基于激光測距傳感器的輸送帶煤流量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡佑兵

秦皇島港股份有限公司第六港務(wù)分公司 河北秦皇島 066000

秦皇島港煤三期翻堆線高架輸送帶驅(qū)動(dòng)滾筒附近未安裝檢測設(shè)備，在完成翻車作業(yè)之后無法判斷高架輸送帶上的煤流量，一般都是待堆料輸送帶上沒有煤時(shí)才停止高架輸送帶，停機(jī)時(shí)機(jī)較晚，增加了卸車單耗。目前輸送帶上的稱量設(shè)備主要是電子皮帶秤，作為一種接觸式測量方法，輸送帶工作過程中的張力、傾斜度、受力不均等多種因素都會(huì)影響電子秤的測量結(jié)果[1]。基于上述問題，設(shè)計(jì)了一種基于激光測距傳感器的高架輸送帶煤流量檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)檢測高架輸送帶上的煤炭流量，并以此控制高架帶式輸送機(jī)的啟停，實(shí)現(xiàn)輸送帶煤流量與帶式輸送機(jī)動(dòng)作的聯(lián)鎖；此外，系統(tǒng)還可實(shí)時(shí)檢測高架輸送帶的撕裂、跑偏等狀態(tài)，對(duì)提升高架輸送帶的運(yùn)行安全性大有益處。

1 技術(shù)方案

輸送帶煤流量檢測系統(tǒng)由激光測距傳感器、工控機(jī)、工業(yè)以太網(wǎng)、煤流量檢測上位機(jī)、帶式輸送機(jī)控制 PLC 以及西門子 Wincc 上位機(jī)檢測軟件等部分組成。其中上位機(jī)檢測軟件安裝在工控機(jī)中，是檢測系統(tǒng)監(jiān)測和控制的中心，它通過以太網(wǎng)與激光測距傳感器相連，對(duì)帶式輸送機(jī)跑偏、撕裂、過載和空載等狀態(tài)進(jìn)行檢測，并通過西門子 OPEN IE TCP 通信協(xié)議與帶式輸送機(jī)控制 PLC 進(jìn)行通信，將激光測距傳感器采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至帶式輸送機(jī)控制 PLC。具體過程：LMS111-10100 激光測距傳感器實(shí)時(shí)檢測 1號(hào)高架輸送帶煤流量，通過 TCP 協(xié)議將煤流量信息發(fā)送至 3 號(hào)轉(zhuǎn)接塔工控機(jī)的上位機(jī)軟件 LaderV；3 號(hào)轉(zhuǎn)接塔工控機(jī)采用 OPEN IE TCP 通信協(xié)議，將檢測到的煤流量信息發(fā)送至 3 號(hào)轉(zhuǎn)接塔 S7-300 PLC；3 號(hào)轉(zhuǎn)接塔 S7-300 PLC 再通過 S7 單邊通信將該信息發(fā)送至 1 號(hào)轉(zhuǎn)接塔的西門子 S7-300 PLC，并在 1 號(hào)轉(zhuǎn)接塔的 Wincc 上位機(jī)界面顯示；1 號(hào)轉(zhuǎn)接塔值崗司機(jī)通過查看 Wincc 上位機(jī)界面，確定 1 號(hào)高架輸送帶的煤流量、撕裂和空載等信息，并據(jù)此在翻卸作業(yè)完畢之后及時(shí)停止 1 號(hào)高架輸送帶。1 號(hào)高架輸送帶煤流量檢測系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 1 號(hào)高架輸送帶煤流量檢測系統(tǒng)組成架構(gòu)Fig.1 Constitution of No.1 overhead conveyor belt coal flow detection system

1.1 激光測距傳感器工作原理

相較于普通傳感器，激光測距傳感器具有測量速度快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，在許多逆向工程領(lǐng)域 (如復(fù)雜的曲面檢測) 得到了成功的應(yīng)用[2-4]。其中輸送帶的瞬時(shí)流量可通過物料當(dāng)前橫截面積與輸送帶瞬時(shí)速度的乘積來表示[5]。筆者選用 Sick 公司推出的一款高性能室外物體測量用 LMS111-10100 型激光測距傳感器來檢測高架輸送帶的煤流量。其工作原理為：傳感器首先掃描空輸送帶或傳輸載體的形狀并記錄下來，當(dāng)有散料通過時(shí)即得到實(shí)時(shí)的輪廓數(shù)據(jù)，用空載時(shí)的輪廓減去有載時(shí)的輪廓，即得到此時(shí)的截面面積，從而得到體積和質(zhì)量。當(dāng)連續(xù)不斷地測量運(yùn)動(dòng)輸送帶上物體的實(shí)時(shí)輪廓時(shí)，就能得到連續(xù)的體積和質(zhì)量，如圖 2所示。

圖2 獲取物料截面Fig.2 Obtaining of material cross section

輸送帶上的煤流量Q(t) 是指單位時(shí)間內(nèi)通過輸送帶上某有效截面的煤的質(zhì)量流量，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：ρ為煤的密度；V(t) 為單位時(shí)間內(nèi)通過某有效截面的煤的體積。

激光測距傳感器的掃描頻率為f，即每掃描一次輸送帶上堆煤面積所用的時(shí)間為 1/f；v(t) 為輸送帶的速度；每掃描一次輸送帶所走的距離為v(t)/f；輸送帶上堆煤瞬時(shí)橫向截面積為S(i)。設(shè)在v(t)/f距離內(nèi)輸送帶上煤流截面積保持不變且均為S(i)，則 1/f時(shí)間內(nèi)通過激光測距傳感器掃描截面的煤流的體積為v(t)S(i)/f，單位時(shí)間內(nèi)通過激光測距傳感器掃描截面的煤流的體積為 1/f時(shí)間體積的累加，其計(jì)算公式為

將式 (2) 代入式 (1)，得到單位時(shí)間內(nèi)輸送帶上通過激光測距傳感器掃描截面的煤流量

1.2 流量實(shí)時(shí)監(jiān)測上位軟件 LaderV

針對(duì)流量檢測的應(yīng)用場景搭配不同的雷達(dá)，開發(fā)專用的流量實(shí)時(shí)監(jiān)測軟件 LaderV，以顯示測量狀態(tài)，參數(shù)設(shè)置界面如圖 3 所示。

圖3 LaderV 軟件參數(shù)設(shè)置界面Fig.3 Parameter setting interface of LaderV software

1.3 搭建系統(tǒng)通信鏈路

煤三期生產(chǎn)控制系統(tǒng)各單機(jī)和轉(zhuǎn)接塔所用的西門子 S7-400 或 S7-300 系列 PLC 均集成了 PROFINET 接口，該接口除了具備連接 PROFINET 總線通信功能外，還可用于標(biāo)準(zhǔn)的 TCP 通信。通過組態(tài) TCP 連接或使用西門子 OPEN IE TCP 通信專用功能塊與其他設(shè)備建立 TCP 連接來實(shí)現(xiàn)通信。開放式用戶通信基本包括 4 個(gè)步驟：建立連接、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)和斷開連接，各個(gè)步驟均由相應(yīng)的功能塊 (指令) 來實(shí)現(xiàn)。將 3 號(hào)轉(zhuǎn)接塔控制 S7-300 PLC (IP 為 192.168.0.10) 作為 TCP 客戶端，將安裝有 LaderV 軟件的工控機(jī) (IP 為192.168.0.2) 作為 TCP 服務(wù)器，在博途 (Portal) 環(huán)境下組建二者之間的 OPEN IE TCP 通信，所用通信功能塊包括“TCON”、“TRCV”和“TSEND”。使用 TCP 協(xié)議，設(shè)置通信伙伴 (工控機(jī))的 IP 地址為 192.168.0.2，端口為 2000，將工控機(jī)設(shè)置為主動(dòng)連接，如圖 4 所示。

圖4 Portal 軟件中 TCON的參數(shù)設(shè)置Fig.4 Parameter setting of TCON in Portal software

在西門子 Step 7 軟件的 NetPro 中選中 1 號(hào)轉(zhuǎn)接塔 S7-300 PLC，并與 3 號(hào)轉(zhuǎn)接塔 S7-300 PLC 建立單邊 S7 連接。建立的單邊 S7 連接需在 1 號(hào)轉(zhuǎn)接塔 S7-300 PLC 中定義對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，其數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)格式與 3 號(hào)轉(zhuǎn)接塔 S7-300 PLC 中接收 LaderV的數(shù)據(jù)塊一致。

1.4 設(shè)備安裝、調(diào)試

因?yàn)榧す鉁y距傳感器計(jì)量煤流量是以輸送帶的輪廓為基礎(chǔ)的，所以應(yīng)在空載和有載時(shí)輸送帶位置不變或變化很微小的地方來進(jìn)行計(jì)量，以免產(chǎn)生誤差。同時(shí)考慮到安裝距離不能太低或太高 (應(yīng)在 0～ 25 m 之間)，將激光測距傳感器安裝在 1 號(hào)高架輸送帶驅(qū)動(dòng)滾筒北側(cè)輸送帶的正上方，激光測距傳感器距離輸送帶高度約為 0.9 m，此處輸送帶不易變形，符合安裝要求。輸送帶空載運(yùn)行時(shí)激光測距傳感器監(jiān)測到的點(diǎn)狀曲線如圖 5 所示，其中輸送帶邊緣對(duì)應(yīng)測距傳感器的監(jiān)測范圍分別是 35°和 145°。

圖5 1 號(hào)高架輸送帶空載運(yùn)行時(shí)的點(diǎn)狀曲線Fig.5 Dotted curve of No.1 overhead conveyor belt at non-load operation

1 號(hào)高架輸送帶運(yùn)行速度約為 5 m/s，煤炭密度約為 1 000 kg/m3，掃描范圍為 35°～ 145°，在 LaderV軟件中完成參數(shù)設(shè)置后得到作業(yè)時(shí)輸送帶的煤流量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如圖 6 所示，1 號(hào)高架輸送帶的點(diǎn)狀曲線如圖7 所示。

圖6 LaderV 軟件中的煤流量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Fig.6 Real-time data about coal flow in LaderV software

圖7 作業(yè)時(shí) 1 號(hào)高架輸送帶的點(diǎn)狀曲線Fig.7 Dotted curve of No.1 overhead conveyor belt during operation

通過建立系統(tǒng)通信鏈路，將激光測距傳感器反饋的流量數(shù)據(jù)發(fā)送到 1 號(hào)轉(zhuǎn)接塔 S7-300 PLC，同時(shí)1 號(hào)轉(zhuǎn)接塔通過 S7 單邊通信，將高架輸送帶的煤流量、跑偏和撕裂狀態(tài)等信息發(fā)送至控制高架輸送帶啟停的 S7-400 PLC，以此實(shí)現(xiàn)高架輸送帶煤流量與高架帶式輸送機(jī)啟停動(dòng)作的聯(lián)鎖。

2 實(shí)施效果

1 號(hào)高架輸送帶煤流量檢測系統(tǒng)使高架輸送帶空載運(yùn)行時(shí)間由 2 min 降為幾秒，系統(tǒng)檢測的煤流量數(shù)值與翻車輸送帶皮帶秤的差值僅為約 3%。秦皇島港煤三期翻堆線“一翻一堆”流程 (CD1-BF1-BH1-ST1) 作業(yè)時(shí)，1 號(hào)翻車輸送帶皮帶秤數(shù)值與 1 號(hào)高架輸送帶煤流量檢測數(shù)值的對(duì)比如表 1 所列?？芍?1 號(hào)高架輸送帶煤流量檢測值比 1 號(hào)翻車輸送帶皮帶秤數(shù)值滯后約 57 s。除檢測煤流量之外，系統(tǒng)還能夠準(zhǔn)確檢測高架輸送帶的撕裂、跑偏、超載和空載等運(yùn)行狀態(tài)，有效提升了高架輸送帶的運(yùn)行安全性。

表1 1 號(hào)翻車輸送帶皮帶秤數(shù)值與1號(hào)高架輸送帶煤流量檢測數(shù)值對(duì)比Tab.1 Comparison of weighed value of No.1 dumper conveyor belt and detected value of No.1 overhead conveyor belt coal flow

3 結(jié)語

基于激光測距傳感器的輸送帶煤流量檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了秦皇島港煤三期高架輸送帶煤流量的實(shí)時(shí)檢測，解決了長久以來高架輸送帶煤流量無法檢測的難題。應(yīng)用激光測距傳感器采集到的煤流量數(shù)值與翻車輸送帶皮帶秤檢測的數(shù)值相差約 3%，且具有安裝便捷、價(jià)格低廉等優(yōu)勢，可在港口未裝有皮帶秤的非計(jì)量輸送帶上推廣應(yīng)用。