基于超聲波傳感器的帶式輸送機煙絲瞬時流量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

周愛民 葉飛 施旭東 趙培成

摘? 要：文章提出了一種基于超聲波的帶式輸送機煙絲瞬時流量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案通過超聲波測距技術(shù)獲取輸送帶上煙絲高度數(shù)據(jù)，完成對煙絲堆積截面輪廓邊界的擬合，后將堆積截面近似轉(zhuǎn)化為多邊形，再利用相應(yīng)公式計算多邊形的面積即可得出煙絲近似堆積截面積。結(jié)合速度編碼器獲取的輸送帶速度數(shù)據(jù)和煙絲標(biāo)準(zhǔn)物理參數(shù)，最終得出帶式輸送機上煙絲瞬時流量，可為煙草制絲帶式輸送機防堵料智能預(yù)警技術(shù)提供實時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來源。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機;煙絲流量監(jiān)測;多點超聲測距;防堵料智能預(yù)警

中圖分類號：TP277? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2022）03-0149-04

Design of Instantaneous Flow Monitoring System for Cut Tobacco Belt Conveyor Based on Ultrasonic Sensor

ZHOU Aimin， YE Fei， SHI Xudong， ZHAO Peicheng

（Yunnan Hongta Group Yuxi Cigarette Factory， Yuxi? 653100， China）

Abstract： This paper proposes a kind of instantaneous flow monitoring system design scheme for belt conveyor based on ultrasonic sensor. The scheme obtains the height data of cut tobacco on belt conveyor by ultrasonic ranging technology， completes the fitting of cut tobacco accumulation section profile boundary， and converts the accumulation section to polygon approximatively， then calculates the area of the polygon by using corresponding formula and the approximate area of cut tobacco accumulation section is obtained. Combined with the belt conveyor speed data and cut tobacco standard physical parameters obtained by the speed encoder， it gets the instantaneous flow of the cut tobacco on the belt conveyor finally. It can provide real-time and accurate data source for the intelligent early warning against blocking material technology of cut tobacco belt conveyor.

Keywords： belt conveyor; cut tobacco flow monitoring; multi-point ultrasonic ranging; intelligent early warning against blocking material

0? 引? 言

帶式輸送機是主流制絲設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由機架、輸送皮帶、主動輥、從動輥、張緊裝置等組成[1]。輸送皮帶安裝在分置兩端的主動輥和從動輥上，通過調(diào)整適度張緊后皮帶會對輥筒產(chǎn)生一個正壓力并形成摩擦力，隨后主動輥帶動輸送皮帶一起做同向運動。皮帶載物表面上的煙絲進(jìn)而通過與皮帶之間產(chǎn)生的靜摩擦力進(jìn)行輸送。帶式輸送機具有諸多優(yōu)點，一方面其安裝靈活、輸送量大，易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)和集中控制[2];同時結(jié)構(gòu)相對簡單、維護保養(yǎng)便利，在煙草生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

目前制絲線煙絲瞬時流量監(jiān)測通常采用電子皮帶秤等接觸方式測量[3]，測量精度易受煙絲松散不到位、振篩分布不均勻等因素影響。制絲電子皮帶秤體積較大且機械安裝復(fù)雜，因此無法對帶式輸送機上運輸?shù)臒熃z進(jìn)行實時流量測量。在煙絲進(jìn)柜過程中，煙絲通過帶式輸送機輸送至落料口，但是由于煙絲的質(zhì)地特點，一旦輸送裝置的輸送流量超過了落料口的落料流量極限，會造成因落料口煙絲堵塞而斷料停機的故障。若發(fā)生堵塞，煙絲會在較短時間內(nèi)大量堆積，疏通難度大且疏通時間長，同時堵料疏通為人工作業(yè)，存在較大的人身安全隱患。堵料嚴(yán)重時會造成整條制絲線的停機斷料事故，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)連續(xù)性和生產(chǎn)效率，并對制絲工藝質(zhì)量產(chǎn)生極大危害。為保證生產(chǎn)進(jìn)程的連續(xù)性和平穩(wěn)性，保障設(shè)備的運行效率，煙絲瞬時流量成為制絲防堵料預(yù)警的重要指標(biāo)。同時隨著帶式輸送機向大承載量、高輸送速度方向發(fā)展，采用實時連續(xù)、可靠精準(zhǔn)的煙絲流量監(jiān)測方法對降低帶式輸送機系統(tǒng)能耗、減少設(shè)備維護頻次、提高企業(yè)生產(chǎn)效率具有重要意義。

超聲波測距技術(shù)具有指向性好、測量精準(zhǔn)、可靠性強、抗干擾性能優(yōu)異等特點，可實現(xiàn)對被測物物理距離實時、連續(xù)地測量。由于其為非接觸式測量，且受煙絲表面特性和灰塵阻擋影響小，使之特別適合制絲線現(xiàn)場暗光、多灰、高濕環(huán)境使用。根據(jù)帶式輸送機煙絲瞬時流量測量精度要求并結(jié)合制絲線工藝質(zhì)量指標(biāo)，本文設(shè)計了一種基于超聲波的帶式輸送機煙絲流量監(jiān)測系統(tǒng)。PLC通過采集超聲波傳感器獲得的煙絲高度數(shù)據(jù)實現(xiàn)對煙絲堆積截面輪廓邊界的擬合，后利用煙絲流量監(jiān)測算法計算出帶式輸送機煙絲堆積截面積，并結(jié)合速度編碼器獲得的輸送帶運行速度數(shù)據(jù)等參數(shù)最終得到煙絲瞬時流量。該系統(tǒng)具有測量準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、保養(yǎng)維護容易等優(yōu)點，可為制絲帶式輸送機防堵料智能預(yù)警技術(shù)提供實時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來源。

1? 系統(tǒng)組成與工作過程

1.1? 系統(tǒng)組成

基于超聲波的帶式輸送機煙絲流量監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器單元、本地控制單元、網(wǎng)絡(luò)傳輸單元、上位機單元4個部分組成，同時與驅(qū)動器單元及外部控制單元進(jìn)行信息傳遞，如圖2所示。傳感器單元主要由負(fù)責(zé)采集輸送帶上煙絲高度數(shù)據(jù)的超聲波傳感器和負(fù)責(zé)采集輸送帶運行速度數(shù)據(jù)的速度編碼器構(gòu)成。PLC處理單元用于接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合運算。網(wǎng)絡(luò)傳輸單元負(fù)責(zé)將各單元信號進(jìn)行交互傳遞，實現(xiàn)信號傳輸。上位機單元可實現(xiàn)PLC處理單元的信號輸出，如將煙絲瞬時流量、輸送帶運行速度等信息進(jìn)行可視化顯示輸出，方便操作人員判讀。

1.2? 工作過程

在帶式輸送機上方垂直安裝基于超聲波傳感器的煙絲高度監(jiān)測裝置，同時根據(jù)輸送帶上安裝的速度編碼器實時獲取電機的轉(zhuǎn)速并傳輸至PLC。最后PLC根據(jù)采集到的煙絲動態(tài)高度數(shù)據(jù)和輸送帶速度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，結(jié)合超聲波傳感器安裝高度、輸送帶上煙絲寬度、不同牌號煙絲密度等參數(shù)，計算出實時煙絲瞬時流量并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸單元傳送到上位機，實現(xiàn)實時煙絲瞬時流量的可視化顯示輸出及系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)的收集記錄。整體監(jiān)測系統(tǒng)流程如圖3所示。

2? 煙絲流量的監(jiān)測原理和數(shù)學(xué)模型

2.1? 煙絲高度測量原理

超聲波傳感器垂直安裝于輸送帶上方高度為H處，如圖4所示。超聲波探頭向輸送帶上煙絲發(fā)射一束超聲波脈沖信號，脈沖與煙絲表面接觸并被其反射，反射回來的信號由探頭重新接收，PLC記錄該過程所經(jīng)歷時間并結(jié)合已知的超聲波傳播速度可得到被測煙絲的距離h。

2.2? 基于多點超聲波的煙絲瞬時流量計算數(shù)學(xué)模型

輸送帶煙絲瞬時流量監(jiān)測原理是利用超聲波測量煙絲高度，并對測量點進(jìn)行坐標(biāo)化處理，然后將煙絲堆積截面輪廓邊界擬合，進(jìn)而通過數(shù)學(xué)模型推算堆積截面積，最終結(jié)合參數(shù)算出煙絲流量。因此求解堆積截面積就是數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵所在，本文提出一種基于多點超聲波的煙絲瞬時流量計算數(shù)學(xué)模型。該模型的優(yōu)點是有效解決了圖4所示單點超聲測量方式在煙絲松散不到位或振篩分布不均情況下測量誤差較大的問題。

首先在帶式輸送機上方垂直安裝3個超聲波傳感器，傳感器在支架上等間距布置，如圖5所示。設(shè)超聲波傳感器間距為d，支架高度為H，間距d需根據(jù)振篩后煙絲實際分布情況確定。隨后對測量點進(jìn)行坐標(biāo)化處理，將輸送帶上方安裝的中間傳感器位置定為坐標(biāo)原點并以此建立坐標(biāo)系，其中橫向為x軸，豎向為y軸。設(shè)輸送帶上方3個傳感器的測量值分別為h1，h2，h3，則圖中A，B，C三點坐標(biāo)分別為（-d，h1），（0，h2），（d，h3）。由于輸送帶上煙絲均來自前端同一設(shè)備，所以相同牌號煙絲在輸送帶上分布寬度可近似看作相等，此寬度可通過多批次實際生產(chǎn)測量確定，設(shè)實際煙絲分布寬度為2L。則煙絲堆積截面下底與輸送帶截面接觸點D，E，F(xiàn)坐標(biāo)也可確定，分別為（-L，H），（0，H），（L，H）。所有測量點坐標(biāo)化處理后，即可進(jìn)行煙絲堆積截面積運算。

不同的煙絲堆積形態(tài)會導(dǎo)致測點A，B，C坐標(biāo)變化，輸送帶中間煙絲會在前端振槽振篩和重力的雙重作用下向兩側(cè)運動，呈現(xiàn)出中間高兩側(cè)低的形態(tài)，經(jīng)過實際觀測可近似看作半圓弧形。易知煙絲上表面測點A與下表面D點坐標(biāo)不同，同理測點B與下表面E點、測點C與下表面F點均為不同坐標(biāo)點。煙絲堆積截面積算法如圖6所示。

將物料截面近似成一個多邊形，測點A，B，C，D，E，F(xiàn)為該多邊形的6個頂點。按如圖所示方法將頂點相連后多邊形被劃分成4個三角形，即左右兩個斜三角形和中間兩個直角三角形。將每個三角形的頂點坐標(biāo)代入長度公式可得三角形任意邊長為：

（1）

其中（x1，y1），（x2，y2）為任意邊兩端點坐標(biāo)。左右兩個斜三角形各自的面積S1可以根據(jù)海倫公式分別求解為：

（2）

其中D1，D2，D3分別為同一個三角形中三邊的邊長，P為該三角形半周長。中間兩個直角三角形的面積和可視為一個大直角三角形進(jìn)行計算，大直角三角形面積S2為：

（3）

其中2L為煙絲分布寬度，H為超聲波傳感器安裝高度，h2為中間超聲波傳感器的反饋值。最后將3個三角形的面積求和即為多邊形的面積，左右兩個斜三角形各自的面積近似看作相等，多邊形的面積近似為煙絲的堆積截面積S。

S=2S1+S2（4）

輸送帶上煙絲的流量是單位時間內(nèi)通過某堆積截面的質(zhì)量，即煙絲的密度乘以單位時間內(nèi)通過該堆積截面的煙絲的體積：

Q=V ·ρ（5）

式中Q為輸送帶上煙絲的瞬時流量，V為單位時間內(nèi)通過該堆積截面的煙絲的體積，ρ為同牌號煙絲的密度，可通過查閱工藝手冊獲得。

前文中提到不同的煙絲堆積形態(tài)會導(dǎo)致測點A，B，C坐標(biāo)變化，從而得到不同的S值。因此在計算瞬時流量Q時需要將超聲波傳感器每次發(fā)射到接收脈沖視為一個時間為Δt的測量周期，由于單周期脈沖很快例如可達(dá)100 ms/次，因此在很短的Δt時間內(nèi)可將該煙絲堆積截面形態(tài)和面積視為不變，并隨輸送帶以勻速VΔt向前移動一段距離如圖7所示。

該距離為Δt · k1 · n，其中k1為皮帶轉(zhuǎn)速與電機轉(zhuǎn)速的比值，n為電機轉(zhuǎn)速，通過速度編碼器實時獲得，因此體積VΔt即為：

VΔt=S · Δt · k1 · n? （6）

帶入式（4）中可得該脈沖周期內(nèi)輸送帶上煙絲瞬時流量為：

（7）

其中f為超聲波傳感器工作頻率，通過說明書可以查到，其與單脈沖測量時間Δt互為倒數(shù)?？紤]到煙絲物料的蓬松性，修正后煙絲瞬時流量為：

（8）

其中k2為修正系數(shù)。對煙絲的瞬時流量在時間上進(jìn)行0到t的積分運算后就可以得到累計流量：

（9）

3? 控制單元設(shè)計

控制單元采用西門子S7系列PLC控制系統(tǒng)，PLC將超聲波傳感器和速度編碼器的輸入值進(jìn)行計算，以超聲波傳感器輸入值處理為例。超聲波傳感器通過4～20 mA電流信號傳送到PLC的模擬量輸入模塊，PLC將輸入信號由整數(shù)INT型轉(zhuǎn)為雙整數(shù)DINT型，再由雙整數(shù)DINT型轉(zhuǎn)為浮點數(shù)REAL型，根據(jù)超聲波傳感器最小輸入信號21 696.0對應(yīng)0 mm的高度，最大輸入信號27 600.0對應(yīng)350 mm，進(jìn)行線性換算后就可以得到超聲波傳感器檢測到的高度值。

得到超聲波高度和電機轉(zhuǎn)速后，結(jié)合超聲波傳感器安裝高度、輸送帶上煙絲寬度、不同牌號煙絲密度等參數(shù)經(jīng)過計算后得到帶式輸送機上物料的瞬時流量。

4? 網(wǎng)絡(luò)傳輸單元設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)傳輸單元主要實現(xiàn)兩個功能，一是實現(xiàn)本地控制單元與上位機單元的信息傳遞，二是實現(xiàn)本地控制單元與外部控制單元的信息傳遞。目前工業(yè)底層設(shè)備的通訊主要有現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)兩種?，F(xiàn)場總線包括Profibus、Modbus RTU、CC-Link、CAN等，一般采用RS485接口，線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有成本低、布線少、速率低、抗干擾能力弱等優(yōu)缺點。工業(yè)以太網(wǎng)包括Profinet、Modbus TCP、CC-link IE、EtherCAT等，一般采用RJ45接口，可以靈活使用線型、環(huán)型、星形不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有速率高、抗干擾能力強、成本高、布線多等優(yōu)缺點。目前車間大部分控制器均為西門子系列的1500、1200和400，項目的本地控制器不僅需要跟上位機單元進(jìn)行信息傳遞，而且需要跟外部控制器進(jìn)行信息傳遞。同時考慮到隨著智能制造和工業(yè)4.0戰(zhàn)略方針的開展，在綜合可靠性、兼容性、實時性、適應(yīng)性、拓展性等多方面因素后選擇了工業(yè)以太網(wǎng)中的Profinet作為通訊方式，選擇了星型作為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

5? 上位機單元設(shè)計

上位機使用西門子公司的WinCC軟件來設(shè)計，對應(yīng)的變量名稱為YX12T_ZS4_DB199_DBD96，變量地址為DB199.DBD96，連接的PLC為YX12T_ZS4，IP地址為10.96.126.46，機架號為0，插槽號為3。在圖形編輯器里面建立一個IO域，將變量的DisplayValue動態(tài)屬性連接相應(yīng)的變量，更新周期設(shè)置為有變化時。

6? 結(jié)? 論

本文提出了一種基于超聲波的帶式輸送機煙絲瞬時流量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案通過超聲波測距技術(shù)獲取輸送帶上煙絲高度數(shù)據(jù)，完成對煙絲堆積截面輪廓邊界的擬合，后將堆積截面近似轉(zhuǎn)化為多邊形，再利用相應(yīng)公式計算多邊形的面積即可得出煙絲近似堆積截面積，再結(jié)合速度編碼器獲取的輸送帶速度數(shù)據(jù)和煙絲標(biāo)準(zhǔn)物理參數(shù)，最終得出帶式輸送機上煙絲瞬時流量。與單點超聲測距技術(shù)相比[4]，該煙絲流量監(jiān)測方法具有更小的測量誤差。該系統(tǒng)測量精度高、適應(yīng)性好、抗干擾能力強且具有較高的可靠性，可為煙草制絲帶式輸送機防堵料智能預(yù)警技術(shù)提供實時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來源。

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作者簡介：周愛民（1977.01—），男，漢族，云南玉溪人，技師，技術(shù)員，本科，研究方向：煙草制絲。