3D雷達(dá)掃描技術(shù)在糧油行業(yè)料位監(jiān)控中的應(yīng)用研究

張福釗，李 成，于海華，高志航，馬天紅，田肖平

無錫中糧工程科技有限公司 (無錫 214035)

物位是指貯存在容器或工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備里的液體、粉粒狀固體、氣體之間的分界面位置，而物位測量是生產(chǎn)中的重要一環(huán)，為生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行提供可靠的依據(jù)，如確定滿倉、空倉，掌握物料消耗量、調(diào)節(jié)物料平衡等。物位的測量通常利用物位計完成。物位計根據(jù)具體用途分為液位、料位和界位傳感器。在糧食倉儲加工過程中，會有很多的倉用來儲存各種物料，有原料、成品、半成品、副產(chǎn)品等，本文主要討論糧油行業(yè)粉粒裝固體物料的料位測量技術(shù)。

1 料位檢測現(xiàn)狀及需求

為了解決倉內(nèi)料位測量問題，許多廠家都開發(fā)了各自的產(chǎn)品，市場上出現(xiàn)了很多不同樣式的料位器，目前常見的料位器主要由兩種類型的，一種是開關(guān)式料位，該種料位被安裝在指定位置后，當(dāng)料面接觸到料位即發(fā)出不同信號，只能用來判定倉內(nèi)是否有料，如阻旋式、音叉式、電容式、重錘式、射頻導(dǎo)納等；一種是連續(xù)型料位，通過定時測量或者根據(jù)需要測量，可以比較精確的測定料面的高度，如超聲波、雷達(dá)等。以上兩種形式的料位都屬于單點(diǎn)式的料位，只能測定一個點(diǎn)或者一個很小范圍內(nèi)的料位情況，由于物料的工藝特性，單點(diǎn)料位不能代表整個倉的料位情況。

隨著企業(yè)生產(chǎn)管理水平及生產(chǎn)自動化程度的提高，需要更多的數(shù)據(jù)為生產(chǎn)與管理提供依據(jù)，對真實(shí)倉容的數(shù)據(jù)需求越來越高，而料倉較高，倉內(nèi)粉塵較大，料面情況復(fù)雜等因素為倉容測量帶來了很大的難度，因此很多企業(yè)對于能夠?qū)崟r準(zhǔn)確測量實(shí)際倉容的產(chǎn)品翹首以待。

2 3D雷達(dá)掃描技術(shù)的應(yīng)用研究

結(jié)合3D掃描技術(shù)的發(fā)展，如果能給倉內(nèi)的糧食做一個3D掃描是否能測算出糧食的真實(shí)體積，為此我們經(jīng)過多方尋找，在市場上找到了一款俄羅斯生產(chǎn)的3D雷達(dá)物位掃描儀，3D雷達(dá)物位掃描儀采用多點(diǎn)掃描技術(shù)，通過發(fā)送和接受電磁波的過程可以對倉內(nèi)物料表面進(jìn)行掃描從而形成圖像，更加直觀反映出倉內(nèi)物料的真實(shí)情況，讓用戶更加方便的了解和控制進(jìn)出料過程。其最大特點(diǎn)之一便是可以測出物料的體積。該產(chǎn)品自引入國內(nèi)已在水泥、電力、化工、鋼鐵、糧油等多個行業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用，使用效果很好。

2.1 工作原理

3D雷達(dá)物位掃描儀通過內(nèi)置天線發(fā)射連續(xù)電磁波，對料面進(jìn)行連續(xù)掃描，并接收倉內(nèi)物料反射回來的電磁波，經(jīng)過傳感器采集反饋的數(shù)據(jù)信息，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析以三維成像方式呈現(xiàn)倉內(nèi)物料的實(shí)際分布情況。

2.2 產(chǎn)品特點(diǎn)

2.2.1多點(diǎn)掃描、精度高

普通的單點(diǎn)雷達(dá)或者激光不僅測量點(diǎn)位少，而且存在波束觸及到倉壁或者其它障礙物時，不能夠自動判斷接收器接受的信號的來源，因此造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確。

3D雷達(dá)物位掃描儀內(nèi)置5個天線，其工作原理類似于GPRS導(dǎo)航系統(tǒng)。采用多點(diǎn)掃描的方式，發(fā)射陣列傳輸?shù)恼{(diào)頻連續(xù)波，測量面積更加廣闊，可形成上千個網(wǎng)格點(diǎn)，不僅可以覆蓋整個料位的表面，而且其中的采樣點(diǎn)也包括倉壁及障礙物的點(diǎn)，為了得到精確的測量，這時候它的獨(dú)特的發(fā)射接收系統(tǒng)發(fā)揮重要作用，5個天線分別發(fā)送電磁波，對采集的數(shù)據(jù)以及回波的方向的進(jìn)行存儲和判斷，最后5個天線同時發(fā)送電磁波，然后對采集的數(shù)據(jù)以及前幾次保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，該系統(tǒng)可以自動判斷接受信號的方向，對所有接收信號進(jìn)行過濾，得到準(zhǔn)確的物位信號，因此測量更加準(zhǔn)確，測量精度可小于3 mm。

2.2.2高濃度粉塵穿透能力強(qiáng)，20區(qū)粉塵防爆

3D雷達(dá)物位掃描儀采用全球先進(jìn)的太赫茲技術(shù)，具有極強(qiáng)的穿透性、高分辨性、成像清晰、定向性好、很高的信噪比。140 GHz頻率發(fā)射電磁波，信號衰減小，解決了對于高粉塵料倉難以測量的難題。采取的調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)，微波連續(xù)發(fā)射，采用四線制發(fā)射，功率強(qiáng)大，信號損減小，所以對于高濃度的粉塵有很好的穿透能力。該產(chǎn)品具有爆炸性環(huán)境防爆合格證，可適用于20區(qū)的粉塵爆炸危險區(qū)域內(nèi)。

如圖3，直線y=-(3/4)x+6與坐標(biāo)軸分別相交于A、B兩點(diǎn)。其中P、Q為動點(diǎn)從O點(diǎn)出發(fā)，共同抵達(dá)A點(diǎn)，并停止運(yùn)動。點(diǎn)Q沿線段OA移動，速度為每秒1單位長度，P沿O-B-A線路移動其速度與Q相同。求（1），點(diǎn)A與B的坐標(biāo)，（2）若Q運(yùn)行時間為t，OPQ面積為S，求S與t之間的函數(shù)關(guān)系式及t的范圍。（3）在S=（48/5）時，求P點(diǎn)坐標(biāo)，并直接寫出以點(diǎn)OPQ為頂點(diǎn)的平行四邊形的第四個頂點(diǎn)M的坐標(biāo)。

2.2.3先進(jìn)的三維成像技術(shù)

采用高分辨率、非接觸、無破損、數(shù)據(jù)獲取速度快等優(yōu)點(diǎn)的三維立體成像技術(shù)，5個發(fā)射器發(fā)射電磁波對物料表面多點(diǎn)掃描后形成三維圖像，可準(zhǔn)確直觀的反映物料的情況，使用戶隨時了解倉內(nèi)的實(shí)際情況。

2.2.4遠(yuǎn)程控制和服務(wù)

3D雷達(dá)物位掃描儀可通過limacopc 和multibeamradar 軟件程序進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、調(diào)試，如果現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)故障，可以遠(yuǎn)程幫助用戶及時解決問題，降低風(fēng)險，提高維護(hù)效率。

2.3 應(yīng)用研究

隨著國家大力推進(jìn)糧食科技創(chuàng)新，糧食倉儲、物流及加工業(yè)智能化水平不斷提高，尤其對于大部分糧食物流及加工企業(yè)的倉容監(jiān)控仍有較大提升空間，3D雷達(dá)物位掃描儀可為糧食企業(yè)解決不少難題，有較大的應(yīng)用空間。

2.3.1指導(dǎo)進(jìn)出料作業(yè)

(1)進(jìn)倉作業(yè)

糧食進(jìn)倉要在設(shè)計允許范圍內(nèi)盡量的提高裝滿系數(shù)，增加倉容利用率，而實(shí)際使用過程中，受進(jìn)料口位置、料位器安裝位置、物料特性(尤其面粉、粕類、稻殼等容重小，介電常數(shù)低的物料)、粉塵濃度等影響，常見料位器經(jīng)常出現(xiàn)誤報警、信號不穩(wěn)定等狀況，造成料倉裝滿系數(shù)低、滿倉堵料等現(xiàn)象，3D雷達(dá)物位掃描儀憑借其自身特點(diǎn)可有效避免上述狀況的發(fā)生，保證料倉裝滿系數(shù)和設(shè)備安全。

(2)出倉作業(yè)

受倉底形式、物料特性、含雜量等影響，物料溜動過程中會出現(xiàn)滯溜現(xiàn)象，往往一邊出完了，其他地方還有很多殘存，可以儀表已經(jīng)顯示為空倉。另外還有掛壁、搭橋等更為嚴(yán)重現(xiàn)象發(fā)生，如果不能準(zhǔn)確得知倉內(nèi)實(shí)際情況，往往會讓生產(chǎn)人員做出錯誤的判斷，比如去清倉或者二次進(jìn)料，則會造成物料交叉污染或著發(fā)生安全事故等嚴(yán)重后果，然而通過3D雷達(dá)物位掃描儀可以對倉內(nèi)剩余物料進(jìn)行掃描成像，通過電腦直觀的反映出來，讓用戶一目了然，從而避免事故發(fā)生。

2.3.2提供生產(chǎn)計量

3D雷達(dá)物位掃描儀可隨時監(jiān)控倉內(nèi)物料體積變化，而且具有較高的精確度，可起到一個計量稱的作用，可時刻顯示物料消耗或者產(chǎn)品增加量，為生產(chǎn)過程提供實(shí)時的數(shù)據(jù)支持，指導(dǎo)生產(chǎn)操作，為企業(yè)增加效益。另外對倉內(nèi)物料的散裝發(fā)放，可為發(fā)放過程提供數(shù)據(jù)參考，顯示發(fā)放產(chǎn)量，防止超載扒料現(xiàn)象的發(fā)生，還可作為結(jié)算的復(fù)核依據(jù)。

2.3.3輔助倉容管理

3D雷達(dá)物位掃描儀可實(shí)時的將倉內(nèi)物料狀況傳輸?shù)狡髽I(yè)或者政府的倉容管理系統(tǒng)中，使企業(yè)或者政府隨著掌握倉內(nèi)物料實(shí)際情況，可起到一個監(jiān)視器的作用，如果出現(xiàn)跑料、違規(guī)進(jìn)出等情況可第一時間通知相關(guān)人員，保證物料的存儲安全。

3 結(jié)語

3D雷達(dá)物位掃描儀已經(jīng)在眾多行業(yè)有了廣泛的應(yīng)用，通過實(shí)踐證明，它能準(zhǔn)確、真實(shí)、實(shí)時、立體的呈現(xiàn)物料在倉內(nèi)的變化情況，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，得到用戶的好評。而且不受物料性質(zhì)、倉型、環(huán)境的影響，尤其適用于極度惡劣的高粉塵貯存環(huán)境的料位測量，具有較高的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益，能切實(shí)滿足糧油行業(yè)的應(yīng)用需求。