新型光纤无源综合保护在水泥厂皮带输送机中的应用

2022-05-13王冉冉李丛毅李强邵林李鹏郗忠梅

当代化工研究 2022年8期

＊王冉冉李丛毅李强邵林李鹏郗忠梅*

（1.山东农业大学山东 271018 2.平邑中联水泥有限公司山东 273300 3.山东超晟光电科技有限公司山东 271000 4.山东省农业装备智能化工程实验室山东 271018）

引言

随着整个社会城市化步伐的不断推进，其对应的基础设施建设逐步增长，因此水泥的需求呈现出持续增长的态势。水泥是所有建筑工程的首选材料，全球水泥日产量超过400万吨。在水泥生产国中，中国的水泥产量居首位，在2019年占全球产量的57%，远远超出第二名。在水泥厂产能和规模增长的过程中，因为水泥生产本身存在的特殊性，各种危险因素的存在，一旦处理不当，则会引发严重的安全隐患，安全生产标准制定的不合理，安全生产管理条例实行不规范是很多水泥企业的通病，同时还存在很多普遍性的问题。安全生产和安全管理问题已经作为企业经营管理的核心内容，越来越受到企业和社会关注[1-4]。水泥厂的安全事故不但会造成设备损伤、停产，给企业带来经济损失，更严重的是，事故对工人的人身甚至生命都造成重大威胁[5]。

在水泥工业的生产环节中，使用最多的是输送设备，对比目前存在的一些水平输送设备，皮带式输送机的运行设备相对较低，因而在水泥厂的原材物料、熟料输送等环节，使用较多[6-7]。皮带式输送机虽然运送量大、结构简单，但是由于其在输送方向、密封、温度等方面天然的缺点，在输送过程中,使用综合保护装置对其运行具有重要作用，是保证皮带输送机安全运行的关键环节，也是很多行业和地区带式输送机运行规范的强制要求。

1.行业现有问题

由于行业特点，水泥厂规模较大，在水泥厂的生产过程中，有大量的机械设备，这些设备在运行过程中，有大量的包括变频器在内的电气设备，变频器其自身的开关特性形成一个非线性负载，而改变交流电源的正弦波特性，从而在交流电力系统中会产生大量谐波，这些电气设备在生产车间形成了极为复杂的电磁环境和大量的线路谐波，这些恶劣的条件对皮带综合保护装置有极大的影响[8-9]。在皮带的运输过程中，托辊安装位置不正确、传动滚筒与改向滚筒不平行、胶带接头错位、落料点位置不正、胶带质量不好、成槽性差为皮带跑偏的主要原因。皮带的撕裂、跑遍、断带为皮带故障的三个表现形式。带式输送机在工作过程中，载荷分布不均，受力复杂，一旦发生故障可能引起重大安全事故。因此，及时诊断发现带式输送机的故障，准确定位并处理，对实际生产过程的安全性十分重要[10-11]。为准确定位故障，学者在监控系统中采用了多种复杂算法的尝试，但是这些算法都是基于传感器的准确信号传输[12-13]，然而传输信号电缆在水泥厂车间复杂电磁环境下易受干扰，强屏蔽方式成本太高。因此在传统皮带保护中，信号误报率较高，这些算法往往不能解决根本问题。基于图像处理的故障检测技术是解决信号误报的有效方式，因其安装维护简单，应用成本低，受到了国内外学者的广泛关注[14-16]，但是在水泥厂现场粉尘较多，漂浮的灰尘极易在静电作用下吸附到相机镜头上，因此相机镜头需要及时清理，否则难以持续工作。

因此目前水泥厂的皮带机保护仍大多采用传统的电气回路方式。为减少干扰信号，降低电缆成本，传感器和按钮大都采用串联连接方式。该方式下一旦有动作发生，或者有一个发生信号误报，整条线路的故障点需要人工排查，造成用工成本增加，且维修和故障排除时间成本增加。串联方式下区分故障位置，实现自动监测需要采用地址编码器实现，通常采用RS-485总线通讯，波特率固定为9600b/s。总线最大通讯距离为1200m，为稳定可靠宜控制在800～1000m，超过这个距离应使用中继器延长。增加地址编码器和中继器，会增加硬件造成布线布局复杂，增加器件也会使故障点相应增加，因此会使得整个保护系统的故障率和维修成本增加，维护维修时间也增加了工业生产的时间成本。同时由于车间粉尘较多，传感器漂移大、需要校正、维护成本工作量大，大约有10%～20%维护量。

运行中的各种弊端，使得实际皮带保护真正运行的利用率偏低。皮带保护的弃用使得皮带运行隐患增加，监控形同虚设。光纤无源型带式输送机综合保护装置是新一代基于光纤传感技术的皮带机综合保护状态在线监测系统，是基于全光纤的皮带机综合保护状态实时监测系统，彻底解决目前系统电磁干扰和传感器故障多的问题。

2.系统构成

光纤型输送机综合保护装置是利用激光、光纤传感和光通信等高科技技术构建的带式输送机综合保护系统，是用来代替传统的皮带机拉绳、跑偏、堆料、撕带综合保护装置。是基于光纤传感技术应用于皮带机防护的全新系统。通过光纤光栅传感器，进行持续和实时的监控。采集光纤数据，经过后端分析处理和智能识别，判断出不同的外部光纤干扰类型，如拉绳、跑偏、堆料、撕带开关量动作，与安全生产系统结合，实现平台预警，以及手机短信告警。从而达到对皮带机进行综合保护的目的。系统保护的示意图如图1所示。

图1 光纤无源综合保护系统组成示意图

3.系统设计实例及结果

根据保护系统的特点，在平邑中联水泥有限公司选取了5条皮带机输送线路进行了实验，其电气接线图如图2所示。

由图2可知，本系统在配电室内，配备联合申报单位1台光纤无源型综保控制柜。该控制柜的控制核心由西门子系列可编程控制器+光纤分析控制仪组成。配备人机界面（液晶彩色触摸面板），可实时显示皮带机综保运行参数、数据及故障记录。通过光纤网络，进行运输系统沿线综保数据的传输与控制。并留有工业以太网口，方便接入水泥厂DCS集控系统，实现了控制的自动化、智能化、模块化、网络化、信息化。在中控室配置1台工控机，可将光纤综保运行数据单独显示。

图2 水泥厂系统设计实例

光纤无源型皮带机综合保护系统的传感器包括光纤无源型拉绳开关、光纤无源型跑偏开关、光纤无源型堆料传感器、光纤无源型撕带传感器。输送机两侧每25m布置拉绳开关一对，安装在皮带机沿线两侧衔架上面。每条皮带机机头机尾各布置跑偏开关一对，安装在皮带机头尾部两侧衔架上。拉绳开关和跑偏开关具有精准定位功能，报警后，方便查找复位。每条皮带机各配1只堆料传感器，安装在机头落料仓正上方。每条皮带机各配1只撕带传感器，安装在沿皮带机运转方向，距受料点3～5m处（上皮带下方）。

该系统在车间已经连续安全运行了6个月，目前为止0故障。通过现场采集的数据也可以说明系统的运行状况。图3为整个系统判定传感器在线的图形，图3（a）是光路正常时的状态，整个光路的底噪值接近0V；图3（b）是光路清洁度不够或其他因素导致光路有反射时，整个光路的底噪值的基准线为0.25V左右，远离光路的有效信号，可以通过设置阈值有效分辨。

图3 光路信号采集图

把传感器的底噪值及峰高值采集出来通过MODBUS通讯传送给PLC，由PLC对峰高值和底噪做运算，高于人为设定的报警值表示传感器在线，反之表示传感器不在线；避免了上位机环节中外界因素对光路的影响、减少中间环节，增加系统的稳定性。显示的峰值既是传感器的在线状态，设定峰值下限为10～15，当传感器动作后，峰值低于下限值，判定为传感器动作，或不在线。如图4所示，该系统的判断接线明显，不会出现误动作的现象。