導語：膠帶運輸機是煤礦生產中的基本運輸設備，其長時間負載運行容易發生各類故障，對人員和機械設備的安全造成極大的隱患。本期轉化果推薦的《膠帶運輸機運行狀態激光/光纖監測預警系統技術研究》重點是對機頭驅動電機及滾動、機尾電機、托輥、皮帶等運行環境進行監測，并利用AI圖像智能識別技術，實現對膠帶運輸機運行的全方位保護，消除隱患杜絕事故發生。
一、項目背景
膠帶運輸機是煤礦行業基本的傳輸工具，在煤礦運輸工作中發揮著不可替代的作用，由于膠帶機長時間負載運行，容易發生各類故障，如托輥損壞、皮帶斷裂、皮帶撕裂、跑偏、打滑、堆煤、火災等，這些故障的發生對人員和機械設備的安全造成了極大的隱患。一旦其異常運行將直接影響煤礦生產，帶來重大的經濟損失影響人員生命安全，因此對膠帶運輸機的運行狀態及故障監測預警具有重要意義。
二、監測內容
1.主要監測目標根據相關皮帶發生故障分析，需要重點關注皮帶運行中關鍵設備的監測，包括：機頭驅動電機及滾動、機尾電機、托輥、皮帶運行的環境進行監測。
圖1 膠帶運輸機安全運行狀態監測預警系統拓撲示意圖
2.監測內容
（1）預警系統構成
膠帶運輸機安全運行狀態監測預警系統主要包括：皮帶巷火災分布式光纖測溫及噴淋系統、分布式無源托輥工作狀態監測及異常定位監測系統、機電設備工作狀態監測及異常分析預警系統、膠帶運輸機機頭機尾熱成像、皮帶跑偏、堆煤監測、危險區域防入侵監測等。
（2）子系統功能
分布式光纖測溫技術通過安裝在皮帶機沿線的感溫光纜，感知膠帶運輸機運行過程中火災熱源，通過分布式光纖測溫技術實現火災的感知及準確定位，并通過聯動電磁閥，對膠帶機部位進行噴淋灑水。
通過沿膠帶運輸機敷設光纜運監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進行特征信號的采集及識別，實現故障托輥的預警及定位。
研究膠帶驅動電機及驅動滾筒的軸承振動特征、異常狀態的快速識別判斷及預警。采用光纖光柵監測技術針對電機、關鍵設備主要軸承振動、溫度狀態監測，實時分析時頻域信號，判斷軸承的機械異常，提前預警，實現溫度保護及火災的定位。
采用紅外熱成像技術，研究驅動滾筒膠帶打滑位置產生的高溫特性及溫度場分布，采用高清視頻攝像技術實時監測卸料口狀況，利用AI圖像智能識別技術完成堆煤、跑偏、異物識別、防入侵等功能。
三、各系統監測技術
1.帶式輸送機溫度保護-皮帶巷火災分布式光纖測溫
圖2 膠帶運輸機火災分布式光纖溫度監測拓撲圖
傳統方案通過安裝煙霧傳感器監測皮帶巷道火災信息，當煤礦井下皮帶輸送機膠帶因摩擦發熱或其它原因產生煙霧時，煙霧傳感器在產生煙霧下風處適當位置獲得信號時，延時小于2秒保護停車，并啟動灑水裝置灑水。
光纖解決方案：一旦發生火災，通過分布式光纖測溫技術可實現火源的定位，方便滅火、撤離及救援；
膠帶運輸機分布式光纖溫度監測系統具有對膠帶運輸機周圍溫度連續測量的功能，全線監測巷道溫度變化情況，實時顯示線路隨距離變化的溫度分布曲線。對整條膠帶運輸機線路的溫度異常點及時報警，光纖分布式測溫具有不帶電、本質安全、施工簡單等優點。監測主機放置在井下中央變電所，并通過工業環網將數據傳輸至地面中心。
圖3 膠帶運輸機巷道火災分布式光纖測溫敷設（2種方式）
2.帶式輸送機打滑保護-滾筒紅外熱成像及托輥異常聲音監測
皮帶打滑的主要原因是驅動滾筒與皮帶張力耦合不好，打滑時存在較大的摩擦力，短時間內溫度上升，采用紅外熱成像儀對皮帶打滑點進行監測；
皮帶沿線托輥連續運轉，故障托輥時有發生，采用分布式光纖振動監測系統實現異常托輥振動時發出的異常聲音。
圖4 分布式光纖托輥振動監測系統拓撲圖
圖5 皮帶機托輥打滑分布式光纖聲音監測系統離線分析軟件界面
3.帶式輸送機超溫灑水保護-驅動電機滾筒光纖光柵溫度振動監測
在驅動電機、滾筒安裝光纖光柵溫度、振動傳感器，監測設備異常工作狀態。
圖6 安裝示意圖
4.紅外熱成像監測
結合煤礦現場實際情況，可在重要大型機電設備場所、電力設施場所等位置布設紅外熱成像智能熱點監測設備，對于現場和設備異常的溫度情況作出快速準確的預警，同時結合現場圖像更有利于決策分析。
熱成像技術采用特殊傳感器偵測紅外線，根據不同物體之間的溫差，生成清晰的紅外圖像。該技術能夠在完全無光的環境下、夜間、透過灰霧、煙霧以及從遠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檢測到煤位超過預定位置，系統應即時預警，實現堆煤預警。在皮帶機尾安裝皮帶異物識別攝像儀，運用AI智能視頻監測技術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，系統平臺立即報警或停機。在皮帶機頭、機尾及皮帶易跑偏位置設置視覺識別攝像儀，利用圖像識別技術自動完成皮帶視頻圖像的采集、顯示、存儲和處理，通過對皮帶運行狀態的圖像分析來判斷皮帶是否跑偏，根據皮帶跑偏的嚴重程度，系統平臺發出報警信號或停機信號。
圖8 現場監測圖
四、關鍵技術指標
預警特征參數：振動，溫度，熱成像、分布式振動等參數。
1.分布式光纖測溫監測系統技術指標
（1）防爆型式：礦用本質安全型；
（2）測量距離：≥10km；
（3）測溫范圍：-10～120℃；
（4）通道數目：8；
（5）運行操作系統：嵌入式操作系統；
（6）防護等級：IP65；
2.分布式無源托輥工作狀態監測及異常工作定位監測系統
基于瑞利散射原理研發的分布式振動監測系統，采用分布式光纖振動技術進行特征信號的采集及識別，實現對故障托輥的有效定位。具體指標如下：
（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：以太網及雙芯單模光纖接口；
3.機電設備工作狀態與故障分析診斷預測系統
可實現多點、高速、連續、在線監測的礦用光纖光柵解調分站。
技術指標如下：
（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
利用熱成像及AI圖像技術，實現堆煤的準確判斷，對典型異物進行及時有效識別，皮帶跑偏及危險區域人員防禁入識別具體指標如下：
（1）具有紅外熱成像與可見光混合圖像顯示；
（2）通訊接口：網口和光纖；
（3）實現皮帶上大體積煤塊（或煤矸石）以及錨桿、托盤等大型異物的視頻識別報警；
（4）實現實現堆煤判斷；
（5）實現皮帶機跑偏監測；
（6）實現危險區域人員防禁入識別及報警。
五、軟件設計
軟件主要完成礦用光纖系統采集數據的實時顯示、圖形顯示、曲線顯示、報表查詢等功能，以使地面人員及時掌握井下各個監測點的環境溫度變化情況，有效預防危險發生，為煤礦井下安全生產提供重要保障。
1.系統軟件
主要包括：數據采集程序，WEB客戶端程序， SQLserver數據庫系統等組成部分
（1）數據采集程序：主要用于采集井下各分站的原始數據加以分析處理保存到數據庫。
（2）WEB客戶端程序：主要用于系統信息的web發布，用戶通過使用web瀏覽器登錄服務器，即可以在任意一臺電腦上查看系統的實時監測數據，并完成數據查詢、報表打印等功能。
（3）數據庫系統：數據庫采用微軟公司的SQLserver數據庫系統，該系統集成了強大的數據庫管理工具，具有5年以上的數據容量。
圖9 WEB 軟件系統架構原理圖
2.主要功能
（1）實時顯示監測數據，異常信息及時報警，包括聲光、短信等多種報警方式；
（2）顯示巷道布置模擬圖、設備、傳感器等安裝位置及狀態直觀明確；
（3）歷史數據、報警數據存儲、查詢功能；
（4）故障信息報警提示、存儲記錄功能；
（5）報表訂制，導出打印功能。
系統采用B/S模式，客戶端運行于windows操作系統。
轉化果平臺咨詢電話：400-1817-969
