常映輝

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030051；2.榆林天地煤機(jī)裝備有限公司，陜西 榆林 719000；3.煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)礦山數(shù)字化、綠色化、智能化建設(shè)進(jìn)程的穩(wěn)步推進(jìn)，針對(duì)目前礦區(qū)供排水系統(tǒng)中管道內(nèi)部腐蝕生銹、接口滲漏錯(cuò)位、管道輔助附屬設(shè)備堵塞等故障缺陷，國(guó)內(nèi)各科研院所提出了多種自動(dòng)化解決方案[1]，包括管道探查“機(jī)械狗”、管道“腸鏡”機(jī)器人等缺陷檢測(cè)裝置[2]。國(guó)內(nèi)各礦區(qū)現(xiàn)有的供排水管道檢測(cè)機(jī)器人可以代替人員進(jìn)入排水管道內(nèi)部，進(jìn)行電視成像精細(xì)化檢查，附有影像探查并存儲(chǔ)視頻或者抓拍畫(huà)面功能，為精準(zhǔn)探測(cè)管道內(nèi)部具體“裂漏滲”情況，科學(xué)合理指導(dǎo)礦山管網(wǎng)修復(fù)建設(shè)[3]提供了重大幫助。然而包括以上多種設(shè)備儀器在內(nèi)的針對(duì)礦山管道檢測(cè)的自動(dòng)化解決方案大多是基于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題-定位問(wèn)題-解決問(wèn)題的思路設(shè)計(jì)[4]，預(yù)警性嚴(yán)重不足，且不具備長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。

本文提出了一種基于漏磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[5]的礦山管道缺陷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，各節(jié)點(diǎn)核心設(shè)備電子艙在里程輪、永磁體、皮碗等輔助裝置保障協(xié)同下，實(shí)現(xiàn)了礦井供排水系統(tǒng)中管道缺陷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、有效預(yù)警及精準(zhǔn)定位，為智能礦山井上監(jiān)測(cè)中心制定管道養(yǎng)護(hù)、管道預(yù)警、管道修復(fù)方案提供了有效且可量化分析的數(shù)據(jù)支撐，對(duì)于助力智能礦山打造“智能水務(wù)”[6]具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)檢測(cè)原理及總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

礦井環(huán)境低溫高濕，復(fù)雜多變，溫濕度變化率大，井下電子儀器設(shè)備經(jīng)常受溫漂影響，測(cè)量結(jié)果誤差較大，導(dǎo)致回傳到井上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與井下實(shí)際情況不符。本文提出了一種基于磁通量變化特性的礦井管道缺陷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)管道內(nèi)壁磁通量飽和度的量化判別對(duì)井下分布的各管道節(jié)點(diǎn)進(jìn)行缺陷監(jiān)測(cè)預(yù)警，最大程度地減小井下惡劣環(huán)境對(duì)管道缺陷監(jiān)測(cè)設(shè)備性能的影響。 漏磁檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 漏磁檢測(cè)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of magnetic flux leakage detection principle

圖2 單個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部連接組成Fig.2 Internal connection of a single node constructions

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體架構(gòu)采用分布式節(jié)點(diǎn)化設(shè)計(jì)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部連接組成如圖2所示。其中，節(jié)點(diǎn)核心裝置電子艙由賽靈思FPGA的XC3S200AN主控模塊、調(diào)理采集模塊、FLASH存儲(chǔ)模塊及無(wú)線射頻模塊等組成，里程輪內(nèi)部安裝有約一分錢(qián)硬幣大小的光柵位移[7-8]數(shù)字式傳感器，在系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)沿管道內(nèi)壁行進(jìn)過(guò)程中對(duì)里程輪信號(hào)實(shí)時(shí)采集，用于電子艙內(nèi)部主控模塊對(duì)當(dāng)前位置的實(shí)時(shí)定位。

2 管道缺陷有限元仿真

2.1 仿真軟件簡(jiǎn)介及仿真設(shè)計(jì)流程

本文在進(jìn)行管道缺陷有限元仿真時(shí)[9]，在預(yù)先定義有缺陷的標(biāo)準(zhǔn)樣品[10]上分析檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)。仿真軟件通過(guò)求解偏微分方程(單物理場(chǎng))或偏微分方程組(多物理場(chǎng))實(shí)現(xiàn)管道缺陷現(xiàn)象的仿真，通過(guò)數(shù)學(xué)方法求解真實(shí)世界的物理現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)中管道缺陷仿真設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

2.2 仿真結(jié)果分析

為了更貼近井下管道缺陷實(shí)際情況，本文仿真中使用阻抗邊界條件將趨膚效應(yīng)[11]考慮在內(nèi)，且只需匹配此區(qū)域而不需要考慮管道缺陷以外的邊界。本文仿真中模擬供排水系統(tǒng)管道無(wú)缺陷模型與缺陷模型如圖4所示。

在建立二維缺陷模型后，對(duì)模型材料進(jìn)行設(shè)置。其中，永磁體選用的材料為釹鐵硼N40，導(dǎo)磁體選用的材料為工業(yè)純鐵DT4C，均在軟件自帶材料庫(kù)中查找添加。在完成上述步驟后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。管道無(wú)缺陷模型與缺陷模型網(wǎng)格劃分圖如圖5所示。

完成管道缺陷模型網(wǎng)格劃分后，對(duì)模型阻抗邊界條件[12]進(jìn)行設(shè)置，最后進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解對(duì)缺陷磁漏場(chǎng)的數(shù)值進(jìn)行分析。無(wú)缺陷管道磁力線分布如圖6所示，缺陷管道磁力線分布如圖7所示。

圖3 管道缺陷仿真設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 Pipeline defect simulation design flow chart

圖4 管道模型Fig.4 Pipeline model

圖5 管道模型網(wǎng)格劃分圖Fig.5 Meshing diagram of pipeline model

圖6 無(wú)缺陷管道磁力線分布圖Fig.6 Distribution map of magnetic field lines of defect-free pipeline

觀察對(duì)比圖6和圖7可知，管道表面有體積性[13]缺陷時(shí)，缺陷位置下方磁感應(yīng)強(qiáng)度將會(huì)激增，直至大量磁力線被壓縮在管道的下方，管道內(nèi)部表現(xiàn)為實(shí)心，外溢磁力線信號(hào)穿過(guò)缺陷點(diǎn)位進(jìn)入外界空氣中后又返回管道[14]；而管道表面無(wú)體積性缺陷時(shí)，管道內(nèi)部表現(xiàn)為空心，外溢磁力線信號(hào)直接進(jìn)入外界空氣中后又返回管道。

3 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)各缺陷監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)處的核心裝置電子艙基于賽靈思公司XC3S200AN-4FT256I主控芯片開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)部分主控模塊電路設(shè)計(jì)如圖8所示。其中，AD4 RESET信號(hào)用于對(duì)監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)4四路外溢磁力線信號(hào)的同步采集控制。

圖7 缺陷管道磁力線分布圖Fig.7 Distribution map of magnetic field lines of defect pipeline

圖8 主控模塊電路設(shè)計(jì)Fig.8 Design of main control module circuit

3.2 電源模塊電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)5 V供電由外部鋰電池提供，在電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)選用TI(德州儀器)DC-DC芯片TPS70345將5 V電壓轉(zhuǎn)換生成3.3 V電壓和1.2 V電壓，用于主控芯片F(xiàn)PGA的IP內(nèi)核及調(diào)理采集模塊中各器件模組的供電。系統(tǒng)電源模塊電路設(shè)計(jì)如圖9所示。

3.3 存儲(chǔ)模塊電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)選用W25 N01GV型FLASH，各節(jié)點(diǎn)里程數(shù)據(jù)和外溢磁力線數(shù)據(jù)經(jīng)主控模塊按照節(jié)點(diǎn)傳輸協(xié)議混合編幀后通過(guò)SPI通信方式向FLASH進(jìn)行數(shù)據(jù)搬運(yùn)，系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊電路設(shè)計(jì)如圖10所示。

4 系統(tǒng)主要軟件設(shè)計(jì)

井上管道缺陷監(jiān)測(cè)中心上位機(jī)軟件基于可視化圖層嵌套程序開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)用編程環(huán)境內(nèi)部各功能模塊搭建軟件架構(gòu)，用于對(duì)井下各節(jié)點(diǎn)返回?cái)?shù)據(jù)解碼分析后管道漏水信息監(jiān)測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，上位機(jī)主界面設(shè)計(jì)有參數(shù)配置、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、系統(tǒng)退出等選項(xiàng)。系統(tǒng)上位機(jī)顯示模塊程序框圖如圖11所示。

系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)存儲(chǔ)模塊核心功能是對(duì)井下各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)處管道缺陷動(dòng)態(tài)參數(shù)的遠(yuǎn)程讀取，為了實(shí)現(xiàn)井上監(jiān)測(cè)中心可以隨時(shí)查看調(diào)用歷史管道缺陷數(shù)據(jù)，便于為井下供排水系統(tǒng)管道修復(fù)、養(yǎng)護(hù)、預(yù)警提供精準(zhǔn)定位且可量化分析缺陷當(dāng)量的原始有效數(shù)據(jù)[15]。

系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，存儲(chǔ)模塊程序設(shè)計(jì)流程圖如圖12所示。

圖9 電源模塊電路設(shè)計(jì)Fig.9 Design of power module circuit

圖10 存儲(chǔ)模塊電路設(shè)計(jì)Fig.10 Design of memory module circuit

圖11 系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示軟件設(shè)計(jì)Fig.11 Design of system data real-time display software

5 系統(tǒng)測(cè)試

在本文數(shù)值仿真分析的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)缺陷識(shí)別與顯示功能進(jìn)行了測(cè)試。本次測(cè)試中選擇長(zhǎng)為5 m、管口直徑為0.3 m、定制厚度為2 mm井下常用的環(huán)氧樹(shù)脂涂層復(fù)合鋼管作為節(jié)點(diǎn)4的被測(cè)對(duì)象，在手工測(cè)量管道位置為1.31 m處進(jìn)行機(jī)械性破壞使其產(chǎn)生液漏現(xiàn)象，準(zhǔn)備就緒后系統(tǒng)上電進(jìn)行測(cè)試，上位機(jī)界面測(cè)試結(jié)果顯示如圖13所示。對(duì)本次測(cè)試中默認(rèn)保存的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行文檔拆分、通道加載，手動(dòng)挑選節(jié)點(diǎn)4的里程數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解包、分析、繪制后的漏磁檢測(cè)波形如圖14所示。

由圖13可知，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)缺陷位置識(shí)別精度能夠達(dá)到0.01 m；由圖14可知，在本次測(cè)試過(guò)程中大約4 s時(shí)經(jīng)過(guò)缺陷位置，此時(shí)里程數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的漏磁信號(hào)明顯發(fā)生變化，之后又恢復(fù)正常，進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)缺陷識(shí)別的有效性。

圖12 存儲(chǔ)模塊程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.12 Flow chart of storage module program design

圖13 系統(tǒng)管道缺陷識(shí)別測(cè)試結(jié)果Fig.13 Results of system piping defect identification test

圖14 里程數(shù)據(jù)波形繪制結(jié)果Fig.14 Results of mileage data waveform drawing

6 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于漏磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的礦山管道缺陷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在分析漏磁檢測(cè)的基本原理和對(duì)管道缺陷點(diǎn)位進(jìn)行數(shù)值仿真分析的基礎(chǔ)上，搭建硬件測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)測(cè)試，結(jié)果顯示有效可靠，為智能礦山井上監(jiān)測(cè)中心對(duì)井下供排水系統(tǒng)管道缺陷的預(yù)警、定位、養(yǎng)護(hù)提供了可量化分析，且可隨時(shí)回讀管道缺陷原始數(shù)據(jù)的支撐，對(duì)于賦能智慧礦山建設(shè)具有較大意義。