基于激光测距传感器的输送带煤流量检测系统设计

胡佑兵

秦皇岛港股份有限公司第六港务分公司 河北秦皇岛 066000

秦皇岛港煤三期翻堆线高架输送带驱动滚筒附近未安装检测设备，在完成翻车作业之后无法判断高架输送带上的煤流量，一般都是待堆料输送带上没有煤时才停止高架输送带，停机时机较晚，增加了卸车单耗。目前输送带上的称量设备主要是电子皮带秤，作为一种接触式测量方法，输送带工作过程中的张力、倾斜度、受力不均等多种因素都会影响电子秤的测量结果[1]。基于上述问题，设计了一种基于激光测距传感器的高架输送带煤流量检测系统，能够实时检测高架输送带上的煤炭流量，并以此控制高架带式输送机的启停，实现输送带煤流量与带式输送机动作的联锁；此外，系统还可实时检测高架输送带的撕裂、跑偏等状态，对提升高架输送带的运行安全性大有益处。

1 技术方案

输送带煤流量检测系统由激光测距传感器、工控机、工业以太网、煤流量检测上位机、带式输送机控制 PLC 以及西门子 Wincc 上位机检测软件等部分组成。其中上位机检测软件安装在工控机中，是检测系统监测和控制的中心，它通过以太网与激光测距传感器相连，对带式输送机跑偏、撕裂、过载和空载等状态进行检测，并通过西门子 OPEN IE TCP 通信协议与带式输送机控制 PLC 进行通信，将激光测距传感器采集到的数据实时传输至带式输送机控制 PLC。具体过程：LMS111-10100 激光测距传感器实时检测 1号高架输送带煤流量，通过 TCP 协议将煤流量信息发送至 3 号转接塔工控机的上位机软件 LaderV；3 号转接塔工控机采用 OPEN IE TCP 通信协议，将检测到的煤流量信息发送至 3 号转接塔 S7-300 PLC；3 号转接塔 S7-300 PLC 再通过 S7 单边通信将该信息发送至 1 号转接塔的西门子 S7-300 PLC，并在 1 号转接塔的 Wincc 上位机界面显示；1 号转接塔值岗司机通过查看 Wincc 上位机界面，确定 1 号高架输送带的煤流量、撕裂和空载等信息，并据此在翻卸作业完毕之后及时停止 1 号高架输送带。1 号高架输送带煤流量检测系统组成架构如图 1 所示。

图1 1 号高架输送带煤流量检测系统组成架构Fig.1 Constitution of No.1 overhead conveyor belt coal flow detection system

1.1 激光测距传感器工作原理

相较于普通传感器，激光测距传感器具有测量速度快、非接触等优点，在许多逆向工程领域 (如复杂的曲面检测) 得到了成功的应用[2-4]。其中输送带的瞬时流量可通过物料当前横截面积与输送带瞬时速度的乘积来表示[5]。笔者选用 Sick 公司推出的一款高性能室外物体测量用 LMS111-10100 型激光测距传感器来检测高架输送带的煤流量。其工作原理为：传感器首先扫描空输送带或传输载体的形状并记录下来，当有散料通过时即得到实时的轮廓数据，用空载时的轮廓减去有载时的轮廓，即得到此时的截面面积，从而得到体积和质量。当连续不断地测量运动输送带上物体的实时轮廓时，就能得到连续的体积和质量，如图 2所示。

图2 获取物料截面Fig.2 Obtaining of material cross section

输送带上的煤流量Q(t) 是指单位时间内通过输送带上某有效截面的煤的质量流量，其数学表达式为

式中：ρ为煤的密度；V(t) 为单位时间内通过某有效截面的煤的体积。

激光测距传感器的扫描频率为f，即每扫描一次输送带上堆煤面积所用的时间为 1/f；v(t) 为输送带的速度；每扫描一次输送带所走的距离为v(t)/f；输送带上堆煤瞬时横向截面积为S(i)。设在v(t)/f距离内输送带上煤流截面积保持不变且均为S(i)，则 1/f时间内通过激光测距传感器扫描截面的煤流的体积为v(t)S(i)/f，单位时间内通过激光测距传感器扫描截面的煤流的体积为 1/f时间体积的累加，其计算公式为

将式 (2) 代入式 (1)，得到单位时间内输送带上通过激光测距传感器扫描截面的煤流量

1.2 流量实时监测上位软件 LaderV

针对流量检测的应用场景搭配不同的雷达，开发专用的流量实时监测软件 LaderV，以显示测量状态，参数设置界面如图 3 所示。

图3 LaderV 软件参数设置界面Fig.3 Parameter setting interface of LaderV software

1.3 搭建系统通信链路

煤三期生产控制系统各单机和转接塔所用的西门子 S7-400 或 S7-300 系列 PLC 均集成了 PROFINET 接口，该接口除了具备连接 PROFINET 总线通信功能外，还可用于标准的 TCP 通信。通过组态 TCP 连接或使用西门子 OPEN IE TCP 通信专用功能块与其他设备建立 TCP 连接来实现通信。开放式用户通信基本包括 4 个步骤：建立连接、接收数据、发送数据和断开连接，各个步骤均由相应的功能块 (指令) 来实现。将 3 号转接塔控制 S7-300 PLC (IP 为 192.168.0.10) 作为 TCP 客户端，将安装有 LaderV 软件的工控机 (IP 为192.168.0.2) 作为 TCP 服务器，在博途 (Portal) 环境下组建二者之间的 OPEN IE TCP 通信，所用通信功能块包括“TCON”、“TRCV”和“TSEND”。使用 TCP 协议，设置通信伙伴 (工控机)的 IP 地址为 192.168.0.2，端口为 2000，将工控机设置为主动连接，如图 4 所示。

图4 Portal 软件中 TCON的参数设置Fig.4 Parameter setting of TCON in Portal software

在西门子 Step 7 软件的 NetPro 中选中 1 号转接塔 S7-300 PLC，并与 3 号转接塔 S7-300 PLC 建立单边 S7 连接。建立的单边 S7 连接需在 1 号转接塔 S7-300 PLC 中定义对应的数据存储区，其数据长度和数据格式与 3 号转接塔 S7-300 PLC 中接收 LaderV的数据块一致。

1.4 设备安装、调试

因为激光测距传感器计量煤流量是以输送带的轮廓为基础的，所以应在空载和有载时输送带位置不变或变化很微小的地方来进行计量，以免产生误差。同时考虑到安装距离不能太低或太高 (应在 0～ 25 m 之间)，将激光测距传感器安装在 1 号高架输送带驱动滚筒北侧输送带的正上方，激光测距传感器距离输送带高度约为 0.9 m，此处输送带不易变形，符合安装要求。输送带空载运行时激光测距传感器监测到的点状曲线如图 5 所示，其中输送带边缘对应测距传感器的监测范围分别是 35°和 145°。

图5 1 号高架输送带空载运行时的点状曲线Fig.5 Dotted curve of No.1 overhead conveyor belt at non-load operation

1 号高架输送带运行速度约为 5 m/s，煤炭密度约为 1 000 kg/m3，扫描范围为 35°～ 145°，在 LaderV软件中完成参数设置后得到作业时输送带的煤流量实时数据如图 6 所示，1 号高架输送带的点状曲线如图7 所示。

图6 LaderV 软件中的煤流量实时数据Fig.6 Real-time data about coal flow in LaderV software

图7 作业时 1 号高架输送带的点状曲线Fig.7 Dotted curve of No.1 overhead conveyor belt during operation

通过建立系统通信链路，将激光测距传感器反馈的流量数据发送到 1 号转接塔 S7-300 PLC，同时1 号转接塔通过 S7 单边通信，将高架输送带的煤流量、跑偏和撕裂状态等信息发送至控制高架输送带启停的 S7-400 PLC，以此实现高架输送带煤流量与高架带式输送机启停动作的联锁。

2 实施效果

1 号高架输送带煤流量检测系统使高架输送带空载运行时间由 2 min 降为几秒，系统检测的煤流量数值与翻车输送带皮带秤的差值仅为约 3%。秦皇岛港煤三期翻堆线“一翻一堆”流程 (CD1-BF1-BH1-ST1) 作业时，1 号翻车输送带皮带秤数值与 1 号高架输送带煤流量检测数值的对比如表 1 所列。可知 1 号高架输送带煤流量检测值比 1 号翻车输送带皮带秤数值滞后约 57 s。除检测煤流量之外，系统还能够准确检测高架输送带的撕裂、跑偏、超载和空载等运行状态，有效提升了高架输送带的运行安全性。

表1 1 号翻车输送带皮带秤数值与1号高架输送带煤流量检测数值对比Tab.1 Comparison of weighed value of No.1 dumper conveyor belt and detected value of No.1 overhead conveyor belt coal flow

3 结语

基于激光测距传感器的输送带煤流量检测系统的设计，实现了秦皇岛港煤三期高架输送带煤流量的实时检测，解决了长久以来高架输送带煤流量无法检测的难题。应用激光测距传感器采集到的煤流量数值与翻车输送带皮带秤检测的数值相差约 3%，且具有安装便捷、价格低廉等优势，可在港口未装有皮带秤的非计量输送带上推广应用。