基于激光-飛行時間原理的礦用煤流掃描傳感器設計

徐廣印

（中煤張家口煤礦機械有限責任公司，河北 張家口 075025）

0 引言

近幾年隨著綜采工作面的智能化開采飛速發展，煤流各系統的智能化也得到了廣泛應用，同時也對設備的智能化運行、煤炭運輸的安全可靠、全面的狀態監測[1]以及故障診斷提出了更高的要求。煤礦企業的煤流各系統之間大多處于“各自為營”的狀態，即使有地面或井下的集控中心從中協調指揮，也因缺乏完善的煤流檢測，各系統間難以形成一個有機整體，各系統設備的啟動時序和運行速率配合困難。煤礦井下煤炭運輸的實際工況復雜，負載波動劇烈，根據設備的負載大小和當前煤量對其進行智能調速，可以在保證設備正常運行的前提下，減小設備磨損，延長使用壽命，達到節能降耗的效果。礦用煤流掃描傳感器[2]可以實時掃描煤流斷面形狀并進行科學分析和計算，為煤流各系統間的協調運作，各系統設備的智能調速提供可靠的當前煤量依據。

1 概述

礦用煤流掃描傳感器采用整體隔爆設計[3-4]，箱體主體由優質鋼板焊接而成，箱體由上下兩個門蓋板與主體圍成一個長方體結構，底部蓋板通過內六角螺栓與箱體固定，頂部前門擁有一個傾斜的隔爆窗口便于紅外激光掃描，前門蓋板通過內六角螺栓與箱體固定，箱體兩側各有若干喇叭口作為電源引入裝置以及對外信號引出裝置。箱體內部安裝有開關電源、激光掃描雷達、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時掃描煤流斷面形狀并計算出斷面面積、煤層高度、累積煤量等數據，并將數據通過CANopen、RS485 以及以太網等通信端口傳給上位機，為煤流各系統間的協調運作，各系統設備的智能調速提供可靠的當前煤量依據。

2 實施方案

2.1 系統概述

礦用煤流掃描傳感器采用整體隔爆設計，AC127V交流電由A1 型喇叭嘴輸入，通過大功率開關電源轉換為DC24V 直流電輸出，為激光掃描雷達、可編程邏輯控制器（PLC）、通信模塊及隔離安全柵等供電。激光掃描雷達將激光脈沖發射到掃描范圍內的各個方向，形成一個二維的掃描面。可編程邏輯控制器（PLC）通過網口實時讀取激光掃描雷達的掃描數據，分析計算出煤流數據。煤流數據最終由通信模塊，經隔離安全柵以CANopen、RS485 或以太網等通信端口傳給上位機。

2.2 激光掃描雷達

LMS511 是SICK 新推出的高性能的室外型激光掃描雷達，如圖1 所示，其主要用于室外型的物體測量。LMS511 采用成熟的激光一時間飛行原理及多重回波技術，非接觸式檢測，是室外防撞、區域保護、及惡劣環境測量的理想產品。

圖1 LMS511 激光掃描雷達

LMS511 激光掃描雷達工作原理：激光發射器發出激光脈沖，當激光脈沖碰到物體后，有部分激光脈沖反射回激光接收器，通過發射與接收激光脈沖的時間差（與光速）可計算出物體的距離。激光掃描器連續不停的發射激光脈沖，由內置的旋轉光學機構將激光脈沖按照一定的角度間隔（即掃描的角度分辨率）發射到掃描角度內的各個方向而形成一個二維的掃描面，通過數據接口輸出每個激光脈沖測量點的距離及對應角度，據此可以獲得被測物體的二維輪廓值。

2.3 可編程邏輯控制器

個人計算機（PC）的發展取得了空前成功，已成為日常生活（包括工業界）中堅不可摧的一部分。與相關的軟件相結合，不同外觀和樣式的PC 構成范圍廣泛的各種自動化任務的核心部分，如機械控制、過程或物流系統、系統組件的聯網、數據采集或者圖像處理等。對于經典的控制任務，基于PC 的控制技術提供了良好的可升級性和靈活性。因此，PC 控制技術也逐漸替代了硬件可編程邏輯控制器（PLC），并得到了廣泛應用。

倍福（BECKHOFF）的CX8000 系列嵌入式控制器（圖2），將PC 技術和模塊化I/O 相結合，集成了高速現場總線和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 功能庫的TwinCAT2PLC 軟件，是一款結構非常緊湊的高性能、通用型控制器。操作系統為微軟的WindowsCE6。TwinCAT2 軟件用于實現系統配置和PLC功能編程。操作設備所需的所有軟件，包括操作系統、TwinCAT 文件、用戶文件及數據都存儲在microSD 閃存卡上，簡化維修時的更換工作。通過以太網接口進行編程和調試，可用于連接控制系統與常規網絡。部分產品集成了帶交換機功能的以太網接口，無須使用其他硬件即可建立一個線性“菊花鏈式”拓撲結構，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[5]啟動并開始掃描運輸槽內煤流，PLC 通過以太網實時獲得激光掃描雷達發出的各個角度上紅外激光的傳播距離和角度，可編程邏輯控制器對這些極坐標系的角度和距離數據進行差值運算和積分運算，獲得所測煤流的二維輪廓、橫截面積和層高等信息，并通過CAN總線接口或以太網上傳給上位機，上位機根據這些信息可以對相關輸送設備的功率平衡進行精細管理，達到節能降耗的目的，數學模型如圖3 所示。

圖3 數學模型

該數學模型的基本邏輯是，以運輸槽內無煤流時激光掃描雷達掃描到的二維輪廓面積為基準，減去運輸槽內過煤流時激光掃描雷達掃描到的二維輪廓面積，差值運算結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。

煤流截面積除以運輸槽的寬度，比例運算結果為煤流平均層高，如式（2）所示。

式中：H——煤流平均層高；L——運輸槽槽寬。

煤流截面積乘以運輸槽移速，以時間為軸進行積分，積分運算結果為煤流的當前煤量，如式（3）所示。

式中：M——當前煤量；t1——時間起點；t2——時間終點；v——運輸槽移速。

該數學模型未考慮煤流的煤塊間隙這一客觀條件，計算結果存在一定的系統誤差。礦用煤量掃描傳感器在煤礦的實際應用中，并不做為單一的數據來源，多數情況下是與輸送設備的負載率互為補充，一主一輔。在煤礦的生產過程中，待采煤工藝穩定后，經過一段時間的調試，合理分配兩者的權重關系，以此為煤流系統的智能化建設，各系統設備的智能調速提供可靠的當前煤量依據。

2.5 模擬測試

礦用煤流掃描傳感器在能源采掘裝備研發實驗中心進行了模擬測試，以轉載機的刮板槽為測試背景，模擬礦用煤流掃描傳感器在煤礦井下綜采工作面的轉載輸送機上的使用情況。轉載輸送機在煤礦整個生產工藝中，位于破碎機之后，皮帶運輸機之前。原煤經破碎機破碎后，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量精度的提升，提供了有利條件。模擬測試如圖4 所示。

圖4 模擬測試

模擬測試在理想的采煤環境下，即經良好的噴霧降塵處理后轉載輸送機刮板槽內無明顯的煤塵漂浮空中，測試取得了良好的實驗效果，達到了預期的設計目標。理想的二維輪廓如圖5 所示。

圖5 理想的二維輪廓

2.6 軟件補償

礦用煤流掃描傳感器在實際情況下測量時，無法避免煤礦生產過程環境中煤塵的干擾，測量多數情況下達不到圖5 的效果，實際的二維輪廓如圖6 所示，無法描繪出一個完整的二維輪廓。

圖6 實際的二維輪廓

面對上述情況，可以從軟件方面入手進行優化設計。當某一束掃描激光被煤塵干擾時，其反饋回來的傳播距離就會存在較大偏差，反映在圖6 中的就是跑飛了的各個線條，在程序中處理時可以舍棄該錯誤數據，拿相鄰的正常數據來補充，實現軟件補償。

3 結語

礦用煤流掃描傳感器，適用于煤礦井下爆炸性環境，以煤流系統為應用對象，涵蓋刮板輸送機，井下原煤運輸皮帶機，地面選煤廠皮帶運輸機等。傳感器基于成熟的激光-時間飛行原理及多重回波技術，以可編程邏輯控制器為核心，采用高性能的激光掃描雷達，勝任各種工況下的非接觸式煤流掃描，可以實時掃描煤流斷面形狀并計算出斷面面積、煤層高度、累積煤量等數據，為煤流各系統的智能化建設提供數字基礎。