基于激光-飛行時(shí)間原理的礦用煤流掃描傳感器設(shè)計(jì)

徐廣印

（中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，河北 張家口 075025）

0 引言

近幾年隨著綜采工作面的智能化開(kāi)采飛速發(fā)展，煤流各系統(tǒng)的智能化也得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)也對(duì)設(shè)備的智能化運(yùn)行、煤炭運(yùn)輸?shù)陌踩煽俊⑷娴臓顟B(tài)監(jiān)測(cè)[1]以及故障診斷提出了更高的要求。煤礦企業(yè)的煤流各系統(tǒng)之間大多處于“各自為營(yíng)”的狀態(tài)，即使有地面或井下的集控中心從中協(xié)調(diào)指揮，也因缺乏完善的煤流檢測(cè)，各系統(tǒng)間難以形成一個(gè)有機(jī)整體，各系統(tǒng)設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)序和運(yùn)行速率配合困難。煤礦井下煤炭運(yùn)輸?shù)膶?shí)際工況復(fù)雜，負(fù)載波動(dòng)劇烈，根據(jù)設(shè)備的負(fù)載大小和當(dāng)前煤量對(duì)其進(jìn)行智能調(diào)速，可以在保證設(shè)備正常運(yùn)行的前提下，減小設(shè)備磨損，延長(zhǎng)使用壽命，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。礦用煤流掃描傳感器[2]可以實(shí)時(shí)掃描煤流斷面形狀并進(jìn)行科學(xué)分析和計(jì)算，為煤流各系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)運(yùn)作，各系統(tǒng)設(shè)備的智能調(diào)速提供可靠的當(dāng)前煤量依據(jù)。

1 概述

礦用煤流掃描傳感器采用整體隔爆設(shè)計(jì)[3-4]，箱體主體由優(yōu)質(zhì)鋼板焊接而成，箱體由上下兩個(gè)門(mén)蓋板與主體圍成一個(gè)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，底部蓋板通過(guò)內(nèi)六角螺栓與箱體固定，頂部前門(mén)擁有一個(gè)傾斜的隔爆窗口便于紅外激光掃描，前門(mén)蓋板通過(guò)內(nèi)六角螺栓與箱體固定，箱體兩側(cè)各有若干喇叭口作為電源引入裝置以及對(duì)外信號(hào)引出裝置。箱體內(nèi)部安裝有開(kāi)關(guān)電源、激光掃描雷達(dá)、可編程邏輯控制器（PLC）、通信模塊及隔離安全柵等主要部件。箱體兩側(cè)焊接有固定耳板用于箱體的安裝固定。

礦用煤流掃描傳感器可以實(shí)時(shí)掃描煤流斷面形狀并計(jì)算出斷面面積、煤層高度、累積煤量等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)CANopen、RS485 以及以太網(wǎng)等通信端口傳給上位機(jī)，為煤流各系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)運(yùn)作，各系統(tǒng)設(shè)備的智能調(diào)速提供可靠的當(dāng)前煤量依據(jù)。

2 實(shí)施方案

2.1 系統(tǒng)概述

礦用煤流掃描傳感器采用整體隔爆設(shè)計(jì)，AC127V交流電由A1 型喇叭嘴輸入，通過(guò)大功率開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換為DC24V 直流電輸出，為激光掃描雷達(dá)、可編程邏輯控制器（PLC）、通信模塊及隔離安全柵等供電。激光掃描雷達(dá)將激光脈沖發(fā)射到掃描范圍內(nèi)的各個(gè)方向，形成一個(gè)二維的掃描面?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）通過(guò)網(wǎng)口實(shí)時(shí)讀取激光掃描雷達(dá)的掃描數(shù)據(jù)，分析計(jì)算出煤流數(shù)據(jù)。煤流數(shù)據(jù)最終由通信模塊，經(jīng)隔離安全柵以CANopen、RS485 或以太網(wǎng)等通信端口傳給上位機(jī)。

2.2 激光掃描雷達(dá)

LMS511 是SICK 新推出的高性能的室外型激光掃描雷達(dá)，如圖1 所示，其主要用于室外型的物體測(cè)量。LMS511 采用成熟的激光一時(shí)間飛行原理及多重回波技術(shù)，非接觸式檢測(cè)，是室外防撞、區(qū)域保護(hù)、及惡劣環(huán)境測(cè)量的理想產(chǎn)品。

圖1 LMS511 激光掃描雷達(dá)

LMS511 激光掃描雷達(dá)工作原理：激光發(fā)射器發(fā)出激光脈沖，當(dāng)激光脈沖碰到物體后，有部分激光脈沖反射回激光接收器，通過(guò)發(fā)射與接收激光脈沖的時(shí)間差（與光速）可計(jì)算出物體的距離。激光掃描器連續(xù)不停的發(fā)射激光脈沖，由內(nèi)置的旋轉(zhuǎn)光學(xué)機(jī)構(gòu)將激光脈沖按照一定的角度間隔（即掃描的角度分辨率）發(fā)射到掃描角度內(nèi)的各個(gè)方向而形成一個(gè)二維的掃描面，通過(guò)數(shù)據(jù)接口輸出每個(gè)激光脈沖測(cè)量點(diǎn)的距離及對(duì)應(yīng)角度，據(jù)此可以獲得被測(cè)物體的二維輪廓值。

2.3 可編程邏輯控制器

個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）的發(fā)展取得了空前成功，已成為日常生活（包括工業(yè)界）中堅(jiān)不可摧的一部分。與相關(guān)的軟件相結(jié)合，不同外觀和樣式的PC 構(gòu)成范圍廣泛的各種自動(dòng)化任務(wù)的核心部分，如機(jī)械控制、過(guò)程或物流系統(tǒng)、系統(tǒng)組件的聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集或者圖像處理等。對(duì)于經(jīng)典的控制任務(wù)，基于PC 的控制技術(shù)提供了良好的可升級(jí)性和靈活性。因此，PC 控制技術(shù)也逐漸替代了硬件可編程邏輯控制器（PLC），并得到了廣泛應(yīng)用。

倍福（BECKHOFF）的CX8000 系列嵌入式控制器（圖2），將PC 技術(shù)和模塊化I/O 相結(jié)合，集成了高速現(xiàn)場(chǎng)總線和I/O 接口，搭載高性能、低功耗的32 位ARM處理器，使用EtherCAT 作為I/O 總線并安裝了擁有大量PLC 功能庫(kù)的TwinCAT2PLC 軟件，是一款結(jié)構(gòu)非常緊湊的高性能、通用型控制器。操作系統(tǒng)為微軟的WindowsCE6。TwinCAT2 軟件用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置和PLC功能編程。操作設(shè)備所需的所有軟件，包括操作系統(tǒng)、TwinCAT 文件、用戶文件及數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在microSD 閃存卡上，簡(jiǎn)化維修時(shí)的更換工作。通過(guò)以太網(wǎng)接口進(jìn)行編程和調(diào)試，可用于連接控制系統(tǒng)與常規(guī)網(wǎng)絡(luò)。部分產(chǎn)品集成了帶交換機(jī)功能的以太網(wǎng)接口，無(wú)須使用其他硬件即可建立一個(gè)線性“菊花鏈?zhǔn)健蓖負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，顯著降低了成本。

圖2 CX8000 系列嵌入式控制器

2.4 工作原理

礦用煤流掃描傳感器接通電源后，激光掃描雷達(dá)[5]啟動(dòng)并開(kāi)始掃描運(yùn)輸槽內(nèi)煤流，PLC 通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)獲得激光掃描雷達(dá)發(fā)出的各個(gè)角度上紅外激光的傳播距離和角度，可編程邏輯控制器對(duì)這些極坐標(biāo)系的角度和距離數(shù)據(jù)進(jìn)行差值運(yùn)算和積分運(yùn)算，獲得所測(cè)煤流的二維輪廓、橫截面積和層高等信息，并通過(guò)CAN總線接口或以太網(wǎng)上傳給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)這些信息可以對(duì)相關(guān)輸送設(shè)備的功率平衡進(jìn)行精細(xì)管理，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，數(shù)學(xué)模型如圖3 所示。

圖3 數(shù)學(xué)模型

該數(shù)學(xué)模型的基本邏輯是，以運(yùn)輸槽內(nèi)無(wú)煤流時(shí)激光掃描雷達(dá)掃描到的二維輪廓面積為基準(zhǔn)，減去運(yùn)輸槽內(nèi)過(guò)煤流時(shí)激光掃描雷達(dá)掃描到的二維輪廓面積，差值運(yùn)算結(jié)果即為煤流橫截面積，如式（1）所示。

式中：A——一束激光的傳播距離；B——相鄰激光的傳播距離；α——激光掃描的角度分辨率；S——相鄰兩條激光及夾角組成的三角形面積；∑ΔS——煤流截面積。

煤流截面積除以運(yùn)輸槽的寬度，比例運(yùn)算結(jié)果為煤流平均層高，如式（2）所示。

式中：H——煤流平均層高；L——運(yùn)輸槽槽寬。

煤流截面積乘以運(yùn)輸槽移速，以時(shí)間為軸進(jìn)行積分，積分運(yùn)算結(jié)果為煤流的當(dāng)前煤量，如式（3）所示。

式中：M——當(dāng)前煤量；t1——時(shí)間起點(diǎn)；t2——時(shí)間終點(diǎn)；v——運(yùn)輸槽移速。

該數(shù)學(xué)模型未考慮煤流的煤塊間隙這一客觀條件，計(jì)算結(jié)果存在一定的系統(tǒng)誤差。礦用煤量掃描傳感器在煤礦的實(shí)際應(yīng)用中，并不做為單一的數(shù)據(jù)來(lái)源，多數(shù)情況下是與輸送設(shè)備的負(fù)載率互為補(bǔ)充，一主一輔。在煤礦的生產(chǎn)過(guò)程中，待采煤工藝穩(wěn)定后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)試，合理分配兩者的權(quán)重關(guān)系，以此為煤流系統(tǒng)的智能化建設(shè)，各系統(tǒng)設(shè)備的智能調(diào)速提供可靠的當(dāng)前煤量依據(jù)。

2.5 模擬測(cè)試

礦用煤流掃描傳感器在能源采掘裝備研發(fā)實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行了模擬測(cè)試，以轉(zhuǎn)載機(jī)的刮板槽為測(cè)試背景，模擬礦用煤流掃描傳感器在煤礦井下綜采工作面的轉(zhuǎn)載輸送機(jī)上的使用情況。轉(zhuǎn)載輸送機(jī)在煤礦整個(gè)生產(chǎn)工藝中，位于破碎機(jī)之后，皮帶運(yùn)輸機(jī)之前。原煤經(jīng)破碎機(jī)破碎后，大塊變小塊，減少了煤塊間的空隙，為礦用煤流掃描傳感器的測(cè)量精度的提升，提供了有利條件。模擬測(cè)試如圖4 所示。

圖4 模擬測(cè)試

模擬測(cè)試在理想的采煤環(huán)境下，即經(jīng)良好的噴霧降塵處理后轉(zhuǎn)載輸送機(jī)刮板槽內(nèi)無(wú)明顯的煤塵漂浮空中，測(cè)試取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。理想的二維輪廓如圖5 所示。

圖5 理想的二維輪廓

2.6 軟件補(bǔ)償

礦用煤流掃描傳感器在實(shí)際情況下測(cè)量時(shí)，無(wú)法避免煤礦生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境中煤塵的干擾，測(cè)量多數(shù)情況下達(dá)不到圖5 的效果，實(shí)際的二維輪廓如圖6 所示，無(wú)法描繪出一個(gè)完整的二維輪廓。

圖6 實(shí)際的二維輪廓

面對(duì)上述情況，可以從軟件方面入手進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)某一束掃描激光被煤塵干擾時(shí)，其反饋回來(lái)的傳播距離就會(huì)存在較大偏差，反映在圖6 中的就是跑飛了的各個(gè)線條，在程序中處理時(shí)可以舍棄該錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，拿相鄰的正常數(shù)據(jù)來(lái)補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)軟件補(bǔ)償。

3 結(jié)語(yǔ)

礦用煤流掃描傳感器，適用于煤礦井下爆炸性環(huán)境，以煤流系統(tǒng)為應(yīng)用對(duì)象，涵蓋刮板輸送機(jī)，井下原煤運(yùn)輸皮帶機(jī)，地面選煤廠皮帶運(yùn)輸機(jī)等。傳感器基于成熟的激光-時(shí)間飛行原理及多重回波技術(shù)，以可編程邏輯控制器為核心，采用高性能的激光掃描雷達(dá)，勝任各種工況下的非接觸式煤流掃描，可以實(shí)時(shí)掃描煤流斷面形狀并計(jì)算出斷面面積、煤層高度、累積煤量等數(shù)據(jù)，為煤流各系統(tǒng)的智能化建設(shè)提供數(shù)字基礎(chǔ)。