基于激光-飞行时间原理的矿用煤流扫描传感器设计

徐广印

（中煤张家口煤矿机械有限责任公司，河北 张家口 075025）

0 引言

近几年随着综采工作面的智能化开采飞速发展，煤流各系统的智能化也得到了广泛应用，同时也对设备的智能化运行、煤炭运输的安全可靠、全面的状态监测[1]以及故障诊断提出了更高的要求。煤矿企业的煤流各系统之间大多处于“各自为营”的状态，即使有地面或井下的集控中心从中协调指挥，也因缺乏完善的煤流检测，各系统间难以形成一个有机整体，各系统设备的启动时序和运行速率配合困难。煤矿井下煤炭运输的实际工况复杂，负载波动剧烈，根据设备的负载大小和当前煤量对其进行智能调速，可以在保证设备正常运行的前提下，减小设备磨损，延长使用寿命，达到节能降耗的效果。矿用煤流扫描传感器[2]可以实时扫描煤流断面形状并进行科学分析和计算，为煤流各系统间的协调运作，各系统设备的智能调速提供可靠的当前煤量依据。

1 概述

矿用煤流扫描传感器采用整体隔爆设计[3-4]，箱体主体由优质钢板焊接而成，箱体由上下两个门盖板与主体围成一个长方体结构，底部盖板通过内六角螺栓与箱体固定，顶部前门拥有一个倾斜的隔爆窗口便于红外激光扫描，前门盖板通过内六角螺栓与箱体固定，箱体两侧各有若干喇叭口作为电源引入装置以及对外信号引出装置。箱体内部安装有开关电源、激光扫描雷达、可编程逻辑控制器（PLC）、通信模块及隔离安全栅等主要部件。箱体两侧焊接有固定耳板用于箱体的安装固定。

矿用煤流扫描传感器可以实时扫描煤流断面形状并计算出断面面积、煤层高度、累积煤量等数据，并将数据通过CANopen、RS485 以及以太网等通信端口传给上位机，为煤流各系统间的协调运作，各系统设备的智能调速提供可靠的当前煤量依据。

2 实施方案

2.1 系统概述

矿用煤流扫描传感器采用整体隔爆设计，AC127V交流电由A1 型喇叭嘴输入，通过大功率开关电源转换为DC24V 直流电输出，为激光扫描雷达、可编程逻辑控制器（PLC）、通信模块及隔离安全栅等供电。激光扫描雷达将激光脉冲发射到扫描范围内的各个方向，形成一个二维的扫描面。可编程逻辑控制器（PLC）通过网口实时读取激光扫描雷达的扫描数据，分析计算出煤流数据。煤流数据最终由通信模块，经隔离安全栅以CANopen、RS485 或以太网等通信端口传给上位机。

2.2 激光扫描雷达

LMS511 是SICK 新推出的高性能的室外型激光扫描雷达，如图1 所示，其主要用于室外型的物体测量。LMS511 采用成熟的激光一时间飞行原理及多重回波技术，非接触式检测，是室外防撞、区域保护、及恶劣环境测量的理想产品。

图1 LMS511 激光扫描雷达

LMS511 激光扫描雷达工作原理：激光发射器发出激光脉冲，当激光脉冲碰到物体后，有部分激光脉冲反射回激光接收器，通过发射与接收激光脉冲的时间差（与光速）可计算出物体的距离。激光扫描器连续不停的发射激光脉冲，由内置的旋转光学机构将激光脉冲按照一定的角度间隔（即扫描的角度分辨率）发射到扫描角度内的各个方向而形成一个二维的扫描面，通过数据接口输出每个激光脉冲测量点的距离及对应角度，据此可以获得被测物体的二维轮廓值。

2.3 可编程逻辑控制器

个人计算机（PC）的发展取得了空前成功，已成为日常生活（包括工业界）中坚不可摧的一部分。与相关的软件相结合，不同外观和样式的PC 构成范围广泛的各种自动化任务的核心部分，如机械控制、过程或物流系统、系统组件的联网、数据采集或者图像处理等。对于经典的控制任务，基于PC 的控制技术提供了良好的可升级性和灵活性。因此，PC 控制技术也逐渐替代了硬件可编程逻辑控制器（PLC），并得到了广泛应用。

倍福（BECKHOFF）的CX8000 系列嵌入式控制器（图2），将PC 技术和模块化I/O 相结合，集成了高速现场总线和I/O 接口，搭载高性能、低功耗的32 位ARM处理器，使用EtherCAT 作为I/O 总线并安装了拥有大量PLC 功能库的TwinCAT2PLC 软件，是一款结构非常紧凑的高性能、通用型控制器。操作系统为微软的WindowsCE6。TwinCAT2 软件用于实现系统配置和PLC功能编程。操作设备所需的所有软件，包括操作系统、TwinCAT 文件、用户文件及数据都存储在microSD 闪存卡上，简化维修时的更换工作。通过以太网接口进行编程和调试，可用于连接控制系统与常规网络。部分产品集成了带交换机功能的以太网接口，无须使用其他硬件即可建立一个线性“菊花链式”拓扑结构，显著降低了成本。

图2 CX8000 系列嵌入式控制器

2.4 工作原理

矿用煤流扫描传感器接通电源后，激光扫描雷达[5]启动并开始扫描运输槽内煤流，PLC 通过以太网实时获得激光扫描雷达发出的各个角度上红外激光的传播距离和角度，可编程逻辑控制器对这些极坐标系的角度和距离数据进行差值运算和积分运算，获得所测煤流的二维轮廓、横截面积和层高等信息，并通过CAN总线接口或以太网上传给上位机，上位机根据这些信息可以对相关输送设备的功率平衡进行精细管理，达到节能降耗的目的，数学模型如图3 所示。

图3 数学模型

该数学模型的基本逻辑是，以运输槽内无煤流时激光扫描雷达扫描到的二维轮廓面积为基准，减去运输槽内过煤流时激光扫描雷达扫描到的二维轮廓面积，差值运算结果即为煤流横截面积，如式（1）所示。

式中：A——一束激光的传播距离；B——相邻激光的传播距离；α——激光扫描的角度分辨率；S——相邻两条激光及夹角组成的三角形面积；∑ΔS——煤流截面积。

煤流截面积除以运输槽的宽度，比例运算结果为煤流平均层高，如式（2）所示。

式中：H——煤流平均层高；L——运输槽槽宽。

煤流截面积乘以运输槽移速，以时间为轴进行积分，积分运算结果为煤流的当前煤量，如式（3）所示。

式中：M——当前煤量；t1——时间起点；t2——时间终点；v——运输槽移速。

该数学模型未考虑煤流的煤块间隙这一客观条件，计算结果存在一定的系统误差。矿用煤量扫描传感器在煤矿的实际应用中，并不做为单一的数据来源，多数情况下是与输送设备的负载率互为补充，一主一辅。在煤矿的生产过程中，待采煤工艺稳定后，经过一段时间的调试，合理分配两者的权重关系，以此为煤流系统的智能化建设，各系统设备的智能调速提供可靠的当前煤量依据。

2.5 模拟测试

矿用煤流扫描传感器在能源采掘装备研发实验中心进行了模拟测试，以转载机的刮板槽为测试背景，模拟矿用煤流扫描传感器在煤矿井下综采工作面的转载输送机上的使用情况。转载输送机在煤矿整个生产工艺中，位于破碎机之后，皮带运输机之前。原煤经破碎机破碎后，大块变小块，减少了煤块间的空隙，为矿用煤流扫描传感器的测量精度的提升，提供了有利条件。模拟测试如图4 所示。

图4 模拟测试

模拟测试在理想的采煤环境下，即经良好的喷雾降尘处理后转载输送机刮板槽内无明显的煤尘漂浮空中，测试取得了良好的实验效果，达到了预期的设计目标。理想的二维轮廓如图5 所示。

图5 理想的二维轮廓

2.6 软件补偿

矿用煤流扫描传感器在实际情况下测量时，无法避免煤矿生产过程环境中煤尘的干扰，测量多数情况下达不到图5 的效果，实际的二维轮廓如图6 所示，无法描绘出一个完整的二维轮廓。

图6 实际的二维轮廓

面对上述情况，可以从软件方面入手进行优化设计。当某一束扫描激光被煤尘干扰时，其反馈回来的传播距离就会存在较大偏差，反映在图6 中的就是跑飞了的各个线条，在程序中处理时可以舍弃该错误数据，拿相邻的正常数据来补充，实现软件补偿。

3 结语

矿用煤流扫描传感器，适用于煤矿井下爆炸性环境，以煤流系统为应用对象，涵盖刮板输送机，井下原煤运输皮带机，地面选煤厂皮带运输机等。传感器基于成熟的激光-时间飞行原理及多重回波技术，以可编程逻辑控制器为核心，采用高性能的激光扫描雷达，胜任各种工况下的非接触式煤流扫描，可以实时扫描煤流断面形状并计算出断面面积、煤层高度、累积煤量等数据，为煤流各系统的智能化建设提供数字基础。