本安型信号控制电缆(科学创造智能除铁推进无人值守进程)

Posted 2023-05-29

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本安型信号控制电缆(科学创造智能除铁推进无人值守进程)

神东煤炭集团寸草塔二矿

来源：《智能矿山》2022年第3期“智能示范矿井"专栏

作者：谢进，王占飞，杨兴明，赵宇宏

寸草塔二矿是国能神东煤炭集团有限责任公司（以下简称神东煤炭集团）下属的现代化矿井，位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇。井田面积16.5 km2，东西长度5.15 km，南北长度4.55 km，保有煤炭储量2.47亿t，可采储量1.61亿t，核定年生产能力为450万t。

寸草塔二矿智能化建设按照“总体设计，分步实施，重点突破，谋划长远”的原则，以“一领三创”为导向，立足矿情，把握新发展阶段，落实新发展理念，融入新发展格局，按照高质量发展要求，开启“二次创业”，加快推进智能化建设各项工作，不断增强矿井发展动力，为实现高质量发展目标和智能化示范矿井建设的愿景而奋斗。

经过多年的实践经验积累，寸草塔二矿在矿山开采过程中从机械化转型，经过自动化、信息化、数字化的发展过渡，已经逐步向智能化方向迈进，为最大限度地实现生产现场的少人或无人值守，少人或无人巡视以及降耗增效的矿井生产目标，率先投入使用智能除铁系统，可靠有效地在设备运行过程中完成除铁工作，实现无人值守的智能化除铁目标。

01 智能除铁系统的建设背景

在采矿作业中，原煤输送带中会经常混有锚杆、锚索、托盘等各类金属器件。传统的电磁除铁器在工作时需要连续通电运行，但大多数时间是在做无用功，造成大量的能源浪费。传统的电磁除铁器对出现概率较低的超长超大型铁器无法作业，当大块铁器吸附到除铁器上时，若发现不及时，极易造成输送带纵向撕裂，铁器一旦进入破碎机，将会对破碎机造成损伤，甚至造成破碎机停机，影响生产。在生产过程中，由于电磁除铁器一直处于工作状态，对电能造成极大的浪费，并且需要人工查看除铁器是否吸附铁器，对无人值守的建设产生一定阻碍。

为推进智能化矿井建设工作，实现智能感知、智能决策、自动执行的矿井智能运输系统的建设，寸草塔二矿管理层提出将目前测量稳定性高、检测灵敏度高、距离远且免维护的双回路时差磁平衡式煤流铁器检测传感器引入智能除铁控制系统，实现智能除铁，降低维护成本，节约能耗实现无人值守，防止金属卡堵造成输送带纵向撕裂，探测识别出输送带煤流中除铁器无法吸附的大块铁器，并通过预警人为控制停止输送机运行，从过程中有效杜绝因大型铁器混入煤流造成的设备损坏而导致停机停产事故，确保运输系统稳定可靠运行。

02 智能除铁系统技术介绍

智能除铁系统由GTD12矿用本安型金属探测传感器（以下简称传感器）、ZTD-12矿用本安型带式输送机物料金属探测装置主机、KJ899-F矿用隔爆兼本安型分站、电缆等组成，该系统构成如图1所示。

图1 智能除铁系统构成

智能除铁系统的传感器工作原理如图2所示，激励线圈A、B采用直流或交流电源，线圈A、B的匝数相等，通电电流大小相等、方向相反，则线圈A产生的磁力线和线圈B产生的磁力线大小相等方向相反，在线圈C产生的感生电动势为零。当有金属经过传感器时，先经过线圈A，线圈A产生的磁通量发生变化后将打破磁通平衡，线圈C中产生感生电动势+E；当金属到达传感器的中间位置时，线圈C无输出；当金属到达线圈B时，线圈C产生–E感生电动势且输出正负信号；当金属在传感器下方均匀分布时（如输送带内部的钢丝绳），传感器没有任何输出。由于智能除铁系统的传感器是磁路平衡原理，比采用传统的变压器式金属探测原理的传感器测量精度要高，并且可以测量出金属的运动方向。

图2 传感器工作原理

设备通电后单片机进入自检程序，判断各单元工作是否正常，若正常进入工作程序，则传感器开始工作，判断煤流中是否混有金属，并判断带式输送机是否正常运行。如果带式输送机正常运行(否则继续判断)，则开始对金属进行探测，根据传感器信号大小和持续时间的长短判断有无金属及金属块大小，并根据各传感器单元之间信号的大小来判断金属的相对位置。如果金属块较小，则开启除铁器进行除铁，完成除铁工作后延时关闭电磁除铁器；当金属块尺寸大于除铁器的工作范围时，则停止带式输送机的运行，根据惯性计算金属块的移动距离，并显示金属块靠近哪个传感器，人工捡出大件金属后，传感器将继续工作。

03 智能除铁系统应用成果

寸草塔二矿智能除铁系统采用了全新的设计思路，使用最新一代控制主机进行控制，将现有电磁除铁器进行合理的优化改造，并配合使用国际先进的磁路平衡式原理传感器，三者合理融合调试，成功实现了寸草塔二矿主运系统中智能除铁系统的构建。

智能除铁系统的投入使用对运输系统的优化起到了至关重要的作用，更是实现了运转队生产班无人值守的目标。该系统可靠有效地实现了检测并去除煤流中的铁器，在检测到无法自行吸附的大块铁器或超长铁器时，可以实现报警且自动停机，并通过传感器预判其位置，值班人员可快速查到铁器位置并将其去除，避免了因输送带纵向撕裂或破碎机卡堵损害造成的停机事故，彻底解决了因煤流存在铁器而造成输送带运输系统停机影响生产的问题。因其除铁作业过程中仅在遇到除铁器无法去除的特殊铁器时，需要值班人员人工作业，其余绝大部分时间均由智能除铁系统完成除铁作业，目前已投入使用的输送带段在生产运行时均已实现无人值守，智能除铁系统现场应用与建成效果如图3所示。

图3 智能除铁系统现场应用

智能除铁系统的使用推进了寸草塔二矿绿色矿山建设进程，发挥了其节能减排的作用。智能除铁系统控制电磁除铁器仅在煤流中有金属的情况下工作，当探测到煤流中有金属时才会启动除铁器，煤流中无金属时，除铁器不工作，大幅缩短了除铁器的工作时间。因除铁器属于大功率设备而本装置整机功率仅为80 W，该系统与除铁器联机工作后，节能效果显著。以1台RCBD-12DT3隔爆电磁除铁器为例（励磁功率18 kW，卸铁输送带电机功率7.5 kW），每天运行20 h，每年运行300天，1年的电能消耗达15.3万kW·h；投入使用该系统后，除铁器的工作时间与煤流中的含铁量有关，工作时间预计为RCBD-12DT3隔爆电磁除铁器的10%~20%，1年的耗电量可减少12.2万~13.7万kW·h。与传统的永磁式除铁器相比，在增加除铁效果的同时实现了节能降耗，符合“降耗增效”的发展理念。

04 技术难点及创新

智能除铁系统设计之初，在技术攻关上遇到诸多困难。该系统的传感器误动作率较大，安装位置的合理性和与设备间走线的干扰与屏蔽存在冲突。经过运转队与研发人员6个月的技术攻关与组合创新式方案制定，形成了1套精准、有效、可靠的智能除铁系统。在保证输送带运输系统稳定运行、数据抗干扰传输、智能精准除铁、智能预警有效停机等方面融入创新思路，并最终形成具有寸草塔二矿特色的智能除铁方案。

智能除铁系统的创新优势主要包括以下3点：

1）有效去除煤流中铁器。该系统中传感器的检测准确率高于99%，几乎可以清除煤流中的全部铁器，其余未能检测到的为铁屑等微小金属残渣。此外，因该系统使用的传感器为国际先进的磁路平衡检测传感器，可有效区分铁质金属和输送带扣及钢绳芯接头，并且在安装使用前无需磁化输送带钢芯或输送带扣，降低了安装工作量。

2）精准识别煤流中大块铁器的位置。该系统工作原理与国内类似设备有本质区别，无振荡电路，从根本上消除了传感器的自激干扰，实现了传感器的密集布置，并因其特殊的控制电路使传感器有强大的抗输送带抖动、抗电磁干扰功能。再通过调节控制器内计算参数使其与输送带运行速度相互匹配，当识别到需停机的大型铁器时可以精准计算出停机后铁器的位置，方便人员进行除铁作业，大幅节约了停机作业时间。

3）系统稳定运行与通信。该系统采用3组MCU并行工作，保证了输送带在高速运行状态下采集数据不丢失，当控制器发生故障时可立即报警，系统自动开启并一直保持除铁器工作状态。系统可在线实时记录除铁数量及运行时间，方便分析井下工况，采用了先进的现场总线通信方式，具有实时性强、抗干扰性能好、误码率低等特点，兼容Modbus、以太网等通信方式，可使用通信电缆、光缆等作为通信媒介。

05 结语

创新是推进企业发展的第一动力，是决定煤矿智能化发展的核心动力，能否在煤矿智能化发展的道路上领先，创新力是最为关键的因素。智能除铁系统的投入使用，实现了主运系统生产班组无人值守的目标，并降低了值班人员的工作强度，确保了主运系统稳定可靠地运行。

智能除铁系统的使用使寸草塔二矿在智能化创新道路上迈进一步，但还需要坚持公司“一领三创”的导向，积极落实集团“一三五七”战略，在智能化发展道路上争取一席之地。

本安型信号控制电缆(科学创造 智能除铁 推进无人值守进程)

本安型信号控制电缆(科学创造 智能除铁 推进无人值守进程)

01 智能除铁系统的建设背景

02 智能除铁系统技术介绍

03 智能除铁系统应用成果

04 技术难点及创新

05 结语

本安型信号控制电缆(科学创造智能除铁推进无人值守进程)

本安型信号控制电缆(科学创造智能除铁推进无人值守进程)