传输机皮带光电一体智能无人值守检测装置

项目定位工业控制领域，基于物联网和先进智能控制技术，研制生产带式输送机光电一体智能无人值守检测系统，为传统企业生产设备改革、工厂精细化管理提供解决方案和设备。

带式输送机作为散料转运中的重要设备，是火电、钢铁、码头、焦化、冶金、水泥、化工等行业生产流程中大量使用的重要辅助设施。其皮带因长时间不间断重负载运行，在长期运行过程中经常出现过载、跑偏等情况。该类情况易导致皮带发生撕裂、起皮、脱胶等异常故障。该故障未发现或者处理不及时将进一步造成皮带断裂、严重划伤、纵向撕裂成两半等严重故障。

图1 带式输送机事故现场

皮带撕裂可造成输料皮带撒料，皮带报废等严重问题；皮带边缘破损，皮带受力不均造成皮带拉紧滚筒损坏，减少皮带运行寿命等危害。因皮带撕裂造成撒料等清理工作会导致额外的人力物力支出，皮带撕裂同时损坏导轮、托辊等相关组件。严重时造成整个输送系统瘫痪等间接危害，影响整个工艺流程的正常运行，增加成本支出。一条皮带造价从十几万至七八十万，特殊定制皮带甚至高达上百万。每条皮带配套信号电缆至少五百米，多则几千米，电缆造价每米十多块。皮带因保护系统缺失造成皮带割裂，断开，每年因非正常损坏导致提前报废损失高达百万。尚不包含抢修施工人力成本。加上因皮带损坏造成的停机停产，其损失不可估量。

在实际生产工作中，皮带大部分使用环境极其恶劣。由于粉尘、潮湿、人工冲洗困难等原因，电气保护系统经常性出现短路、接地等故障。例如在输煤系统中，由于恶劣的使用环境，以及多点分布和横跨范围大，粉煤灰覆盖严重等问题，点检工作无法做到细致全面，导致造成设备累积故障。轻则损毁设备，严重时可能会威胁到人身及生命安全，纵观国内电厂输煤系统，多次因皮带、设备带电触电、误动作等造成的人身伤亡事故也一次次的为我们敲响警钟。

目前国内皮带撕裂检测方式多采用压力感知型、钢丝绳拦截感知型、超声波、漏料翻斗感知等手段。其原理大多采用机械结构，虽能起到安全防护作用，但仅限于补救，防止事故继续扩大造成更大损失。在皮带出现裂纹、脱胶、毛边等情况初期，因没有及时有效的检测手段，不能及时快捷发现故障，造成延误，导致皮带小缺陷发展成撕裂事故。

随着互联网及智能工厂理念的逐渐普及，对设备精细化管理要求越来越高。为皮带机构建一整套完善的具有全项保护、自诊断、带报警功能和撕裂监测系统，在故障初期就能提前感知，将撕裂事故扼杀在萌芽期，是当前皮带保护领域内的迫切需求，也是皮带综合保护行业发展的必然方向。

本项目具备独立的知识产权。提供一套低改造成本皮带综合保护设备，其中核心技术为激光+视觉检测方式防止纵向撕裂的智能无人值守监测方案及设备。该系统主数字相机基于线像视觉技术，通过超高速工业COMS摄像机捕获带面图像，在1280成像线数下每秒钟采样240FPS，即使皮带在高速行进的情况下依旧能即时发现故障。采用快速图像处理算法提取输煤皮带表面投影，经核心智能检测技术，对皮带工作状况和损伤情况进行检测分级及报警，配合自主研制的数字化智能管理软件系统，可实现皮带的无人值守智能监控管理，将输煤皮带各种损伤在萌芽期就可以发现，有效防止事故扩大，造成巨大损失。

图2 带式输送机智能无人值守监测设备图示

产品的关键技术有三方面：

1.产品设计及防尘防潮技术：

首先是需要保证在皮带设备正常运行的情况下完成预期的监测功能。作为不同于以往的监测方法，需要解决设备选取，以及在不影响生产进度情况下如何搭建一整套合理有效设备的问题。这需要考虑到皮带的工作方式以及皮带机的工作模式，综合考虑多方面因素，搭建一套合适的监测设备是项目得到实用的关键。其次在设备选取和搭建上还要面临皮带实际工作环境的各种影响：由于粉尘、潮湿、人工冲洗等原因，皮带设备运行的现场环境往往及其恶劣，因此监测设备必须具备良好的防尘防潮功能，并具有自动的无人冲洗功能，保持设备的持久运行，减少环境因素对监测结果的干扰。

目前，项目团队已初步解决了以上问题。设计的样机可以在生产线不停工的条件下进行安装调试，针对设备的防尘防潮问题，我们设计采用高防护保护壳体和扫尘部件以及吹灰清扫装置。样机目前已在生产线上测试使用，效果良好。核心技术申请实用新型专利《一种传输机皮带损伤状况的光电一体智能检测装置》（专利号：ZL 202021034069.3），已获授权。

图3 光电一体智能检测装置样机及现场测试

2. 核心检测算法：

卓有成效的检测手段和方法是我们能否及时有效的判断皮带出现故障的关键。由于采用不同于以往的检测手段，所以需要在检测算法的研究上取得突破，以实现更加及时有效、准确率高、虚警率低的检测，防患于未然，将严重故障扼杀于摇篮之中。主要的检测算法包括对皮带撕裂的检测、皮带跑偏的检测、异物尤其是工作人员误掉到皮带上的检测方法。这三种方法是实现监测功能的核心，也是决定整个监测系统所能达到最好效果的关键。尤其是皮带撕裂的检测算法，发生具有不可预见性，并且损伤状态发展快，对检测速度和时效性提出很高要求，需要抛却传统的感知型方法，在皮带正常工作的状态下实现对皮带的连续检测。在研究这三种检测算法的时候不仅要注意算法监测性能的有效性，同时也要满足对检测算法运行速度的要求，实时完成对皮带的监测。

对此，我们在系统设计的初始，基于处理时效性和准确性的考虑放弃机械传感器以及整幅图像处理的思路，巧妙地采用激光投影的方式，将提取整个图像特征简化为提取激光投影线的特征，有效的减少了检测面积和算法的计算量，同时激光投影线对皮带状态变化的敏感度更高，形态变化明显，有利于提高检测正确率。通过检测投影线的形态变化，配合核心智能检测算法，判断皮带的工作状况和损伤级别。

而相关竞品多采用机械式的纵撕传感器或者图像识别的方法，其中机械式纵撕传感器是基于压力传感的原理，检测的是皮带撕裂时掉落在皮带上的物料重量，检测的精度和时效性比较差；图像识别的方法一是取决于识别算法的性能，二是图像数据量大，处理速度慢，时效性差。

图4 同类竞品核心检测技术比较与分析

目前，本项目的核心检测算法及实施方法已申请国家发明专利《传输机皮带损伤状况的智能检测方法》（专利号：202010512893.3）。

3. 基于物联网的综合智能控制系统：

基于当前对物联网的定义，为了实现对工厂的智能化监管，减少人力使用，真正意义上完成人、机、物的互联互通。在设计整个监管系统的时候，需要考虑到物联网的整体架构，以方便实现物与物、物与人的泛在连接，完成对物品和过程的智能化感知、识别和管理。

图5 基于物联网的综合智能控制系统

对此，我们采用无线射频技术，构建了基于无线低功耗LoRa、4G的无线传输和基于RS485协议的有线传输网络，采用工业PLC和嵌入式技术，设计开发了后台综合监控软件系统。通过前端检测设备+有线\无线通信+后台监控软件系统，形成一套皮带无人值守监测系统，实现了综采工作面“无人值守”的工作理念。通过后续产品功能的拓展提升，该系统还可集成皮带之外的相关设备的无人值守监控任务上，比如电机的轴承温度、绕组温度、滚筒温度、张紧系统和软启动系统的油温，煤仓煤位等进行检测和显示，形成一整套完整的生产线关键设备无人值守监控系统。