雷達(dá)測(cè)距技術(shù)在煤礦自動(dòng)化中的應(yīng)用

中煤科工集團(tuán)常州自動(dòng)化研究院 李慶昭

1.引言

我國(guó)是一個(gè)能源大國(guó)，其中煤炭資源在我國(guó)能源消費(fèi)總量中占70%左右[1]。由此可見(jiàn)，煤炭開(kāi)采在我國(guó)國(guó)民生產(chǎn)中占據(jù)重要地位。隨著我國(guó)煤炭工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，如何精確、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)井下煤倉(cāng)的煤位情況并顯示出來(lái)，在煤炭的安全高效生產(chǎn)中和煤炭行業(yè)自動(dòng)化管理中顯得越來(lái)越重要。因此，煤倉(cāng)煤位的探測(cè)裝置在煤炭安全生產(chǎn)中起著非常重要的作用。

圖1 雷達(dá)測(cè)距示意圖

圖2 系統(tǒng)框圖

圖3 本安電源模塊

目前，煤倉(cāng)煤位的探測(cè)有多種實(shí)現(xiàn)方法，但都存在不足之處。重錘式煤位探測(cè)是過(guò)去常用的一種方式，其具有成本低、方法簡(jiǎn)單、測(cè)量深度大等特點(diǎn)，但是測(cè)量過(guò)程中必須要求重錘跟煤炭接觸，容易被落煤掩埋，導(dǎo)致自動(dòng)化程度較低；超聲波式煤位探測(cè)裝置是非接觸式探測(cè)方法，測(cè)量精度高，但是超聲波傳播速度易受溫度、氣壓、風(fēng)力等因素影響，導(dǎo)致可靠性較差；激光掃描式煤位探測(cè)裝置測(cè)量范圍廣、速度快，對(duì)煤倉(cāng)形狀沒(méi)有要求，但是對(duì)粉塵和水霧的抗干擾能力差且成本較高，導(dǎo)致普及性較差[2-3]。

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)測(cè)距水平也得到了極大地發(fā)展。雷達(dá)測(cè)距發(fā)射的電磁波，以光速在空氣中傳播，由于穿透力強(qiáng)，不受粉塵、水霧等的影響，具有精度高、量程大等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于軍事、測(cè)繪、汽車電子等諸多領(lǐng)域并取得了較好的成績(jī)。

2.雷達(dá)測(cè)距原理

雷達(dá)探頭通過(guò)天線發(fā)射極窄的微波脈沖，該脈沖以光速在空氣中傳播，遇到被測(cè)介質(zhì)表面，其部分能量被反射回來(lái)，會(huì)被同一天線接收[4]。發(fā)射脈沖與接收脈沖的時(shí)間間隔與天線到被測(cè)介質(zhì)表面的距離成正比。由于電磁波的傳播速度是已知的，所以計(jì)算出時(shí)間間隔就可以得到與被測(cè)介質(zhì)的距離。其原理如圖1所示。

已知電磁波的傳播速度為c，發(fā)射脈沖與接收脈沖的時(shí)間間隔為，則被測(cè)距離。由于電磁波傳播速度快、穿透力強(qiáng)，所以其測(cè)量距離遠(yuǎn)，本文所設(shè)計(jì)的雷達(dá)測(cè)距裝置的量程可達(dá)60m。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該雷達(dá)測(cè)距將采集到的信息通過(guò)Modbus通訊協(xié)議與其他設(shè)備進(jìn)行通信，輸出200～1000Hz的頻率信號(hào)。其系統(tǒng)由如下幾個(gè)部分組成：本安電源模塊、CPU處理模塊、通訊模塊、頻率輸出模塊。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3.1 本安電源模塊

為了提高電源的轉(zhuǎn)換效率，本設(shè)計(jì)采用金勝陽(yáng)的K7805電源模塊。該模塊的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)96%，不需要外加散熱片，并且具有低噪聲、低紋波的優(yōu)點(diǎn)。另外，電路中增加了雙向瞬態(tài)抑制二極管，即TVS管，可以對(duì)電路進(jìn)行有效的過(guò)壓保護(hù)。電路如圖3所示。

3.2 485通信模塊

系統(tǒng)采用Modbus通訊協(xié)議，通過(guò)RS485來(lái)實(shí)現(xiàn)，其電路如圖4所示。

RS485的接口芯片選用MAX3082，為防止485通信時(shí)兩線間的電壓差過(guò)大，所以加了TVS管以對(duì)電路進(jìn)行防浪涌保護(hù)。

3.3 頻率輸出電路

為了提高本設(shè)計(jì)與集控系統(tǒng)的兼容性，本設(shè)計(jì)的輸出信號(hào)為200-1000Hz的頻率信號(hào)，其頻率輸出電路如圖5所示。

出于對(duì)集控系統(tǒng)的安全考慮，本設(shè)計(jì)在輸出端口增加了TVS管，從而提高集控系統(tǒng)防雷、防浪涌的能力。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在測(cè)距的過(guò)程當(dāng)中可能會(huì)有移動(dòng)的物體暫時(shí)阻擋雷達(dá)探頭，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本設(shè)計(jì)在程序上記錄每個(gè)采集值的信息強(qiáng)度，并把該強(qiáng)度由高到低排列，繪制出回波曲線，然后將信息強(qiáng)度最大點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的距離值輸出。其回波曲線如圖6所示。

圖4 485通信電路

圖 5 頻率輸出電路

圖6 回波曲線

圖7 軟件流程圖

圖 8 上位機(jī)界面

應(yīng)用該方法可以有效的濾除移動(dòng)的物體對(duì)測(cè)距的干擾。其軟件流程圖如圖7所示。其中用戶配置信息可以方便的使用戶設(shè)置量程、料高、總線地址等配置信息，方便現(xiàn)場(chǎng)不同工況下使用。

5.上位機(jī)設(shè)計(jì)

為了更加直觀的顯示煤倉(cāng)中物料的信息，編寫了上位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件可以直觀的顯示煤倉(cāng)中物料的高度，并可以設(shè)置物料高度報(bào)警值。還具有歷史報(bào)警記錄查詢和物料高度記錄等功能。上位機(jī)界面如圖8所示。

6.總結(jié)

針對(duì)現(xiàn)有煤倉(cāng)煤位探測(cè)方法的不足，本文設(shè)計(jì)了基于雷達(dá)測(cè)距技術(shù)的煤倉(cāng)煤位探測(cè)設(shè)備，該設(shè)備大大提高了測(cè)量的精度，并且可以有效的濾除外界干擾。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用情況來(lái)看，該設(shè)備達(dá)到了預(yù)期的效果，取得了良好的市場(chǎng)認(rèn)可，具有非常高的實(shí)用性。

[1]滕吉文,張雪梅,楊輝.中國(guó)主體能源-煤炭的第二深度空間勘探、開(kāi)發(fā)和高效利用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2008,23(4):972-992.

[2]鄭友江,趙繼云,云峰.煤倉(cāng)料位自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].煤礦機(jī)械,2005(7):107-108.

[3]孫繼平,江靜.基于深度預(yù)標(biāo)定的煤倉(cāng)煤位激光監(jiān)測(cè)方法[J].煤炭學(xué)報(bào),2012,01.

[4]沈兆振,丁保華,管連俊.煤倉(cāng)料位監(jiān)控系統(tǒng)中智能超聲波料位計(jì)的研制[J].工礦自動(dòng)化,2007(1):47-49.