输煤皮带机现场智能检测保护系统的研究

　　林周勇　陈优异　黄兆玺

　　国能（泉州）热电有限公司，福建 泉州 362804

　　摘要：煤炭产业日益兴旺，皮带输送机是煤炭运输的重要载体，并逐渐成为现代运输的重要手段。由于其性能的特殊性，矿井条件较差，在长时间的煤炭生产和运输中，皮带输送机极易发生各种故障。因此，文章针对皮带运输机的特性、用途进行了阐述，并对其结构进行了分析，并对其在实际中的应用进行了探讨。

　　关键词：输煤皮带机；保护系统；故障诊断；智能控制　文献标识码：A　　中图分类号：TL374

　　文章编号：2096-4137（2023）19-72-03　　DOI ：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2023.19.20

　　由于生产环境过于潮湿、粉尘较大、开关磨损等原因，导致皮带输送机的现场智能监测与保护系统工作受到影响，从而导致其使用寿命缩短。尤其是在皮带上有异物（木块、石头、铝块）时，现有的仪器、无法进行检测、，只能通过工业电视的摄像头和监视器查看设备的运行情况，由于工作时间过长，眼睛会产生疲劳，并且在使用过程中会发生一些异常，如果不能及时关掉电源，设备就无法正常工作。因此，整个工作过程中需要一台自动检测装置。

　　1　相关概念及意义

　　1.1　煤矿带式输送机

　　带式输送机作为一种摩擦驱动的连续作业设备，随着矿山自动化程度的提高，其应用越来越广泛。在生产中，容易发生打滑、跑偏、堆煤、烟气、过热、撕裂等问题。此类问题严重威胁着矿山的安全。因此，有关科研人员研制出一种智能带式输送机管理与维护技术。智能监控与防护装置能够监测输出装置的运行情况，并在装置出现问题后及时报警并采取相应保护措施，以此保障输送机的安全性，并避免意外事故。本文的研究重点是KHP292 型控制保护上位机，HA 复合扬声器，速度、温度、堆煤、烟雾，偏转、撕裂等传感器及KTC203-ZD 终端作为控制保护系统。该系统可以实现各个传感器实时获取故障信息，故障信息经通信电缆反馈到主机，进行报警和采取适当保护措施。在此基础上，设计了一套完整的煤矿井下人员定位系统。针对实际工作中出现的一些问题，给出了解决方法。

　　该输送带长1.7km、带宽1.2m，共有1 个刹车、1 台电机风机、4 个驱动电机。通过使用主控计算机，实现输送机一键启动、故障检测与停机，沿线急停等、沿路呼叫等来实现输送机智能控制与防护。根据《煤矿安全规程》，传送带应配备烟雾传感器、煤堆传感器、速度传感器、温度传感器、超温喷水传感器、偏差传感器、撕裂传感器。主机应放置在输送机前端，并与烟、煤、速度、温度、挠度等传感器相连。要求输送机尾部配备撕裂、偏转和其他传感器，以实现整个输送线的故障报警和停机。主机要求有一键启停、故障报警及停车、信息打印、传感器的动态性实时显示、输送机速度、环境温度的实时显示及其他诸多功能。系统可实时监测皮带输送机的运行状况，及时发现问题并解决问题，保证了皮带输送机工作的安全性和稳定性。

　　1.2　智能控制系统

　　根据该矿带式输送机实际作业需要，针对该种皮带运输机控制系统展开研究。综合考虑皮带正常运行时耗煤量及工作时间（除检修过程外，均未出现特例），争取所装物品保持平衡，这能够实现对单根皮带输送机的四驱动力牵引系统进行集中控制、防护、沿线通话、语音报警和监控的功能。本系统能够实现矿山由工作面至地表全部生产、运输过程综合监控，并且能启闭受控设备配电开关及传输装置，对电流、频率、电压、功率、制动等进行操作、故障、备机、报警；减速器油的温度、油压、油泵的工作，减速器的冷却风扇工作；电动机转速、扭矩、过载保护等。发动机前，后轴的实时温度；烟，煤堆积，超温喷水，撕裂；电缆故障等多种传感器及检测装置的综合应用。对煤流量及多种信号进行实时监控，以及逻辑地计算上述传输信号的输出。文中着重阐述带式输送机紧急停、锁、牵引开关、烟尘、堆煤、跑偏、转速、超温喷水等问题，撕裂和其他保护系统。

　　KHP292 型矿用主控制箱，能实现综采，综采工作面，顺槽、牢固的皮带和其他安全保护、控制，沿途通话和故障监测、显示报警和其他功能。拥有的IO 模块提供30 路输入、 16 路开关量、8 路模拟量输入、16 路PT100 输入。它能对上位机本身和下位机的数据进行处理，并发出指令，并可以对设备的运行状态、故障报警、紧急停止等监控。内建代码程序和配置软件，具有完整的运行逻辑，并可以结合实际进行调节。

　　1.3　项目的意义

　　针对当前我国火力发电厂中存在的安全防护开关自动化程度不高问题，国家大力扶持智能电站建设等，在浙江浙能温州电力有限公司工程经验与先进技术支持下，结合国内输煤皮带机的安全保护现状，联合有关高校，积极推动产学研合作，实现技术成果转化，创新商业模式，拟开发一种以计算机视觉为基础的输煤皮带机一体化防护装置。由于计算机视觉技术、图像处理技术等迅速发展，采用基于视觉的检测技术，能够实现皮带实时监控，保证皮带安全运行，替代值班人员监视、分析、判断，大幅度提高输送机安全性能。全国已有的电厂、煤场所有煤炭输送系统都是通过远程监控实现远程控制，并且安装有一套完整的视频监测系统，但是目前还是通过值班人员人工对皮带使用情况进行监控判断。

　　2　该项目的技术关键（技术难点和创新点）

　　2.1　基于光流法的输煤皮带跑偏检测技术

　　每一种像素有一个特定的速度矢量，从而组成运动的向量场。在一定时期里，图像中的点将对应三维物体中的点，通过投影可计算出这一关系。以此为基础，应用各像素点速度向量特征进行动态分析。若无移动物体变动，整幅画面的光线是连续变化的。当运动着的物体呈现在图片上时，从这张图片来看，物体和背景将保持一种相对运动。在运动目标的形塑过程中，速度向量与背景速度向量有一定的区别，这样就很容易获得运动目标位置。

　　2.2　基于背景更新的输煤皮带堵煤检测技术

　　首先，提取一段时间的视频，提取原始的背景，然后利用单高斯背景进行分割，得到新的背景，再进行后续的背景更新。之后，利用形态学闭合算法对结果进行必要的处理，最后得出一个较为完整的煤块区域。由于检测的时间比较长，所以在后续的测试中，必须要有一段时间的录像进行。

　　2.3　基于联合信息展望输煤皮带异物检测技术

　　该算法基于 IFCM 的聚类算法，对背景进行了自适应建模和更新，并给出了鲁棒的背景模型。另外，利用背景差分法、帧间差分、空间域信息等技术，可以计算出腰带上的物体的面积，而根据系统设置的杂质区域，可以确定腰带上是否有异物。

　　3　智能系统控制方式

　　3.1　智能控制方案

　　KHP292控制保护主机系统有“集控”“地”“维护”“点动”4 种不同的控制方式。“集控”方式：“集控状态”，各组件与控制装置的直接连接。利用上位机对操作界面进行集控，实现一键启动、停止和语音广播等。采用“地”模式，即在“地” 状态下，多组控制设备之间的联动通过相应的启动和停止按钮，启动和停止受控设备的启动和关闭动作，并进行语音广播；控制装置的主电机和辅助装置根据预定的联锁顺序启动和停止。“维护”方式：在“维护”的情况下，受控设备故障信号全部屏蔽，该装置通过对应的起停按钮起停，执行语音广播；控制装置主电机，辅助装置按预设联锁次序启停。“点动”模式：当“点动”时，控制装置的主电机和辅助装置将完全脱离彼此的联锁，独立运行。在垂直操作时，主控制器信息提示板会给受控设备相应电机点动键定位。

　　本控制系统既具有现场编程，也完成了现场调试，可以当场设定电机的启动顺序、故障种类、信息延迟时间、信号端口地址等内容。它的最小储存能力是16G，针对历史数据存储，最小储存期5 年，并支援网络打印等。变频器调速是0 ～ 100%，可以连续调整。使用主控制器设定任何变频器的速度。皮带保护有走偏、纵向撕裂、堆煤、打滑、降尘、洒水等问题。此外，U 形插头无需布线，仅用1 根7 芯专用通信电缆就能完成全系统互联，且易于安装，具有上下皮带链的信号控制与报警功能。电路内扬声器停电后，可维持正常通信18h。系统具有语音广播校正功能，以汉字改变控制设备的名称，实现语音广播。实现CST、变频器等，福伊特和其他产品、勺杆等软启动自动逻辑控制系统，并进行制动和张力报警逻辑控制系统。

　　3.2　智能控制程序

　　选择CoDeSys 作为程序集中控制的主机，在此阐述该软件的设计。该软件界面友好，功能比较丰富。CoDeSys 是PLC 编程的有力工具，操作方便。它支持IEC61131-3 标准IL、ST、FBD、LD、CFC 和SFC。在相同的工程下，用户采用梯形图等各种编程语言。梯形图通常用于简单的逻辑运算和逻辑判断的顺序执行。如果想编写复杂的程序，需要使用高级语言进行描述。在使用过程中，使用梯形图形，即 LD 进行编程。在宿主中的代码早就编写好了内建程序，把程序作为模块调用比较方便。其次，可以增加或写入不存在的逻辑控制。由于内部的编程逻辑是为了满足矿井的要求而编写的，它的功能非常强大，因此可以不用所有的程序编写整个系统，只需要将它的功能模块中的所有功能模块复制出来即可。可以针对不同的客户要求，进行相应的自定义。

　　经过现场勘查，并根据矿山需求，采用KHP292 控制保护装置，它由4 个电动机、1 个电动机、1 个制动器和1 个堆煤传感器、1 个烟雾传感器、1 个温度传感器、2 个传感器、15 个HAI 手机组成。启动次序为电动机、风机制动启动时同步启动。它由传感器控制，每个感应器在动作时报警关机，实现集控保护。本文将介绍如何实现这些功能。保存已编写的节目。当需要修改时，把新程序放到存储器里。根据项目进行编译，看程式是否有不正确命令、逻辑错误及不正当字元。如果没有错误的话，该软件显示无误，可按下登录下载，下载安装好，点击登录，即可对PLC 进行操作。需要说明的是，集中控制系统设计仅留出通信接口，因此在启动CoDeSys 时，操作配置接口不能启动，确认没有问题后，下载并运行PLC，然后单击登录并退出，这样CoDeSys 程序就不会占用串口，把串口连接交给配置软件。

　　4　现场调试遇到的问题及解决方法

　　4.1　沿线闭锁数量不符

　　当线路铺设完毕、系统调试完毕、传感器安装完毕，主机上的锁定号码与现实中的数字并不相符，一共16 个，但主机上只有7 个，经过询问和自我检查，发现第8 个连接中断，造成了线路后方的信号中断。

　　4.2　沿线闭锁始终闪烁不定

　　集控机屏幕上显示的线路闭锁一直在闪烁，不稳定，询问原因是设备的后台配置中没有设定下位机的数目。底层计算机用于数据集合的传送和接收功能，因此必须为它提供一个虚拟的地址。在这条线路上设置虚拟地址，就是要让设备在7-7 线上找到上面的主机和下面的主机的位置，然后进行相应的分配。在首次试车时，由于没有设定与安装数目相符的下位机数目，因此，线路总是处于重置状态，即沿线路的闭锁始终处于不稳定的闪烁状态。若线路上的数目不一致，则会造成线路上的上位机工作不稳甚至不能正常工作。也就是说，线路上的感应器的工作状况，不能通过现场的启动键进行控制。

　　4.3　不显示终端电压

　　一般情况下，线路铺设完成后，主屏幕上会出现锁止次数和10 ～ 17V 的终端电压，当这条线路铺设完成后，终端电压就会出现在屏幕上。在询问之后，他们会根据现场的情况，利用两个通信设备和一个终端进行调查。经过检查，发现11 号锁线失效，终端电压不能从终端回到主机，如果没有终端电压，皮带机尾部不能正常工作。

　　5　结语

　　综上，文章阐述了以矿井皮带输送机为核心的智能控制与保护系统的关键技术，对于皮带输送机的跑偏、转速、撕裂等问题，实时采集烟雾和其他参数，以KHP292 为控制和保护主机，实现了数据分析，具有数据记录、故障报警的功能，实现实时监控、数据记录和故障报警功能，并根据实际情况，提出解决措施。

　　作者简介：林周勇（1987-），男，福建泉州人，国能（泉州）热电有限公司工程师，研究方向：热工自动化。

　　参考文献

　　[1] 郭晓霞，张少华．输煤皮带机现场智能检测保护系统的研究与应用[J]．内蒙古煤炭经济，2019（19）：42，53．

　　[2] 翁忠华．输煤皮带机现场智能检测保护系统的开发与应用[P]．浙江浙能温州发电有限公司，2018-12-22．

　　[3] 杨勇．输煤皮带机现场智能检测保护系统的研究与应用[J]．科技视界，2017（24）：190-191．

　　[4] 付振坤．发电厂输煤系统输煤皮带设备检修分析 [J]．内蒙古煤炭经济，2016（23）：24-25．

　　[5] 耿杰龙．基于机器视觉技术输送带撕裂检测应用研究 [J]．煤矿现代化，2018（4）：59-61．

　　（责任编辑：张志明）