針對高速大體積帶式輸送機瞬時煤流量測量困難的問題，設(shè)計了一種基于超聲波的多點煤流量監(jiān)測系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的硬件、軟件和煤流檢測算法。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高速運行下的煤高、煤樁截面積、輸送機速度等參數(shù)，并采用煤流量檢測方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和分析。計算煤流量。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確測量輸送帶內(nèi)的煤流量，測量精度可達(dá)91%。

0 引入

      皮帶輸送機具有輸送距離長、輸送量大且連續(xù)、易于實現(xiàn)自動控制和集中控制、構(gòu)建相對等特點，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，帶式輸送機系統(tǒng)的輸煤量是不均勻的，帶式輸送機的瞬時煤流量難以準(zhǔn)確測量。目前帶式輸送機都是全速運轉(zhuǎn)，并沒有有效的手段來根據(jù)負(fù)載調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。輕負(fù)載

      當(dāng)無負(fù)載時，帶式輸送機系統(tǒng)的高速運行會使機械傳動系統(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，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，國內(nèi)外研究人員提出了基于輸送帶實時負(fù)荷的變頻調(diào)速方法。為了使輸送機在最佳負(fù)載狀態(tài)下運行，煤的瞬時流量成為可調(diào)帶式輸送機運行速度的重要指標(biāo)[3]。目前煤的瞬時流量測量多采用電子卷尺、核秤等接觸方測量，測量精度容易受到物料分布不均勻等因素的影響。隨著帶式輸送機向高帶速、大體積方向發(fā)展，實時準(zhǔn)確的瞬時煤流量檢測方法對保障帶式輸送機系統(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、實時測量被測物體物理高度的技術(shù)。它具有非接觸式測量、煤的質(zhì)地特點和煤塵遮擋陰影小等優(yōu)點，在煤礦生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)對帶式輸送機煤流實時、連續(xù)、準(zhǔn)確測量的要求，設(shè)計了一種基于超聲波的多點煤流監(jiān)測系統(tǒng)。采用嵌入式技術(shù)對超聲波傳感器和速度傳感器進(jìn)行控制，獲取帶式輸送機高速運行時的煤高、煤樁截面積、輸送機速度等參數(shù)。利用煤流量測量算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和分析，計算出帶式輸送機瞬時煤流量。該系統(tǒng)具有測量精度高、實時性好、可靠性高等優(yōu)點，可為帶式輸送機的自適應(yīng)節(jié)能控制技術(shù)提供實時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源。

1. 1嵌入式處理單元硬件設(shè)計

      帶式輸送機多點煤流監(jiān)測系統(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，并將采集到的信號通過集成的A/D和D/A接口輸入信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，存儲在SRRAM中。對對數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和分析，計算出輸送帶內(nèi)煤流量的瞬時值。最后將監(jiān)控數(shù)據(jù)通過dm9000網(wǎng)卡發(fā)送到上位機。

1.2軟件設(shè)計

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

2. 準(zhǔn)確檢測煤流量和煤量的原理及計算方法

2. 1超聲波測煤原理

      該系統(tǒng)利用超聲波傳感器采集帶式輸送機高速運行時輸送帶上的堆煤高度數(shù)據(jù)，并將速度傳感器測得的實時帶速信息進(jìn)行整合，實現(xiàn)對物料瞬時流量的準(zhǔn)確、高效測量。首先，建立超聲煤流測量的二維坐標(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)換成電信號碼。超聲波發(fā)射和接收之間的時間與探頭和被測物體之間的距離成正比。所述嵌入式處理終端測量從發(fā)射到接收所經(jīng)過的總時間，并基于所述已知的超聲波傳播速度計計算所述距離距離。

2.2輸送帶內(nèi)煤的瞬時流量檢測算法

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

式中T為現(xiàn)場溫度 。
輸送帶上煤堆高H計算公式 為

式中：t為超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過的時間 。

把輸送帶上煤堆截面積近似看為梯形，其截面積S計算公式為

式中： L為托輥長 度 ；0 為托 輥夾 角 。

輸送帶瞬時煤流量M計算公式 為

式中：為輸送帶運行速度；P為煤的密度 。

3.2輸送帶上累計煤量的準(zhǔn)確測算

      輸送帶上的累計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 ， 時間t內(nèi)輸送帶上累計煤量N的計算公式為

式中：N為流出煤量； M1為輸送帶上瞬時流出的煤量 。

3現(xiàn)場測試

      為了驗證基于超聲波的多點煤流監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，在郭家灣煤礦進(jìn)行了系統(tǒng)功能測試。郭家灣煤礦采煤先后經(jīng)過運輸巷輸送帶、驅(qū)動輸送帶和主巷輸送帶�；�于超聲波的煤流監(jiān)測系統(tǒng)安裝在主斜井帶式輸送機的落煤點和主軸口處。2噸小車牽引的煤均勻分布在5110 3條運輸車道的帶式輸送機上。然后啟動主輸送系統(tǒng)，煤流監(jiān)測系統(tǒng)記錄通過的煤量，最后將監(jiān)測到的煤量數(shù)據(jù)與實際的煤量進(jìn)行對比，驗證系統(tǒng)的可靠性�；�于超聲波的多點煤流監(jiān)測系統(tǒng)安裝如圖5所示。

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

4結(jié)論

      基于超聲波的帶式輸送機煤流多點監(jiān)測系統(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，獲取煤高和輸送機速度數(shù)據(jù)。結(jié)合堆料角、托輥長度、托輥夾緊角等參數(shù)，計算出煤的流量。實際現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地實時檢測輸送帶內(nèi)的煤流，檢測精度達(dá)到91。該系統(tǒng)可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)來源，對提高煤礦自動化水平、提高生產(chǎn)效率具有很大的應(yīng)用價值。

參考文章:

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[3]何忠波。帶式輸送機調(diào)速與節(jié)能控制研究[J]。神華技術(shù)，2013,31(2):91-93。

[4]顧偉，褚建新，甘世宏。煤炭碼頭吞吐量動態(tài)測量與誤差分析[J]。儀器儀表學(xué)報，2005,26(增刊1):589—590。

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