基于超声波传感器的带式输送机烟丝瞬时流量监测系统的设计

周爱民 叶飞 施旭东 赵培成

摘  要：文章提出了一种基于超声波的带式输送机烟丝瞬时流量监测系统设计方案。该方案通过超声波测距技术获取输送带上烟丝高度数据，完成对烟丝堆积截面轮廓边界的拟合，后将堆积截面近似转化为多边形，再利用相应公式计算多边形的面积即可得出烟丝近似堆积截面积。结合速度编码器获取的输送带速度数据和烟丝标准物理参数，最终得出带式输送机上烟丝瞬时流量，可为烟草制丝带式输送机防堵料智能预警技术提供实时、准确的数据来源。

关键词：带式输送机;烟丝流量监测;多点超声测距;防堵料智能预警

中图分类号：TP277          文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）03-0149-04

Design of Instantaneous Flow Monitoring System for Cut Tobacco Belt Conveyor Based on Ultrasonic Sensor

ZHOU Aimin， YE Fei， SHI Xudong， ZHAO Peicheng

（Yunnan Hongta Group Yuxi Cigarette Factory， Yuxi  653100， China）

Abstract： This paper proposes a kind of instantaneous flow monitoring system design scheme for belt conveyor based on ultrasonic sensor. The scheme obtains the height data of cut tobacco on belt conveyor by ultrasonic ranging technology， completes the fitting of cut tobacco accumulation section profile boundary， and converts the accumulation section to polygon approximatively， then calculates the area of the polygon by using corresponding formula and the approximate area of cut tobacco accumulation section is obtained. Combined with the belt conveyor speed data and cut tobacco standard physical parameters obtained by the speed encoder， it gets the instantaneous flow of the cut tobacco on the belt conveyor finally. It can provide real-time and accurate data source for the intelligent early warning against blocking material technology of cut tobacco belt conveyor.

Keywords： belt conveyor; cut tobacco flow monitoring; multi-point ultrasonic ranging; intelligent early warning against blocking material

0  引  言

带式输送机是主流制丝设备，其结构如图1所示。主要由机架、输送皮带、主动辊、从动辊、张紧装置等组成[1]。输送皮带安装在分置两端的主动辊和从动辊上，通过调整适度张紧后皮带会对辊筒产生一个正压力并形成摩擦力，随后主动辊带动输送皮带一起做同向运动。皮带载物表面上的烟丝进而通过与皮带之间产生的静摩擦力进行输送。带式输送机具有诸多优点，一方面其安装灵活、输送量大，易实现自动化生产和集中控制[2];同时结构相对简单、维护保养便利，在烟草生产中得到了广泛的应用。

目前制丝线烟丝瞬时流量监测通常采用电子皮带秤等接触方式测量[3]，测量精度易受烟丝松散不到位、振筛分布不均匀等因素影响。制丝电子皮带秤体积较大且机械安装复杂，因此无法对带式输送机上运输的烟丝进行实时流量测量。在烟丝进柜过程中，烟丝通过带式输送机输送至落料口，但是由于烟丝的质地特点，一旦输送装置的输送流量超过了落料口的落料流量极限，会造成因落料口烟丝堵塞而断料停机的故障。若发生堵塞，烟丝会在较短时间内大量堆积，疏通难度大且疏通时间长，同时堵料疏通为人工作业，存在较大的人身安全隐患。堵料严重时会造成整条制丝线的停机断料事故，严重影响了生产连续性和生产效率，并对制丝工艺质量产生极大危害。为保证生产进程的连续性和平稳性，保障设备的运行效率，烟丝瞬时流量成为制丝防堵料预警的重要指标。同时随着带式输送机向大承载量、高输送速度方向发展，采用实时连续、可靠精准的烟丝流量监测方法对降低带式输送机系统能耗、减少设备维护频次、提高企业生产效率具有重要意义。

超声波测距技术具有指向性好、测量精准、可靠性强、抗干扰性能优异等特点，可实现对被测物物理距离实时、连续地测量。由于其为非接触式测量，且受烟丝表面特性和灰尘阻挡影响小，使之特别适合制丝线现场暗光、多灰、高湿环境使用。根据带式输送机烟丝瞬时流量测量精度要求并结合制丝线工艺质量指标，本文设计了一种基于超声波的带式输送机烟丝流量监测系统。PLC通過采集超声波传感器获得的烟丝高度数据实现对烟丝堆积截面轮廓边界的拟合，后利用烟丝流量监测算法计算出带式输送机烟丝堆积截面积，并结合速度编码器获得的输送带运行速度数据等参数最终得到烟丝瞬时流量。该系统具有测量准确度高、抗干扰能力强、结构简单、保养维护容易等优点，可为制丝带式输送机防堵料智能预警技术提供实时、准确的数据来源。

1  系统组成与工作过程

1.1  系统组成

基于超声波的带式输送机烟丝流量监测系统由传感器单元、本地控制单元、网络传输单元、上位机单元4个部分组成，同时与驱动器单元及外部控制单元进行信息传递，如图2所示。传感器单元主要由负责采集输送带上烟丝高度数据的超声波传感器和负责采集输送带运行速度数据的速度编码器构成。PLC处理单元用于接收传感器采集的数据，并对数据进行拟合运算。网络传输单元负责将各单元信号进行交互传递，实现信号传输。上位机单元可实现PLC处理单元的信号输出，如将烟丝瞬时流量、输送带运行速度等信息进行可视化显示输出，方便操作人员判读。

1.2  工作过程

在带式输送机上方垂直安装基于超声波传感器的烟丝高度监测装置，同时根据输送带上安装的速度编码器实时获取电机的转速并传输至PLC。最后PLC根据采集到的烟丝动态高度数据和输送带速度数据进行拟合处理，结合超声波传感器安装高度、输送带上烟丝宽度、不同牌号烟丝密度等参数，计算出实时烟丝瞬时流量并通过网络传输单元传送到上位机，实现实时烟丝瞬时流量的可视化显示输出及系统后台数据的收集记录。整体监测系统流程如图3所示。

2  烟丝流量的监测原理和数学模型

2.1  烟丝高度测量原理

超声波传感器垂直安装于输送带上方高度为H处，如图4所示。超声波探头向输送带上烟丝发射一束超声波脉冲信号，脉冲与烟丝表面接触并被其反射，反射回来的信号由探头重新接收，PLC记录该过程所经历时间并结合已知的超声波传播速度可得到被测烟丝的距离h。

2.2  基于多点超聲波的烟丝瞬时流量计算数学模型

输送带烟丝瞬时流量监测原理是利用超声波测量烟丝高度，并对测量点进行坐标化处理，然后将烟丝堆积截面轮廓边界拟合，进而通过数学模型推算堆积截面积，最终结合参数算出烟丝流量。因此求解堆积截面积就是数学模型的关键所在，本文提出一种基于多点超声波的烟丝瞬时流量计算数学模型。该模型的优点是有效解决了图4所示单点超声测量方式在烟丝松散不到位或振筛分布不均情况下测量误差较大的问题。

首先在带式输送机上方垂直安装3个超声波传感器，传感器在支架上等间距布置，如图5所示。设超声波传感器间距为d，支架高度为H，间距d需根据振筛后烟丝实际分布情况确定。随后对测量点进行坐标化处理，将输送带上方安装的中间传感器位置定为坐标原点并以此建立坐标系，其中横向为x轴，竖向为y轴。设输送带上方3个传感器的测量值分别为h1，h2，h3，则图中A，B，C三点坐标分别为（-d，h1），（0，h2），（d，h3）。由于输送带上烟丝均来自前端同一设备，所以相同牌号烟丝在输送带上分布宽度可近似看作相等，此宽度可通过多批次实际生产测量确定，设实际烟丝分布宽度为2L。则烟丝堆积截面下底与输送带截面接触点D，E，F坐标也可确定，分别为（-L，H），（0，H），（L，H）。所有测量点坐标化处理后，即可进行烟丝堆积截面积运算。

不同的烟丝堆积形态会导致测点A，B，C坐标变化，输送带中间烟丝会在前端振槽振筛和重力的双重作用下向两侧运动，呈现出中间高两侧低的形态，经过实际观测可近似看作半圆弧形。易知烟丝上表面测点A与下表面D点坐标不同，同理测点B与下表面E点、测点C与下表面F点均为不同坐标点。烟丝堆积截面积算法如图6所示。

将物料截面近似成一个多边形，测点A，B，C，D，E，F为该多边形的6个顶点。按如图所示方法将顶点相连后多边形被划分成4个三角形，即左右两个斜三角形和中间两个直角三角形。将每个三角形的顶点坐标代入长度公式可得三角形任意边长为：

（1）

其中（x1，y1），（x2，y2）为任意边两端点坐标。左右两个斜三角形各自的面积S1可以根据海伦公式分别求解为：

（2）

其中D1，D2，D3分别为同一个三角形中三边的边长，P为该三角形半周长。中间两个直角三角形的面积和可视为一个大直角三角形进行计算，大直角三角形面积S2为：

（3）

其中2L为烟丝分布宽度，H为超声波传感器安装高度，h2为中间超声波传感器的反馈值。最后将3个三角形的面积求和即为多边形的面积，左右两个斜三角形各自的面积近似看作相等，多边形的面积近似为烟丝的堆积截面积S。

S=2S1+S2（4）

输送带上烟丝的流量是单位时间内通过某堆积截面的质量，即烟丝的密度乘以单位时间内通过该堆积截面的烟丝的体积：

Q=V ·ρ（5）

式中Q为输送带上烟丝的瞬时流量，V为单位时间内通过该堆积截面的烟丝的体积，ρ为同牌号烟丝的密度，可通过查阅工艺手册获得。

前文中提到不同的烟丝堆积形态会导致测点A，B，C坐标变化，从而得到不同的S值。因此在计算瞬时流量Q时需要将超声波传感器每次发射到接收脉冲视为一个时间为Δt的测量周期，由于单周期脉冲很快例如可达100 ms/次，因此在很短的Δt时间内可将该烟丝堆积截面形态和面积视为不变，并随输送带以匀速VΔt向前移动一段距离如图7所示。

该距离为Δt · k1 · n，其中k1为皮带转速与电机转速的比值，n为电机转速，通过速度编码器实时获得，因此体积VΔt即为：

VΔt=S · Δt · k1 · n  （6）

带入式（4）中可得该脉冲周期内输送带上烟丝瞬时流量为：

（7）

其中f为超声波传感器工作频率，通过说明书可以查到，其与单脉冲测量时间Δt互为倒数。考虑到烟丝物料的蓬松性，修正后烟丝瞬时流量为：

（8）

其中k2为修正系数。对烟丝的瞬时流量在时间上进行0到t的积分运算后就可以得到累计流量：

（9）

3  控制单元设计

控制单元采用西门子S7系列PLC控制系统，PLC将超声波传感器和速度编码器的输入值进行计算，以超声波传感器输入值处理为例。超声波传感器通过4～20 mA电流信号传送到PLC的模拟量输入模块，PLC将输入信号由整数INT型转为双整数DINT型，再由双整数DINT型转为浮点数REAL型，根据超声波传感器最小输入信号21 696.0对应0 mm的高度，最大输入信号27 600.0对应350 mm，进行线性换算后就可以得到超声波传感器检测到的高度值。

得到超声波高度和电机转速后，结合超声波传感器安装高度、输送带上烟丝宽度、不同牌号烟丝密度等参数经过计算后得到带式输送机上物料的瞬时流量。

4  网络传输单元设计

网络传输单元主要实现两个功能，一是实现本地控制单元与上位机单元的信息传递，二是实现本地控制单元与外部控制单元的信息传递。目前工业底层设备的通讯主要有现场总线和工业以太网两种。现场总线包括Profibus、Modbus RTU、CC-Link、CAN等，一般采用RS485接口，線型拓扑结构，具有成本低、布线少、速率低、抗干扰能力弱等优缺点。工业以太网包括Profinet、Modbus TCP、CC-link IE、EtherCAT等，一般采用RJ45接口，可以灵活使用线型、环型、星形不同的拓扑结构，具有速率高、抗干扰能力强、成本高、布线多等优缺点。目前车间大部分控制器均为西门子系列的1500、1200和400，项目的本地控制器不仅需要跟上位机单元进行信息传递，而且需要跟外部控制器进行信息传递。同时考虑到随着智能制造和工业4.0战略方针的开展，在综合可靠性、兼容性、实时性、适应性、拓展性等多方面因素后选择了工业以太网中的Profinet作为通讯方式，选择了星型作为网络拓扑结构。

5  上位机单元设计

上位机使用西门子公司的WinCC软件来设计，对应的变量名称为YX12T_ZS4_DB199_DBD96，变量地址为DB199.DBD96，连接的PLC为YX12T_ZS4，IP地址为10.96.126.46，机架号为0，插槽号为3。在图形编辑器里面建立一个IO域，将变量的DisplayValue动态属性连接相应的变量，更新周期设置为有变化时。

6  结  论

本文提出了一种基于超声波的带式输送机烟丝瞬时流量监测系统设计方案。该方案通过超声波测距技术获取输送带上烟丝高度数据，完成对烟丝堆积截面轮廓边界的拟合，后将堆积截面近似转化为多边形，再利用相应公式计算多边形的面积即可得出烟丝近似堆积截面积，再结合速度编码器获取的输送带速度数据和烟丝标准物理参数，最终得出带式输送机上烟丝瞬时流量。与单点超声测距技术相比[4]，该烟丝流量监测方法具有更小的测量误差。该系统测量精度高、适应性好、抗干扰能力强且具有较高的可靠性，可为烟草制丝带式输送机防堵料智能预警技术提供实时、准确的数据来源。

参考文献：

[1] 《烟机设备修理工专业知识》编写组.烟机设备修理工（制丝）专业知识上册 [M].郑州：河南科学技术出版社，2013.

[2] 陈湘源.基于超声波的带式输送机多点煤流量监测系统设计 [J].工矿自动化，2017，43（2）：75-78.

[3] 曾飞，吴青，初秀民，等.带式输送机物料瞬时流量激光测量方法 [J].湖南大学学报（自然科学版），2015，42（2）：40-47.

[4] 张丽.一种带式输送机物料流量多点超声检测方法 [J].工矿自动化，2017，43（5）：62-65.

作者简介：周爱民（1977.01—），男，汉族，云南玉溪人，技师，技术员，本科，研究方向：烟草制丝。