自动矿砂解冻检测分析系统设计与实现

周旭东 梁潇

摘  要：冬天火车运输矿砂、煤炭等散装物料时，存在冻结的现象。判断矿砂解冻程度就成了卸货的关键，目前采用人工探杆穿插探查，这种探测方法存在工作效率低、准确率不高、劳动强度大等缺点。为此，文章开发了一套自动检测分析系统，用计算机控制系统控制机械探杆按照设定好的程序刺探矿砂采集矿砂冻结数据，再用计算机分析系统将采集来的数据进行分析，最后用数据视图将车辆中矿砂的冻结情况展示出来，从而判断车辆是否达到卸货标准。

关键词：矿砂解冻;探杆;丝杠传动;PLC;数据视图

中图分类号：TP311     文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）13-0151-04

Design and Implementation of Automatic Ore Thawing Detection and Analysis System

ZHOU Xudong， LIANG Xiao

（Xinjiang Railway Vocational and Technical College， Urumqi  830011， China）

Abstract： There is a phenomenon of freezing when transporting bulk materials such as ore and coal by train in winter. Judging the thawing degree of ore has become the key to unloading. At present， manual probe rods are used for interpenetrating exploration. This detection method has some disadvantages， such as low efficiency， low accuracy， high labor intensity and so on. Therefore， this paper has developed a set of automatic detection and analysis system， which uses the computer control system to control the mechanical probe rod to probe the ore according to the set program， collect the ore freezing data， then use the computer analysis system to analyze the collected data， and finally display the ore freezing situation in the vehicle with the data view， so as to judge whether the vehicle meets the unloading standard.

Keywords： ore thawing; probe rod; lead screw drive; PLC; data view

0  引  言

在一些钢铁冶金、煤电企业都存在煤炭、矿砂等散装物料运输的问题，为了防止粉尘污染，一般在装车的时候首要在散装物料上喷撒一些水，在北方的冬天就存在散装物料用火车运输的过程中存在冻结的现象，当货物运送到目的地卸车时就存在卸不下或卸不净的问题，解决的办法就是要把火车车辆拉运到解冻库里解冻，根据货物的解冻情况再决定是否将车辆拉出去卸货。本项目研究的就是一款自动探测车辆中散装物料解冻情况测量分析系统。通过本系统可以增加测量精度，提高效率，降低成本。

1  开发背景

在北方，冬天火车车辆装运矿砂、煤炭等工业砂料时，工业砂料就会出现冻结的情况。到达目的地后，需将砂料解冻后进行卸料。常规方法是将车辆拉到解冻库，停滞几小时甚至几十小时后才能将车辆拉出去卸货，在解冻过程中必须测定车辆内砂料的解冻程度后，才能确定车辆拉出去卸料的时间，而这一过程往往通过人工用探杆穿插来完成的，这种探测方法存在工作效率低、准确率不高、劳动强度大等缺点，因此经常会出现因解冻不彻底造成的卸货不干净，或者因探测不准确而导致的解冻时间过长，延长了车间停放车辆的时间，降低了卸车效率，降低运输效率，增加生产成本。自动砂料解冻检测分析系统可以精确测量砂料的解冻情况和结冻情况提高生产效率，降低劳动强度，提高经济效益。

2  系统介绍

2.1  系统组成

自动砂料解冻检测系统是由检测控制系统和执行机构组成，检测控制系统又分为软件系统和硬件系统。软件系统是由控制检测分析模块的计算机软件组成。硬件系统由计算机、PLC、变频器、传感器组成，硬件系统在执行机构上安装了多个限位传感器、超声波位置傳感器，作为执行机构各部件位置信号的检测元件。

经过前期测试验证确定，机械执行机构是由一个四柱龙门架、X轴方向丝杠传动部分、Y轴方向丝杆传动部分、Z轴方向丝杠传动探杆部分、三个三相异步电动机组成。三个三相异步电动机固定在龙门支架上，其操纵轨迹分为X轴、Y轴和Z轴，X轴电机和Y轴电机分别装有一个超声波传感器和两个限位传感器，负责控制探杆装置的水平位移，Z轴电机同样装有一个超声波传感器和两个限位传感器，负责控制探杆装置的下降距离。Z轴探杆装置示意图如图1所示。

2.2  系统动作过程

计算机作为上位机运行控制和测试分析软件系统，它通过电缆与PLC连接，PLC作为下位机除接收计算机下发控制指令，同时还向计算机发送采集到的传感器信号和探杆电机电流数据，PLC分别控制三台变频器，每个变频器连接一台三相异步电动机，每一台电动机又分别驱动X、Y、Z轴方向的丝杠系统运动，从而控制探杆探测车辆中的矿砂。探杆传感器测量探杆滑块的位移，并把位移数据发送到计算机，计算机通过该数据判断矿砂的解冻情况。

2.3  软件的基本组成

软件系统为Windows系统应用安装程序，与可编程序控制器PLC进行串口通信，操作界面上设置初始化按钮、急停按钮、开始检测按钮、设备运行状态显示、设备故障报警、探测物料选择、探测密度设置、车辆各纵断面冻结曲线显示、车辆各水平面冻结范围显示、车辆俯视冻结情况显示（不同用颜色显示冻结情况）、解冻率显示等界面。

3  系统工作过程

当车辆在解冻车间里解冻一段时间后，解冻检测分析系统开始工作，在操作人员发出开始检测指令后，软件系统会进行初始化，控制X轴，Y轴电机，将探杆装置移动到坐标原点处。此时，操作人员在软件界面上选择检测物料，系统将根据不同的物料设定探杆电机的电流值，该电流值与冻结的物料层的硬度成正比，具体电流值根据不同物料冻结的程度来测定，操作人员随后设定检测密度，系统将根据车辆水平面积的大小计算出需要探测的点数和每个点的坐标，然后，操作人员点击开始检测按钮，X、Y轴丝杠传动系统将探杆移动到系统计算好的位置，Z轴电机正转，Z轴丝杠系统带动探杆向下移动，探杆插入矿砂后，如果Z轴电机电流达到设定值时，电机停止，探杆位置传感器将测量数据经PLC发送到计算机，系统将数据记录后，计算机向PLC发出指令控制Z轴电机反转，探杆上升，探杆上升到Z轴上限位传感器时电机停止，X、Y轴丝杠传动系统控制探杆移动到下一个探测点，探杆再次下探。当所有的探测点都探测完毕后，系统软件将所有的探杆位移数据进行分析，分别绘制出车辆所有被测纵断面冻结曲线图、水平断面冻结范围图、车辆俯视冻结分布图、计算出整个车辆的解冻率。图和数据都在计算机界面上显示出来。

4  软件设计

4.1  开发环境

本软件采用4种编程语言跨线程交互设计，主程序采用C/C++语言，图形界面采用JavaScript语言，数据库设计采用SQL server语言。

4.2  软件界面

4.2.1  登录界面

登录界面的设计是出于设备安全性考虑，只有工作人员拥有账号和密码，才可以登录到软件主界面操作设备，否则，非工作人员无法启动软件，进而操作设备。登录界面如图2所示。

4.2.2  主界面

当工作人员登录账号进入软件主界面，便可以通过设置系统参数操作设备。主界面主要分为以下几个部分：

（1）信息管理界面。信息管理界面由账号管理、数据管理和帮助信息3个部分组成，信息管理界面如图3所示。

账号管理是对旧账号的用户名和密码进行修改以及对新账号的添加等信息进行设置。

数据管理是用来对自动砂料解冻检测系统采集的现场数据进行备份和导出，例如：车辆编号、检测物料、检测密度、解冻率等数据。

（2）操作界面。操作界面是由初始化设置界面、电机控制界面和主控制界面组成。操作界面如图4所示。

初始化设置界面包括车辆编号、是否就位、检测物料、检测密度等参数设置。

“车辆编号”为工作人员手动输入项，当本节车辆进入待测区域就位，工作人员观测完毕，输入车辆编号，注意此项为必输入项，若此项为空，则主启动按钮无效。

“是否就位”为系统自动检测项，检测区域上方有两个红外传感器，分别检测车辆首尾是否进入待检区域，如果车辆首尾均进入待检区域，“是否就位”指示灯则显示为绿色;如果车辆首尾均未进入待检区域，“是否就位”指示灯则显示为红色;如果车辆首尾有一侧未进入待检区域，“是否就位”指示灯则显示为黄色。"是否就位"为必检测项，仅为绿色显示时主启动按钮有效，其他显示情况无效。

“检测物料”为选择项，在软件中为下拉菜单形式，工作人员根据实际情况选择渣料种类，如粉煤、块煤、焦煤、铁矿砂等，“检测物料”为必选择项，若工作人员未做选择，则主启动按钮无效。

“检测密度”为工作人员手动输入项，在输入框内输入车辆俯平面采样点数，根据车辆的长度和宽度，軟件内部将按照输入的采样点计算出每个采样点的XY平面坐标，电机1和电机2根据平面坐标的数值进行转动，将探杆移动至各个采样点处。“检测密度”为必输入项，若此项为空，则主启动按钮无效。

电机控制界面用于显示电机1、电机2、电机3的单机的实时坐标、运行状态和故障报警。

“实时坐标”通过设置在X轴、Y轴和Z轴的3个超声波传感器的反馈数据，进行坐标转换显示在操作界面上，单位精确到cm，该项数值反映出当前电机1、电机2的实时位置，以及电机3所传动的探杆下降深度。

“运行状态”用来显示电机1、电机2和电机3的启停状态，若该电机处于运转状态，则对应指示灯常亮，若该电机处于停止状态，则对应指示灯常灭。

“故障报警”用来显示电机1、电机2和电机3的故障状态，若该电机处于正常运转状态，则对应指示灯显示绿色，若该电机因过载等原因出现故障，则对应指示灯显示红色。

主控制界面包括主启动和主停止两个按钮。主控制界面拥有系统的最高权限，若初始化设置界面中的必输入项中有任意一项为空，则主启动按钮处于无效状态;主停止按钮一旦按下，设备无条件停止工作。

（3）显示界面。显示界面是砂料冻结状态的数据图形化表现形式，由纵断面曲线、冻结范围图和冻结分布图三个部分组成。

根据初始化设置界面中"检测密度"的数值，纵断面曲线以每个车辆长度的采样点为一组，将每一纵断面采样点的深度，以数值的形式导入笛卡尔坐标系，用曲线显示每一纵断面的冻结状态，X轴为采样点的位置，Y轴为采样点的深度。纵断面曲线有可选择项，每一项代表某一个纵断面，项数等于纵断面个数，工作人员可根据下拉菜单的选项，查看每一个纵断面的冻结状态。

冻结范围图是通过探杆上的超声波传感器采集的数值，以采样点为个体，反映砂料的冻结情况。根据软件算法，系统会自动处理“检测密度”的数值，将采样点以矩阵的形式分配到车辆水平面上，将同一个水平面上多个探测点连接起来，形成该水平面上的冻结范围，通过调取不同水平层面的冻结范围图，就可以了解不同深度的冻结范围情况。

冻结分布图是通过算法将冻结范围图进行微分处理，以颜色渐变的形式展现出来。冻结分布图可以更直观地展现当前车辆砂料的冻结状态，同时根据冻结分布图的数值，计算出解冻率，显示在分布图区域。如果解冻率大于90%，系统弹出提示框“x号车辆已解冻，可卸料！”;如果解冻率小于90%，系统弹出提示框“x号车辆未解冻！”。冻结分布图显示界面如5图所示。

（4）数据库搭建。本系统有两个数据库，一个是登录数据库，一个是信号采集数据库。

登录数据库内容包括姓名、工号、密码、工种、部门、手机号等工作人员信息。工作人员可根据主界面的菜单栏中“数据管理”，进行更改信息。注意，最高权限admin账号和密码，无法通过主界面进行修改，同时该数据库无法通过主界面导出。

信号采集数据库内容包括车辆编号、检测密度、检测物料、电机1实时坐标、电机2实时坐标、电机3实时坐标、运行时间、故障时间、解冻率等现场信号采集数据。该数据库可以通过主界面的菜单栏中“数据管理”进行导出。

5  结  论

本项目来源于企业实际需求，并经过企业的专家论证、机械传动机构的试验测试、软件系统的研发等前期的准备工作，在研究过程中获得了企业的大力支持，本项目解决了机械探杆的机械传动与检测、计算机对机械系统的控制与检测、计算机对数据分析与展示、车辆探测位置与解冻情况计算等问题。该项目的投入使用，将有效解决企业冬天卸货时存在的矿砂解冻检测分析的问题，将大大提高砂料解冻检测的准确率，提高货物卸车效率，降低劳动强度，提高经济效益。

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作者简介：周旭东（1968.01—），男，汉族，重庆人，实验师，本科，研究方向：电气自动控制;梁潇（1987.07—），男，汉族，新疆乌鲁木齐人，讲师，本科，研究方向：电气自动化控制。