基于激光測距原理的帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)對煤流量的檢測

苗長云，楊育坤，厲振宇

（天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387）

帶式輸送機是一種現(xiàn)代化生產(chǎn)中的連續(xù)運輸設(shè)備，具有運量大、運距遠、能耗小、運費低、效率高等優(yōu)點，是工業(yè)運輸?shù)闹髁ぞ撸瑥V泛應(yīng)用于煤炭、礦山、港口、電力等領(lǐng)域[1-2]。帶式輸送機在生產(chǎn)過程中，一方面需要計量物料運輸量，另一方面為了安全和節(jié)能需要，采用帶式輸送機變頻調(diào)速控制使輸送機運行在最佳負(fù)荷狀態(tài)[3-6]，根據(jù)瞬時煤流量調(diào)節(jié)帶式輸送機的運行速度[7]，需要對帶式輸送機煤流量進行實時檢測。

目前，帶式輸送機煤流量檢測方法主要有電子皮帶秤、核子秤和超聲波測距儀等。電子皮帶秤檢測方法是接觸式測量，測量準(zhǔn)確性和可靠性差[8-10]；核子秤檢測方法是非接觸式的散裝物料在線檢測方法[11]，利用物料對γ 射線束吸收的原理[10，12]，對帶式輸送機傳送的煤流量進行在線連續(xù)計量，由于采用了放射性物質(zhì)[9，13-14]，對環(huán)境和人體危害大，存在安全隱患；超聲波測距儀檢測方法利用超聲波檢測原理，通過反射回來的聲波實現(xiàn)煤流量檢測，存在抗干擾性能和準(zhǔn)確性差等問題。由于生產(chǎn)條件限制，帶式輸送機的運煤量是不均勻的[15]，煤流量難以實現(xiàn)準(zhǔn)確測量，導(dǎo)致帶式輸送機不能根據(jù)負(fù)載情況實時調(diào)整電動機速度。

針對以上問題，本文為帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)提出了一種基于激光測距原理的煤流量檢測算法，采用TCP/IP 協(xié)議和C#語言編寫上位機軟件，實現(xiàn)激光測距儀與上位機的通信；采用激光測矩儀采集輸送帶表面和煤流的橫向輪廓點云數(shù)據(jù)，采用扇形面積積分方法計算輸送帶上煤的橫向輪廓面積，結(jié)合煤的密度和輸送帶運行速度計算煤流量；并搭建實驗平臺對帶式輸送機煤流量進行實時檢測，驗證其檢測效果。

1 監(jiān)控系統(tǒng)組成

具有煤流量檢測功能的帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)由上位機、核心交換機、監(jiān)控終端、急停開關(guān)、網(wǎng)絡(luò)電話、視頻監(jiān)控探頭、系列傳感器、控制設(shè)備和激光掃描儀等部分組成，如圖1 所示。

圖1 具有煤流量檢測功能的帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of belt conveyor monitoring system with coal flow detection function

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)帶式輸送機狀態(tài)檢測、控制、語音通信、視頻監(jiān)控、顯示及歷史記錄歸檔和報警等功能。

（1）上位機是監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測和控制中心，通過核心交換機接入環(huán)網(wǎng)，可以實時有效地查看帶式輸送機的工作狀態(tài)，并實現(xiàn)對帶式輸送機故障的檢測、分析和處理。

（2）監(jiān)控終端通過系列傳感器實現(xiàn)對帶式輸送機運行狀態(tài)和現(xiàn)場環(huán)境信息的采集，通過控制設(shè)備實現(xiàn)對帶式輸送機的控制。

（3）視頻監(jiān)控探頭可以通過以太網(wǎng)接口接入監(jiān)控終端、急停開關(guān)和網(wǎng)絡(luò)電話終端，用于采集帶式輸送機關(guān)鍵部位的視頻圖像。

（4）網(wǎng)絡(luò)電話用于實現(xiàn)一對一、一對多的擴音呼叫、全雙工擴音通話、擴音廣播和擴音報警功能。

（5）急停開關(guān)實現(xiàn)急停控制，通過以太網(wǎng)接入環(huán)網(wǎng)，分布于輸送機沿線，通過急停拉線連接起來，同時為沿線傳感器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入提供接口[16]。

（6）激光測距儀是監(jiān)控系統(tǒng)中實現(xiàn)帶式輸送機煤流量檢測的傳感器設(shè)備，可以通過監(jiān)控終端、急停開關(guān)或環(huán)網(wǎng)交換機接入帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控終端通過以太環(huán)網(wǎng)和交換模塊將激光測距儀采集的數(shù)據(jù)上傳給上位機，上位機通過算法對激光測距儀采集數(shù)據(jù)進行處理，計算出實時煤流量并在軟件界面顯示，實現(xiàn)輸送帶上定點煤流量的實時檢測和監(jiān)控。

2 激光測距原理

激光測距儀的測量原理如圖2 所示。

圖2 激光測距儀的測量原理Fig.2 Measurement principle of laser range finder

二維激光測距儀是一個電光的激光測量傳感器，在一個平面周圍進行激光掃描，測量二維坐標(biāo)下周圍的物體，當(dāng)掃描激光束碰到物體時，能夠獲得距離和方向2 個決定位置的信息。

（1）距離信息的獲取原理：一個激光二極管發(fā)射的脈沖激光束遇到物體時發(fā)生反射，反射激光束由另一個光電二極管檢測并接收，利用從發(fā)射脈沖激光到接收反射激光的傳播時間計算距離信息。

（2）方向信息的測量原理：在測量過程中激光掃描儀發(fā)射的脈沖激光束循環(huán)掃描周圍物體，掃描頻率為25 或50 Hz，每次掃描時發(fā)射脈沖激光束的角度間隔為0.25°或0.5°，激光掃描儀通過角編碼器觸發(fā)記錄周圍物體反射激光束的角度，從而獲得被測物體的方向信息。

3 煤流量檢測算法

受環(huán)境等因素的影響，激光測距儀的測量數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)誤差和測量誤差。本文所采用的激光測距儀LMS111-10100 的系統(tǒng)誤差為±30 mm，持續(xù)誤差為12 mm。為了減小數(shù)據(jù)噪聲[17]，提高算法精確度，本文采用最小二乘法對原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，用處理后的數(shù)據(jù)計算得到實時的煤流量。

輸送帶上煤的流量是單位時間內(nèi)通過某有效截面的質(zhì)量，即煤的密度乘以單位時間內(nèi)通過某有效截面的煤的體積。

式中：Qt為輸送帶上煤的流量；ρ 為煤的密度；Vt為單位時間內(nèi)通過某有效截面的煤的體積。

激光測距儀的掃描頻率為f，即每掃描一幀輸送帶上堆煤截面積數(shù)據(jù)所用的時間是為輸送帶的速度，每掃描一幀數(shù)據(jù)，輸送帶所走的距離是為輸送帶上堆煤瞬時橫向截面積，則單位時間內(nèi)通過某有效截面的煤的體積為

輸送帶上煤的流量為

式中：煤的密度ρ 和激光測距儀的掃描頻率f 是已知的，輸送帶的速度vt通過速度傳感器采集數(shù)據(jù)獲得，故只要測得輸送帶上堆煤瞬時橫向截面積Si，即可計算出輸送帶上煤的流量。

輸送帶上堆煤瞬時橫向截面積Si的計算原理如圖3 所示。

首先測得空載時輸送帶橫向輪廓的激光點云數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行最小二乘法曲線擬合，采用擬合后的數(shù)據(jù)計算激光測距儀與輸送帶空載時橫向輪廓之間形成的面積S1，如圖3（b）所示。然后測得該角度范圍內(nèi)有堆煤時堆煤橫向輪廓的激光點云數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行最小二乘法曲線擬合，采用擬合后的數(shù)據(jù)計算激光測距儀與堆煤橫向輪廓之間形成的面積S2，如圖3（c）所示。由此可得輸送帶上堆煤瞬時橫向截面積Si，計算公式為

圖3 輸送帶上堆煤瞬時橫向截面積Si 的計算原理Fig.3 Calculation principle of instaneous cross sectional area Si of coal on conveyor belt

帶式輸送機主要由機架、輸送帶、托輥、滾筒、張緊裝置、傳動裝置等組成。它的結(jié)構(gòu)組成決定了輸送帶的橫向截面輪廓不是一個規(guī)則的梯形，而是邊緣光滑的曲線。本文采用扇形面積積分算法，計算激光測距儀與空載時輸送帶橫向輪廓之間形成的面積S1和激光測距儀與堆煤橫向輪廓之間形成的面積S2。以S1為例，扇形面積積分算法公式為

式中：lk、lk+1均為激光測距儀掃描中心到輸送帶的距離；n為掃描一幀數(shù)據(jù)有n 個數(shù)據(jù)點；Sk為lk和lk+1這兩條直線之間形成的面積，是 lk和 lk+1的平均值，采用平均值作為扇形面積Sk的半徑可以減小激光測距儀的測量誤差帶來的影響。扇形積分算法原理如圖4 所示。

圖4 扇形積分算法原理Fig.4 Principle of sector integral algorithm

4 上位機軟件設(shè)計

本文設(shè)計的上位機軟件具有以下幾項基本功能：與激光測距儀進行通信；通過煤流量檢測算法程序計算出輸送帶實時煤流量；在上位機界面上實時顯示輸送帶煤流量。

套接字是通信的基石，是支持TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信的基本操作單元。本文所設(shè)計的上位機軟件與激光測距儀的通信采用TCP/IP 協(xié)議，采用基于.NET的Socket 套接字技術(shù)[18-19]實現(xiàn)，通信報文的幾種常用指令如表1 所示。報文框架在開始時為STX，末尾為ETX。該命令以ASCII 字母編寫，后跟其中定義的參數(shù)文件。

表1 上位機軟件與激光測距儀通信常用指令Tab.1 Commonly used instructions for communication between host computer software and laser range finder

本文基于Microsoft 公司的.NET 平臺，采用C#語言編寫上位機軟件[20]，設(shè)計環(huán)境采用Visual studio。上位機軟件的程序流程圖如圖5 所示。上位機軟件的界面如圖6 所示。

圖5 上位機軟件程序流程Fig.5 Flow chart of software program for host computer

圖6 上位機軟件界面Fig.6 Interface of host computer software

5 實驗驗證

為了驗證基于激光測距原理的帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)中煤流量檢測技術(shù)在實際應(yīng)用中的準(zhǔn)確性和可靠性，在天津工業(yè)大學(xué)遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實驗室的輸送帶上進行實驗測試。選用西克公司的LMS111-10100 激光測距儀，掃描頻率選用25 Hz，角分辨率選用0.25°。由于實驗室的空間比較狹小，所以很難在實驗室實現(xiàn)對高帶速輸送帶煤流量的檢測。因此，實驗中輸送帶的帶速采用0.5 m/s，并用珍珠巖代替煤進行實驗。本文分別測試了真實體積為0.06、0.07、0.08 m3的珍珠巖堆的體積，實驗平臺如圖7 所示，實驗結(jié)果如表2所示。

圖7 實驗平臺圖Fig.7 Experimental platform diagram

表2 實驗結(jié)果Tab.2 Experimental results

由表2 可以看出，測試精度穩(wěn)定在95%以上，說明本文提出的基于激光測距原理的帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)中煤流量檢測技術(shù)能對煤流量進行準(zhǔn)確檢測，且隨著輸送帶上運煤量體積增大，計算精度略有提升。這是因為隨著輸送帶上煤體積的增大，系統(tǒng)誤差和測量誤差所占比重減小。

對實驗過程及結(jié)果進行分析，總結(jié)出實驗誤差主要存在于以下幾個方面：激光掃描儀系統(tǒng)誤差和測量誤差導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；輸送帶上煤的截面積是通過積分計算近似得到的；輸送帶的振動和跑偏導(dǎo)致輸送帶上測得煤的截面積和真實值有差距；輸送帶速度傳感器測得的速度數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確。

6 結(jié) 語

本文為帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計了一種基于激光測距原理的煤流量檢測方案，充分利用監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源，采用C#語言編寫上位機監(jiān)控系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了對帶式輸送機煤流量實時、準(zhǔn)確地在線監(jiān)測，實驗結(jié)果顯示，檢測精度達到95%以上。該煤流量檢測方法更加安全可靠，可以為帶式輸送機自適應(yīng)節(jié)能控制技術(shù)提供實時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，對提高煤礦自動化水平，提高生產(chǎn)效率具有較大的應(yīng)用價值。