点信号, 电阻≤3 5 0Ω时可靠启动报警, 电阻≥ 1 0 0k Ω时停止报警, 具有过流、 过压保护功能。 胶带机控制模块( 胶带机主控器) 直接选用胶 带机配套使用的主控器, 通过通讯接口适配传输通 讯信息。 3 具体实施方案 3 . 1 结构框架 金属探测装置安装于胶带运输机的除铁器的上 游, 与除铁器的距离不小于 1 0m , 具体应根据该胶 带机运行速度、 坡度计算而调节, 保证停机指令发出 后, 胶带机惯性滑行距离小于设置的安全距离。金 属探测装置 1 0 0的结构框图, 如图 3所示。该金属 探测装置 1 0 0包括 金属检测模块 1 0 、 信号处理模 块 1 2 、 胶带机控制模块 1 4和报警模块 1 6 。其中, 金 属检测模块 1 0可获取胶带机带面上的金属的尺寸; 信号处理模块 1 2与金属检测模块 1 0连接, 信号处 理模块 1 2可从金属检测模块接收金属尺寸信息, 当 该尺寸值大于预定阈值时, 发出停机信号和报警信 号; 胶带机控制模块 1 4与信号处理模块 1 2连接, 胶 带机控制模块 1 4可从信号处理模块 1 2接收停机信 号, 根据停机信号控制胶带机停机; 报警模块 1 6与 信号处理模块 1 2连接, 报警模块 1 6可从信号处理 模块 1 2接收报警信号, 根据报警信号发出警报。 3 . 2 工作方式 铁器经过电流线圈产生局部磁场突变的信息, 图 3 金属探测装置 1 0 0结构框架图 金属探测装置可完整的提取这些“ 异常信号” 信息, 并进行解析, 通过磁感线圈感量有无变化计算金属 长度, 判定是否属于有危险的金属, 实现对胶带机的 实时有效管控, 保证胶带机可靠运行。利用金属检 测模块 1 0可获得金属的长度值和宽度值, 当检测出 某金属物例如铁器的长度超过了允许的最大限值, 即通知报警停机。同理, 如果该铁器的宽度超过了 允许的最大限值, 也需报警停机, 可采用语音报警装 置发出语音警报, 提醒操作人员及时清除物料中的 铁器。金属探测装置还可包括通信控制模块, 其与 信号处理模块 1 2连接, 通信控制模块可从信号处理 模块接收尺寸数据, 并将尺寸数据发送给上位机, 便 于操作人员查看和留存日志等。金属检测模块 1 0 与信号处理模块 1 2通过 C A N总线相连接。 4 结语 综上, 该装置整体结构简单, 利用该装置可及早 发现胶带机运输物料中的金属, 尤其在发现金属为 长形铁器时, 可及时报警并停机。本方案的金属探 测装置可通过磁感线圈感量有无变化计算金属长 度, 判定是否为有危险的金属, 避免撕带事故发生, 使胶带运输机的使用寿命提高, 易于维护和修理, 可 有效提高经济效益。该方案的金属探测装置可采用 全天候实时监管模式, 与胶带机启停连锁, 开机即开 始监控, 有利于实时掌握胶带机上有无金属, 弥补了 现有胶带机保护功能的缺陷, 确保胶带运输系统安 全高效运行。该装置配套自动除铁系统后, 将实现 检测、 除铁、 排杂自动一体化, 对于实现胶带运输无 人化、 自动化及智能化, 有积极的推动作用。 参考文献 [ 1 ] 谭文才, 刘俊, 田振华, 等. 矿山除铁器应用现状 及探讨[ J ] . 现代矿业, 2 0 1 9 , 3 5 ( 8 ) 1 5 1 - 1 5 3 , 1 5 6 . 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[ 3 ] 牛旭原. 浅析皮带运输机皮带的纵撕保护[ J ] . 陕 西煤炭, 2 0 0 7 , 2 6 ( 3 ) 2 3 - 2 4 .( 下转第 1 3 2页) 901第 3期王 荣 王新园 一种用于胶带运输机的金属探测装置 安全性; ②改进后的套管工艺基本原理是对套管端 口处进行加工以实现顺利对接, 该项作业可在套管 入井前在地面完成, 简化了井下作业环节, 减少安全 隐患; ③改进后的封孔工艺, 以无机充填材料替代高 分子材料, 消除了封孔过程中出现高温的隐患。 表 4 钻孔气密性监测表 钻孔进入采空 区累计天数/ d 工作面回风流 瓦斯浓度/ % 9 # 钻孔孔口 瓦斯浓度/ % 1 0 # 钻孔孔口 瓦斯浓度/ % 10 . 1 20 . 0 20 . 0 4 20 . 1 20 . 0 20 . 0 6 30 . 1 00 . 0 40 . 0 4 40 . 1 20 . 0 40 . 0 4 50 . 0 80 . 0 60 . 0 6 60 . 1 00 . 0 60 . 0 4 70 . 1 00 . 0 60 . 0 6 80 . 1 20 . 0 80 . 0 8 90 . 0 80 . 0 40 . 0 4 1 00 . 1 00 . 0 40 . 0 6 1 70 . 1 20 . 0 40 . 0 6 2 40 . 0 80 . 0 20 . 0 2 3 10 . 1 00 . 0 40 . 0 4 3 80 . 0 80 . 0 60 . 0 8 4 50 . 0 80 . 0 40 . 0 4 5 20 . 1 20 . 0 40 . 0 6 5 90 . 1 20 . 0 60 . 0 6 6 50 . 1 20 . 0 60 . 0 6 4 结语 通过工艺设计、 地面试验、 井下试验等几个阶段 的研究与验证, 提出了一种安全、 可靠、 高效的内套 袖套管工艺及配套的封孔工艺。套管工艺采用内套 袖套管工艺, 封孔工艺采用“ 两堵一注” 的全孔封孔 工艺, 并确定了两端孔口利用强度高、 凝结快的无机 充填材料封孔, 钻孔中段利用凝结较慢但成本较低 的水泥封孔。此外, 套管过程中以人力为主要动力 来源, 对作业效率存在负面影响, 寻找一种既安全又 高效的套管施工动力源是下一步需要探究的课题。 参考文献 [ 1 ] 王德明. 矿井通风与安全[ M] . 徐州 中国矿业大 学出版社, 2 0 1 2 . 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( 上接第 1 0 9页) [ 4 ] 任向军. 破碎作业多级多类除铁设备配合应用 [ J ] . 中国矿山工程, 2 0 1 7 , 4 6 ( 6 ) 3 5 - 3 7 . [ 5 ] 林献阳. 磁性矿物金属检测和自动除铁新技术 [ J ] . 现代矿业, 2 0 1 0 , 2 6 ( 9 ) 9 5 - 9 6 . [ 6 ] 洪文峰, 魏立峰. 智能金属探测器设计[ J ] . 工矿 自动化, 2 0 1 3 , 3 9 ( 4 ) 4 0 - 4 3 . [ 7 ] 李朝泽. 带式输送机除铁系统应用方案优化[ J ] . 露天采矿技术, 2 0 1 7 , 3 2 ( 1 ) 6 0 - 6 3 . [ 8 ] 姜志华. 电磁除铁器和金属探测器在皮带运输机 上的应用[ J ] . 铜业工程, 2 0 0 9 , 2 6 ( 1 ) 6 7 - 6 8 , 8 8 . [ 9 ] 胡方明. 煤矿井下皮带运输机落煤装置的研制设 计[ J ] . 机械管理开发, 2 0 1 9 , 3 4 ( 6 ) 8 - 9 , 4 6 . [ 1 0 ]李志霞. 煤矿井下胶带运输系统新型除铁装置设 计与应用[ J ] . 山东煤炭科技, 2 0 1 8 , 4 6 ( 5 ) 1 4 0 - 1 4 2 . 231陕 西 煤 炭 2 0 2 0年