蔣 歡

鎮(zhèn)江港務集團有限公司研發(fā)中心 鎮(zhèn)江 212000

0 引言

散貨碼頭整體生產智慧化的前提是基礎工藝裝備的智能化，帶式輸送機輸送設備的智能化改造升級是港口智慧化不可或缺的環(huán)節(jié)和步驟。實施帶式輸送機遠程在線檢測系統(tǒng)，對帶式輸送機系統(tǒng)關鍵設備動態(tài)實時在線檢測，能夠減少設備運行巡視人員配置，可以避免或降低人員技能和責任心問題帶來的設備運行風險。

1 輸送帶縱撕檢測系統(tǒng)綜述

輸送帶是整體輸送體系的關鍵模塊，能夠將輸送物從一個空間轉移到另一個空間。在當前多數(shù)輸送體系中，輸送帶撕裂一直是困擾輸送體系運作的重要因素，發(fā)生輸送帶撕裂的情況會帶來較大的經濟損失。林世鑫[1]分析了輸送帶撕裂的多種原因及解決方法，如重視輸送產品的質量、積極使用各類撕裂檢測設備等。其中撕裂檢測設備能夠在輸送帶發(fā)生撕裂的初期，將撕裂甄別出來并發(fā)出相應的警告信號，避免撕裂問題進一步擴大。

某港務公司主要負責散雜貨運輸，現(xiàn)有輸送帶45條，水平總長7 154 m，輸送帶點多面廣的情況給現(xiàn)場管理帶來挑戰(zhàn)，而輸送帶防撕裂保護是輸送帶管理中尤為棘手的問題。輸送帶的撕裂一般有橫向撕裂和縱向撕裂2大類，橫向撕裂大部分因為輸送帶內的鋼絲繩芯斷裂造成的，一般屬于輸送帶本身質量問題，此類事故發(fā)生的概率較低?？v向撕裂由于作業(yè)中硬物擠壓輸送帶，當達到輸送帶承載極限后，輸送帶被刺穿，輸送帶繼續(xù)運轉造成刺孔被拉伸，可能將整條輸送帶全部劃開，此類事故帶來的損失及影響更為嚴重。當前，示例港口仍沿用傳統(tǒng)機械接觸式檢測保護裝置，由于此類保護裝置自身存在一定缺陷，其可靠性較為低下。通過對傳統(tǒng)機械式防撕裂保護裝置進行改造，提升防撕裂保護可靠性、減少輸送帶縱向撕裂事故損失已十分緊要。

1.1 現(xiàn)有技術方案

1.1.1 激光探測縱向撕裂保護裝置

如圖1所示，由半導體激光器發(fā)出的激光經鏡片聚焦到被測物體上，反射光線被鏡片收集后投射到攝像頭上。信號處理器通過三角函數(shù)計算攝像頭上的光電位置得到被測物的距離信息。激光器和攝像頭分別裝置在上輸送帶的左右下側，激光器向輸送帶底部發(fā)射一條帶狀激光，在輸送帶表面反射后由攝像頭采集，實時輸出到控制計算機，得到輸送帶底3D圖像，可以直觀判斷輸送帶是否發(fā)生撕裂現(xiàn)象。一旦輸送帶發(fā)生縱向撕裂，系統(tǒng)將在第一時間發(fā)出報警并停止輸送帶運行。

圖1 激光探測裝置

石建華等[2]提出了一種基于激光線束輔助的視覺檢測系統(tǒng)，利用工業(yè)相機采集輸送帶上下表面的線激光投射圖像，基于Matlab軟件再對圖像進行分析，通過激光光條的特征形態(tài)來判斷輸送帶是否撕裂。但激光檢測在一些惡劣工況下如風塵、灑料較多的情況下容易造成誤報。當尖銳鋒利的鐵器造成輸送帶撕裂，撕裂時輸送帶由于張力關系，并未張開撕裂口，此時激光裝置也同樣難以檢測到。

1.1.2 感知式縱向撕裂保護裝置

如圖2所示，感知器采用先進的導電橡膠技術，當帶式輸送機的輸送帶被物料穿透后，隨輸送帶運行而積壓感知器，或出輸料口與膠帶之間因物料堵塞，通過活動門擠壓感知器輸出撕裂信號。電控箱接收感知器傳至的信號通過控制線路發(fā)出報警停機信號。

圖2 感知式縱向撕裂保護裝置

1.1.3 嵌入式撕裂保護檢查系統(tǒng)

采用在輸送帶中或輸送帶表面預埋設金屬導線、線圈、磁性物質或是某種導電、導磁材料等方法，檢測設備通過檢測輸送帶中預埋物的完整性來判斷輸送帶是否發(fā)生縱向撕裂。將一組金屬線圈橫向放置在帶芯內，在靠近輸送帶地方的兩側分別裝有電磁波發(fā)射和接收裝置。電磁波發(fā)射裝置向輸送帶發(fā)射電磁波，當輸送帶中的線圈經過時，線圈中將會產生感應電流，感應電流產生的電磁波被另一側的接受傳感器截獲。如輸送帶縱向撕裂，則線圈被切斷，接收裝置將收不到該信號，說明發(fā)生了縱向撕裂。

1.1.4 溫度感應式撕裂保護檢查系統(tǒng)

在輸送帶撕裂過程中，由于劇烈的撕扯會導致輸送帶內部能量發(fā)生變化，對外表征為破壞性形變和溫度上升。通過高精度紅外熱成像儀和高精度光學攝像機對輸送帶下覆面進行檢測，如果溫度超過設定的閾值則發(fā)出撕裂報警，進而通過連鎖保護停機。

張亮有等[3]提出了一種基于紅外熱成像技術的輸送帶縱向撕裂檢測方法，具有較好的實時性和準確性；朱劍峰[4]設計了基于紅外檢測技術撕裂事故在線檢測系統(tǒng)。在分析帶式輸送機在煤礦運輸系統(tǒng)中重要的地位和發(fā)展現(xiàn)狀基礎上，對紅外檢測技術的原理、計算公式、黑體波長與紅外輻射強度對應關系進行研究，結合井下輸送帶運行工況設計撕裂紅外檢測系統(tǒng)硬件結構，詳細分析系統(tǒng)各個模塊組成和功能，并對系統(tǒng)紅外檢測模塊和軟件程序進行設計。韓斌[5]提出了一種基于紅外視覺的輸送帶縱向撕裂預警方法，基于該方法的縱向撕裂預警平均檢測精度可達99.19%，能夠滿足系統(tǒng)的實時性要求。

1.1.5 金屬探測式撕裂保護檢查系統(tǒng)

通過金屬探測裝置掃描貨物中的金屬物質發(fā)出報警信號，避免金屬對輸送帶造成傷害。

1.1.6 礦用輸送帶鋼絲繩芯X射線探傷裝置

如圖3所示，X射線發(fā)射箱產生人造X射線，穿透被測輸送帶后在視頻圖像接收板成像。利用不同密度物質對X射線吸收率不同將鋼絲繩芯和輸送帶內外的缺陷異常清晰顯示出來。

圖3 礦用輸送帶鋼絲繩芯X射線探傷裝置

1.1.7 云端輸送帶撕裂視覺檢測系統(tǒng)

康彬[6]設計了一套行而有效的基于云端的輸送帶撕裂視覺檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將傳統(tǒng)的輸送帶撕裂故障診斷與互聯(lián)網、云技術和機器視覺相結合，建立起從圖像數(shù)據(jù)采集、撕裂故障的分析評估與診斷、信息數(shù)據(jù)的管理、到最后達到對帶式輸送機的維護這樣一整套診斷系統(tǒng)。

鑒于該港務公司目前的使用環(huán)境和以往的撕裂事故原因分析，溫度感應式撕裂保護技術不僅能夠對貫穿性撕裂起到保護作用，而且能夠對未貫穿的劃傷起到保護作用，較為適合輸送帶防撕裂需求。

2 輸送帶縱向撕裂技術方案設計

2.1 功能需求

紅外熱成像防撕裂保護裝置由數(shù)據(jù)采集層，數(shù)據(jù)分析層（上位機服務器）和集成檢測層構成。數(shù)據(jù)采集層（檢測模塊與數(shù)字化定位模塊）通過以太網或光纖網絡傳輸?shù)姆绞綄崟r檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機服務器中進行數(shù)據(jù)存儲、分析，并將分析結果傳輸至集成檢測系統(tǒng)。上位機或集成檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)報警事件遠程推送，同時向電控系統(tǒng)推送指令，觸發(fā)設備停機流程。

2.2 非功能需求

項目中所使用到的監(jiān)控硬件設備須全部按照工業(yè)級的標準進行設計和規(guī)劃，大部分設備長期暴露于露天環(huán)境中，必須確保設備可在極端環(huán)境下穩(wěn)定運行。應選用先進、成熟、主流的技術，搭建可升級、可擴展、可兼容的系統(tǒng)應用平臺，數(shù)據(jù)開放可接入現(xiàn)有設備管理平臺。

2.3 建設方案

帶式輸送機長約745 m，選取帶寬1 400 mm帶式輸送機作為試點，輸送帶縱撕裂檢測系統(tǒng)安裝在距落料點5～20 m位置。通過輸送帶縱撕裂檢測對輸送帶非工作面進行熱成像掃描，溫度超過設定的閾值則發(fā)出撕裂報警，進而通過連鎖保護停機，降低撕裂對輸送帶造成大的傷害。

3 溫度感應式撕裂檢測系統(tǒng)

3.1 結構組成

如圖4所示，溫度感應式撕裂檢測系統(tǒng)包括輸送帶機護板、編碼器安裝輔助板、RFID模塊、編碼器、編碼器安裝板、縱撕模塊-紅外線、縱撕模塊-可見光、通用橋架、帶式輸送機等。橫梁盡量貼近一側滾筒托架，給相機留足空間。

圖4 輸送機安裝布局圖

3.2 設備安裝

如圖5所示，在帶寬1 400 mm輸送帶式輸送機上，選取距落料點5～20 m位置，先將編碼器安裝在編碼器安裝板上，將整個編碼器和安裝板通過U形螺栓固定在通用橋架上；將1個縱撕模塊-可見光、2個縱撕模塊-紅外線分別通過U形螺栓安裝在通用橋架上，將整個安裝好的通用橋架從側面塞進輸送帶，固定在輸送機槽鋼上；將RFID模塊通過U形螺栓安裝在輸送機槽鋼上，設備安裝到位后開始調節(jié)距離；確保攝像頭覆蓋上輸送帶，確保編碼器輪子接觸到輸送帶，確保RFID天線在輸送帶中心位置。

圖5 輸送機安裝示意圖

圖6為護板安裝示意圖，將護板固定在輸送機護欄上，調整護板間距和數(shù)量，確保攝像頭區(qū)域內無強光。

圖6 護板安裝示意圖

3.2 邏輯架構

如圖7所示，輸送帶縱向撕裂在線檢測由數(shù)據(jù)采集層、網絡傳輸層、分析應用層、終端用戶層組成，其中數(shù)據(jù)采集層包括縱向撕裂檢測模塊、數(shù)字化定位模塊2大部分，網絡傳輸層為網線或光纖，分析應用層包括數(shù)據(jù)分析計算、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、縱撕報警5個部分，終端用戶層為中空平臺和PLC控制。

圖7 為輸送帶縱向撕裂在線檢測系統(tǒng)的邏輯架構圖

輸送帶縱向撕裂在線檢測裝置（檢測模塊與數(shù)字化定位模塊）通過以太網或光纖網絡傳輸?shù)姆绞綄崟r檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到分析應用層中進行數(shù)據(jù)存儲、分析、報警等，并將分析結果傳輸至中控平臺及輸送機PLC，觸發(fā)設備停機。

3.3 軟件平臺

圖8、圖9為終端用戶層的中控平臺，該平臺為綜合控制平臺，包含了輸送帶縱向撕裂在線檢測系統(tǒng)在內的多個系統(tǒng)。該中控平臺實現(xiàn)了用戶遠程對輸送系統(tǒng)進行實時監(jiān)控的功能，并將檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)以圖形化的方式予以展現(xiàn)，同時在系統(tǒng)軟件設有相應的畫面提示預警、狀態(tài)偏移閾值和故障等級。通過此在線檢測系統(tǒng)可對輸送帶進行7×24 h不間斷掃描，結合圖像識別和大數(shù)據(jù)分析技術，對裂縫的長度、方向連續(xù)性、分布規(guī)律性等進行判斷，能夠及時發(fā)現(xiàn)輸送帶撕裂故障，準確判斷故障位置，減少了現(xiàn)場巡檢人員的工作時間。

圖8 現(xiàn)有設備管理平臺

圖9 輸送帶實時監(jiān)測圖

3.4 防撕裂測試

輸送帶縱向撕裂在線檢測系統(tǒng)安裝完成后，在輸送機運行狀態(tài)下，模擬輸送帶縱撕效果，如圖10所示。

圖10 撕裂發(fā)生檢測圖

撕裂現(xiàn)象具備后，輸送帶縱向撕裂在線檢測系統(tǒng)可識別出模擬撕裂情況，中控平臺發(fā)出報警信息提示，同時現(xiàn)場電氣箱內蜂鳴器報警提示，輸送機停機。

從上述防撕裂測試試驗中可以看出輸送帶縱向撕裂在線檢測系統(tǒng)可以實施捕捉到縱撕畫面，同時形成報警信息，并且支持中控平臺報警信息提示和現(xiàn)場電氣箱內蜂鳴器報警提示。

4 應用效果

本縱向撕裂檢測系統(tǒng)硬件成熟度高，維護成本低，帶式輸送機現(xiàn)場可實現(xiàn)無人值守，有效降低非計劃性停機率，延長帶式輸送機硬件使用壽命，穩(wěn)定生產。

1）縱撕檢測系統(tǒng)中可見光攝像機實時檢測輸送帶非工作面運行情況，配合熱成像攝像機進行異常圖像的存儲與分析，從而實現(xiàn)異常視頻及圖像的追溯；具備自動校準功能（Flat-Field Calibration，F(xiàn)FC）進行校準后，熱成像畫面質量將會得到優(yōu)化，溫度變化更容易被觀察，防止溫度精度漂移；

2）縱撕檢測系統(tǒng)中紅外光可對輸送帶非工作面進行熱成像掃描，24 h全天候檢測輸送帶是否有縱向撕裂發(fā)生，同時使用多種參數(shù)和算法來檢測溫度的變化，并對異常進行詳細的計算，具備特征分析功能（如裂縫長度、寬度、相對位置、方向連續(xù)性、分布規(guī)律性等），能確定縱向撕裂是否真實發(fā)生，減少誤報頻率；

3）縱撕檢測系統(tǒng)具備自動報警功能，一旦輸送帶發(fā)生縱向撕裂，將在第一時間發(fā)出聲光報警并推送至遠程平臺，可向輸送帶主機電氣系統(tǒng)發(fā)出信號，聯(lián)動停機（提供報警信號輸出節(jié)點），避免事故進一步擴大；在報警同時，將輸送帶撕裂情況的圖像和視頻抓拍并保存到檢測系統(tǒng)內。

4）縱向撕裂檢測系統(tǒng)中控平臺操作簡便，操作人員經過簡單培訓即可獨立完成對輸送帶的監(jiān)測。

5 結論

紅外熱成像防撕裂保護裝置通過對輸送帶非工作面進行熱成像掃描，利用可見光攝像機實時檢測輸送帶非工作面運行情況，配合熱成像攝像機進行異常圖像的存儲與分析，確定縱向撕裂是否真實發(fā)生，提升縱向撕裂檢測保護可靠性。通過這種檢測方式，可以有效檢測輸送帶是否發(fā)生了撕裂，甚至可以檢測到輸送帶即將發(fā)生撕裂的過程。同時結合數(shù)字化RFID技術推斷撕裂的大致定位和撕裂范圍。目前紅外熱成像與可見光攝像機相結合技術在周邊港口已有使用，效果明顯。