針對(duì)高速大體積帶式輸送機(jī)瞬時(shí)煤流量測(cè)量困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于超聲波的多點(diǎn)煤流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的硬件、軟件和煤流檢測(cè)算法。在該系統(tǒng)中，利用超聲波傳感器和速度傳感器獲取帶式輸送機(jī)高速運(yùn)行下的煤高、煤樁截面積、輸送機(jī)速度等參數(shù)，并采用煤流量檢測(cè)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和分析。計(jì)算煤流量。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確測(cè)量輸送帶內(nèi)的煤流量，測(cè)量精度可達(dá)91%。

0 引入

      皮帶輸送機(jī)具有輸送距離長(zhǎng)、輸送量大且連續(xù)、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和集中控制、構(gòu)建相對(duì)等特點(diǎn)，在煤礦生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于煤礦生產(chǎn)的特殊性，帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的輸煤量是不均勻的，帶式輸送機(jī)的瞬時(shí)煤流量難以準(zhǔn)確測(cè)量。目前帶式輸送機(jī)都是全速運(yùn)轉(zhuǎn)，并沒(méi)有有效的手段來(lái)根據(jù)負(fù)載調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。輕負(fù)載

      當(dāng)無(wú)負(fù)載時(shí)，帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的高速運(yùn)行會(huì)使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)磨損更嚴(yán)重，縮短設(shè)備的使用壽命，并產(chǎn)生大量的電能。

      近年來(lái)，由于變頻技術(shù)具有調(diào)速平穩(wěn)、暫態(tài)穩(wěn)定性高、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究人員提出了基于輸送帶實(shí)時(shí)負(fù)荷的變頻調(diào)速方法。為了使輸送機(jī)在最佳負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行，煤的瞬時(shí)流量成為可調(diào)帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度的重要指標(biāo)[3]。目前煤的瞬時(shí)流量測(cè)量多采用電子卷尺、核秤等接觸方測(cè)量，測(cè)量精度容易受到物料分布不均勻等因素的影響。隨著帶式輸送機(jī)向高帶速、大體積方向發(fā)展，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的瞬時(shí)煤流量檢測(cè)方法對(duì)保障帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的生產(chǎn)安全、節(jié)能和提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

      超聲波技術(shù)是一種能夠高效、高精度、實(shí)時(shí)測(cè)量被測(cè)物體物理高度的技術(shù)。它具有非接觸式測(cè)量、煤的質(zhì)地特點(diǎn)和煤塵遮擋陰影小等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)對(duì)帶式輸送機(jī)煤流實(shí)時(shí)、連續(xù)、準(zhǔn)確測(cè)量的要求，設(shè)計(jì)了一種基于超聲波的多點(diǎn)煤流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用嵌入式技術(shù)對(duì)超聲波傳感器和速度傳感器進(jìn)行控制，獲取帶式輸送機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的煤高、煤樁截面積、輸送機(jī)速度等參數(shù)。利用煤流量測(cè)量算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和分析，計(jì)算出帶式輸送機(jī)瞬時(shí)煤流量。該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可為帶式輸送機(jī)的自適應(yīng)節(jié)能控制技術(shù)提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源。

1. 1嵌入式處理單元硬件設(shè)計(jì)

      帶式輸送機(jī)多點(diǎn)煤流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于RAM處理設(shè)備sm32f103z et6，嵌入式處理單元由電源模塊、DM9000網(wǎng)卡、SSD RAM等組成。RAM處理器控制超聲波換能器、速度換能器和溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的信號(hào)通過(guò)集成的A/D和D/A接口輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)在SRRAM中。對(duì)對(duì)數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和分析，計(jì)算出輸送帶內(nèi)煤流量的瞬時(shí)值。最后將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)dm9000網(wǎng)卡發(fā)送到上位機(jī)。

1.2軟件設(shè)計(jì)

      系統(tǒng)軟件主要完成外部傳感器的讀取、發(fā)送和接收信號(hào)的控制，并采用固定的計(jì)算方法對(duì)溫度、速度、煤堆高度等數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算，從而得到煤在輸送帶內(nèi)的瞬時(shí)流量值。最后將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)卡發(fā)送到上位機(jī)控制系統(tǒng)。當(dāng)超聲波傳感器垂直向煤堆發(fā)射超聲波時(shí)，射頻處理器同時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)超聲波遇到障礙物反射回來(lái)時(shí)，當(dāng)超聲波傳感器接收到反射的超聲波時(shí)，射頻處理器停止計(jì)時(shí)。根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度73和傳播時(shí)間t計(jì)算出離被測(cè)物體的出發(fā)點(diǎn)距離的高度，然后將超聲波傳感器的安裝高度、托輥長(zhǎng)度、托輥角度、傳送帶速度等參數(shù)進(jìn)行組合。實(shí)時(shí)計(jì)算煤流。另外，超聲波在空氣中的傳播速度受溫度影響較大，需要對(duì)工藝溫度進(jìn)行補(bǔ)償。系統(tǒng)軟件流程路徑如圖3所示。

2. 準(zhǔn)確檢測(cè)煤流量和煤量的原理及計(jì)算方法

2. 1超聲波測(cè)煤原理

      該系統(tǒng)利用超聲波傳感器采集帶式輸送機(jī)高速運(yùn)行時(shí)輸送帶上的堆煤高度數(shù)據(jù)，并將速度傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)帶速信息進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料瞬時(shí)流量的準(zhǔn)確、高效測(cè)量。首先，建立超聲煤流測(cè)量的二維坐標(biāo)尺度，如圖4所示。超聲波傳感器垂直安裝在輸送帶上方h處。探頭在嵌入式處理終端的控制下，向輸送帶上的煤堆發(fā)射一束超聲波脈沖。超聲波被物體表面反射，部分反射回波被探頭接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)碼。超聲波發(fā)射和接收之間的時(shí)間與探頭和被測(cè)物體之間的距離成正比。所述嵌入式處理終端測(cè)量從發(fā)射到接收所經(jīng)過(guò)的總時(shí)間，并基于所述已知的超聲波傳播速度計(jì)計(jì)算所述距離距離。

2.2輸送帶內(nèi)煤的瞬時(shí)流量檢測(cè)算法

      瞬態(tài)流量檢測(cè)的原理是利用超聲波測(cè)量煤堆高度，通過(guò)堆垛角、托輥長(zhǎng)度、托輥夾緊角等參數(shù)計(jì)算出截體積，進(jìn)而計(jì)算出煤流量。計(jì)算超聲波在空氣中傳播速度的公式為

式中T為現(xiàn)場(chǎng)溫度 。
輸送帶上煤堆高H計(jì)算公式 為

式中：t為超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過(guò)的時(shí)間 。

把輸送帶上煤堆截面積近似看為梯形，其截面積S計(jì)算公式為

式中： L為托輥長(zhǎng) 度 ；0 為托 輥夾 角 。

輸送帶瞬時(shí)煤流量M計(jì)算公式 為

式中：為輸送帶運(yùn)行速度；P為煤的密度 。

3.2輸送帶上累計(jì)煤量的準(zhǔn)確測(cè)算

      輸送帶上的累計(jì)煤量由原有煤量和進(jìn)入煤量組成，超聲波傳感器數(shù)據(jù)采集頻率為10次／s ， 時(shí)間t內(nèi)輸送帶上累計(jì)煤量N的計(jì)算公式為

式中：N為流出煤量； M1為輸送帶上瞬時(shí)流出的煤量 。

3現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

      為了驗(yàn)證基于超聲波的多點(diǎn)煤流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，在郭家灣煤礦進(jìn)行了系統(tǒng)功能測(cè)試。郭家灣煤礦采煤先后經(jīng)過(guò)運(yùn)輸巷輸送帶、驅(qū)動(dòng)輸送帶和主巷輸送帶。基于超聲波的煤流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在主斜井帶式輸送機(jī)的落煤點(diǎn)和主軸口處。2噸小車牽引的煤均勻分布在5110 3條運(yùn)輸車道的帶式輸送機(jī)上。然后啟動(dòng)主輸送系統(tǒng)，煤流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄通過(guò)的煤量，最后將監(jiān)測(cè)到的煤量數(shù)據(jù)與實(shí)際的煤量進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性�；�于超聲波的多點(diǎn)煤流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝如圖5所示。

利用傳感器在現(xiàn)場(chǎng)獲取的數(shù)據(jù)，計(jì)算出5 1103輸送頭煤流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的煤量為M z 12。在176 t時(shí)，主斜井帶式輸送機(jī)落煤點(diǎn)煤流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集的煤量為M. 1 2。125 7 t，主要井口煤流監(jiān)測(cè)、裝集煤量為M 4-2。22 t，檢測(cè)精度P ===2 / E(m2 + M). + m2) / 3] = 9 1。從以上數(shù)據(jù)可以看出，基于超聲波的多點(diǎn)煤流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地探測(cè)煤流。

4結(jié)論

      基于超聲波的帶式輸送機(jī)煤流多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用基于A M的嵌入式處理單元，控制超聲波傳感器和速度傳感器，獲取煤高和輸送機(jī)速度數(shù)據(jù)。結(jié)合堆料角、托輥長(zhǎng)度、托輥夾緊角等參數(shù)，計(jì)算出煤的流量。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)檢測(cè)輸送帶內(nèi)的煤流，檢測(cè)精度達(dá)到91。該系統(tǒng)可為帶式輸送機(jī)自適應(yīng)節(jié)能控制技術(shù)提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來(lái)源，對(duì)提高煤礦自動(dòng)化水平、提高生產(chǎn)效率具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

參考文章:

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