雷达测距技术在煤矿自动化中的应用

中煤科工集团常州自动化研究院 李庆昭

1.引言

我国是一个能源大国，其中煤炭资源在我国能源消费总量中占70%左右[1]。由此可见，煤炭开采在我国国民生产中占据重要地位。随着我国煤炭工业自动化水平的不断提高，如何精确、实时的监测井下煤仓的煤位情况并显示出来，在煤炭的安全高效生产中和煤炭行业自动化管理中显得越来越重要。因此，煤仓煤位的探测装置在煤炭安全生产中起着非常重要的作用。

图1 雷达测距示意图

图2 系统框图

图3 本安电源模块

目前，煤仓煤位的探测有多种实现方法，但都存在不足之处。重锤式煤位探测是过去常用的一种方式，其具有成本低、方法简单、测量深度大等特点，但是测量过程中必须要求重锤跟煤炭接触，容易被落煤掩埋，导致自动化程度较低；超声波式煤位探测装置是非接触式探测方法，测量精度高，但是超声波传播速度易受温度、气压、风力等因素影响，导致可靠性较差；激光扫描式煤位探测装置测量范围广、速度快，对煤仓形状没有要求，但是对粉尘和水雾的抗干扰能力差且成本较高，导致普及性较差[2-3]。

随着雷达技术的发展，雷达测距水平也得到了极大地发展。雷达测距发射的电磁波，以光速在空气中传播，由于穿透力强，不受粉尘、水雾等的影响，具有精度高、量程大等优点。该技术已被广泛应用于军事、测绘、汽车电子等诸多领域并取得了较好的成绩。

2.雷达测距原理

雷达探头通过天线发射极窄的微波脉冲，该脉冲以光速在空气中传播，遇到被测介质表面，其部分能量被反射回来，会被同一天线接收[4]。发射脉冲与接收脉冲的时间间隔与天线到被测介质表面的距离成正比。由于电磁波的传播速度是已知的，所以计算出时间间隔就可以得到与被测介质的距离。其原理如图1所示。

已知电磁波的传播速度为c，发射脉冲与接收脉冲的时间间隔为，则被测距离。由于电磁波传播速度快、穿透力强，所以其测量距离远，本文所设计的雷达测距装置的量程可达60m。

3.系统硬件设计

该雷达测距将采集到的信息通过Modbus通讯协议与其他设备进行通信，输出200～1000Hz的频率信号。其系统由如下几个部分组成：本安电源模块、CPU处理模块、通讯模块、频率输出模块。系统框图如图2所示。

3.1 本安电源模块

为了提高电源的转换效率，本设计采用金胜阳的K7805电源模块。该模块的转换效率高达96%，不需要外加散热片，并且具有低噪声、低纹波的优点。另外，电路中增加了双向瞬态抑制二极管，即TVS管，可以对电路进行有效的过压保护。电路如图3所示。

3.2 485通信模块

系统采用Modbus通讯协议，通过RS485来实现，其电路如图4所示。

RS485的接口芯片选用MAX3082，为防止485通信时两线间的电压差过大，所以加了TVS管以对电路进行防浪涌保护。

3.3 频率输出电路

为了提高本设计与集控系统的兼容性，本设计的输出信号为200-1000Hz的频率信号，其频率输出电路如图5所示。

出于对集控系统的安全考虑，本设计在输出端口增加了TVS管，从而提高集控系统防雷、防浪涌的能力。

4.系统软件设计

在测距的过程当中可能会有移动的物体暂时阻挡雷达探头，从而导致测量结果不准确。为了解决这个问题，本设计在程序上记录每个采集值的信息强度，并把该强度由高到低排列，绘制出回波曲线，然后将信息强度最大点所对应的距离值输出。其回波曲线如图6所示。

图4 485通信电路

图 5 频率输出电路

图6 回波曲线

图7 软件流程图

图 8 上位机界面

应用该方法可以有效的滤除移动的物体对测距的干扰。其软件流程图如图7所示。其中用户配置信息可以方便的使用户设置量程、料高、总线地址等配置信息，方便现场不同工况下使用。

5.上位机设计

为了更加直观的显示煤仓中物料的信息，编写了上位机软件。上位机软件可以直观的显示煤仓中物料的高度，并可以设置物料高度报警值。还具有历史报警记录查询和物料高度记录等功能。上位机界面如图8所示。

6.总结

针对现有煤仓煤位探测方法的不足，本文设计了基于雷达测距技术的煤仓煤位探测设备，该设备大大提高了测量的精度，并且可以有效的滤除外界干扰。通过现场使用情况来看，该设备达到了预期的效果，取得了良好的市场认可，具有非常高的实用性。

[1]滕吉文,张雪梅,杨辉.中国主体能源-煤炭的第二深度空间勘探、开发和高效利用[J].地球物理学进展,2008,23(4):972-992.

[2]郑友江,赵继云,云峰.煤仓料位自动监控系统的研究[J].煤矿机械,2005(7):107-108.

[3]孙继平,江静.基于深度预标定的煤仓煤位激光监测方法[J].煤炭学报,2012,01.

[4]沈兆振,丁保华,管连俊.煤仓料位监控系统中智能超声波料位计的研制[J].工矿自动化,2007(1):47-49.