基于液壓感知的帶式輸送機(jī)煤流量檢測(cè)系統(tǒng)

張萬(wàn)辰，王昊，喬士睿，張涵博，張瑾，王義凡，何嘉怡

（天津工業(yè)大學(xué)，天津，300387）

0 引言

帶式運(yùn)輸機(jī)[1~3]是一種靠摩擦驅(qū)動(dòng)以連續(xù)方式輸送物料的機(jī)械裝置，具有運(yùn)量大、運(yùn)距遠(yuǎn)、效率高、運(yùn)費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)，作為連續(xù)運(yùn)輸機(jī)械已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤炭、礦山、港口、電力、化工、冶金、糧食、造紙等行業(yè)，和汽車(chē)火車(chē)一起成為三大主力工業(yè)運(yùn)輸工具。在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，帶式輸送機(jī)承擔(dān)著地面和井下煤炭的運(yùn)輸，具有著不可替代的作用。帶式輸送機(jī)主要由防爆電機(jī)驅(qū)動(dòng)，大中型礦井帶式輸送機(jī)運(yùn)輸能力達(dá)到2000 ～5000 噸/小時(shí)，運(yùn)輸距離達(dá)到5000 ～10000 米，年運(yùn)輸量達(dá)到500 萬(wàn)～1500 萬(wàn)噸，功率根據(jù)輸送機(jī)長(zhǎng)度在幾十千瓦到上萬(wàn)千瓦，耗電量巨大。除此之外，中國(guó)輸送機(jī)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模在逐年上升，預(yù)計(jì)2023 年可達(dá)530 億元。

由于中國(guó)輸送機(jī)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模大、帶式輸送機(jī)的能耗大，解決帶式輸送機(jī)的節(jié)能降耗問(wèn)題迫在眉睫。目前，降低帶式輸送機(jī)能耗主要是通過(guò)降低帶式輸送機(jī)主電阻的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，但無(wú)法大限度減少能源消耗。為了減少運(yùn)輸消耗能源，基于物料流量檢測(cè)的帶式輸送機(jī)自動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)是達(dá)到這一目的最優(yōu)方法，但由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、檢測(cè)手段效率低、技術(shù)不成熟或解決方案的性價(jià)比低等諸多因素，現(xiàn)有的非接觸式物料流量檢測(cè)方式難以準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、簡(jiǎn)便地進(jìn)行測(cè)量。因此，為了降低輸送機(jī)機(jī)械行業(yè)的能源消耗水平，增加行業(yè)利潤(rùn)，獲得關(guān)于物料流量檢測(cè)的精確數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化帶式輸送機(jī)上的物料流量檢測(cè)方法具有重大意義。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

該系統(tǒng)以STM32 芯片和W5500 芯片為基礎(chǔ)，主要由光電編碼器、液壓缸、壓力傳感器、采集處理板等構(gòu)成。利用液壓缸和壓力傳感器測(cè)量得到傳送帶上的物料負(fù)載量，負(fù)載數(shù)據(jù)通過(guò)采集處理板進(jìn)行處理和傳送，利用光電編碼器測(cè)量傳送帶帶速，并根據(jù)模型計(jì)算得到傳送帶上的物料流量?；谝簤焊兄膸捷斔蜋C(jī)物料流量檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)到帶式輸送機(jī)上的物料流量，最后可通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)物料流量信息，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、測(cè)量數(shù)據(jù)精確、系統(tǒng)可靠、便利等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)可視化展示和遠(yuǎn)程檢測(cè)的物料流量檢測(cè)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機(jī)煤流量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于液壓感知的帶式輸送機(jī)煤流量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)中，托輥支架8 和托輥9 構(gòu)成的托輥組支撐起輸送帶，托輥組下為四個(gè)液壓缸和壓力傳感器7。物料通過(guò)輸送帶3 對(duì)托輥9 施加壓力，利用液壓缸和壓力傳感器7 對(duì)托輥組所受壓力進(jìn)行測(cè)量，然后液壓缸和壓力傳感器7 輸出的信號(hào)進(jìn)入信號(hào)調(diào)理板4 從而實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的跟隨。光電編碼器2 附在傳送帶的傳動(dòng)軸側(cè)面，其圓心與傳動(dòng)軸的圓心重合，傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及轉(zhuǎn)動(dòng)方向通過(guò)光電編碼器的脈沖信號(hào)表示。嵌入式處理器5 主要由STM32 芯片以及W5500 芯片組成，來(lái)自信號(hào)調(diào)理板4 的壓力信號(hào)和光電編碼器2 的脈沖信號(hào)通過(guò)輸入嵌入式處理板5 從而完成信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和通信的功能，首先STM32 芯片將信號(hào)調(diào)理板4 傳來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)SPI 通信的方式將IP 地址、壓力信號(hào)與脈沖信號(hào)傳送給W5500 芯片，然后嵌入式處理器5會(huì)將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理終端6。數(shù)據(jù)處理終端6 為一嵌入式處理器，數(shù)據(jù)處理終端通過(guò)提前置入的由有限元分析得到的輸送帶上的載荷量計(jì)算模型，將傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)代入模型后可以得到實(shí)時(shí)的物料流量。其示意圖如圖2 所示。

圖2 帶式輸送機(jī)煤流量檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

圖3 系統(tǒng)的硬件框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

■2.1 主控模塊

STM32 單片機(jī)為整個(gè)硬件系統(tǒng)的信號(hào)處理中心，傳遞樞紐。在本項(xiàng)目中，STM32 單片機(jī)主板搭載一個(gè)STM32F405RGT6 芯片、一個(gè)W5500 芯片，以及相應(yīng)的電路元件。Stm32F405RGT6 芯片具有以下功能：

（1）擁有高達(dá)168MHz的工作頻率，處理數(shù)據(jù)及時(shí)迅速。

（2）有高達(dá)1MB 的閃存，以及高達(dá)192+4KB 的SRAM，其中還包括64KB 的核心耦合存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)內(nèi)存。

（3）擁有靈活的靜態(tài)內(nèi)存控制器，可以支持緊湊型閃存、SRAM，PSRAM、NOR 和NAND 存儲(chǔ)器。

（4）擁有多達(dá)140 個(gè)具有中斷功能的I/O 端口，引腳安排的空間富裕。

（5）擁有3 個(gè)高性能SPI 數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)42 Mbit/s，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝c準(zhǔn)確。

主控板上的另一個(gè)芯片W5500 具有以下功能：

（1）擁有8 個(gè)獨(dú)立的硬件Socket，可以保證各路通信互不干擾。

（2）擁有最高可達(dá)80MHz 的SPI 高速串行外設(shè)接口，可以迅速地接收來(lái)自STM32 芯片發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。

（3）工作耗能較低，大幅度地節(jié)約了對(duì)于電能的消耗。

■2.2 液壓測(cè)量模塊

本系統(tǒng)中的液壓傳感器是由一個(gè)普通的壓力變送器[4]配合CXHC 立式薄型油缸[5]組合而成，托輥傳來(lái)的壓力會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛透字袡C(jī)油的液壓， 通 過(guò)對(duì)液壓數(shù)據(jù)的處理便可推算出壓力的大小。壓力傳感器模型圖如圖4 所示。

圖4 壓力傳感器模型圖

壓力傳感器[6]迎液面與液壓缸中的機(jī)油接觸時(shí)，會(huì)按照一定的公式將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并最終將其輸出給信號(hào)處理模塊以供后續(xù)處理。

■2.3 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊由信號(hào)調(diào)理板構(gòu)成。信號(hào)調(diào)理板的核心是一個(gè)由幾組由放大運(yùn)算器構(gòu)成的電壓跟隨器。由于原信號(hào)中阻抗較高，產(chǎn)生由于后續(xù)電路電阻變化導(dǎo)致信號(hào)波動(dòng)的情況，為了更準(zhǔn)確地測(cè)量出壓力數(shù)據(jù)，使用一個(gè)電壓跟隨器來(lái)降低輸入信號(hào)的阻抗，增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。電壓跟隨器每一個(gè)信號(hào)調(diào)理板有四個(gè)傳感器輸入接口、四個(gè)信號(hào)輸出接口、兩個(gè)LM358 芯片以及相應(yīng)的電阻和電容，用來(lái)接收來(lái)自壓力傳感器的信號(hào)，并除去其中的阻抗，發(fā)送給STM32。

■2.4 帶速測(cè)量模塊

帶速測(cè)量模塊主要由光電編碼器構(gòu)成。光電編碼器[7]會(huì)被安裝在傳送帶的轉(zhuǎn)軸上，以此來(lái)測(cè)量傳送帶的運(yùn)輸速度以及方向，編碼相關(guān)信息會(huì)發(fā)送給STM32 單片機(jī)。本系統(tǒng)使用增量式光電編碼器，通過(guò)測(cè)量出傳送軸的旋轉(zhuǎn)信息來(lái)測(cè)量皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)信息。

光電編碼器的工作原理是當(dāng)主碼盤(pán)上的不透明區(qū)與鑒向盤(pán)上的透明窄縫對(duì)齊時(shí)，光線無(wú)法照射到光電變換器，光電變換器產(chǎn)生的電壓最低；當(dāng)主碼盤(pán)上的透明區(qū)正好與鑒向盤(pán)上的透明窄縫對(duì)齊時(shí)，光線完全照射到光電變換器，光電變換器輸出電壓最高。主碼盤(pán)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刻線周期，光電變換器將輸出一個(gè)近似的正弦波電壓，光敏元件可根據(jù)電位變換情況產(chǎn)生脈沖信號(hào)，然后根據(jù)相位差便可計(jì)算出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。

■2.5 數(shù)據(jù)通信模塊

STM32 單片機(jī)負(fù)責(zé)接收來(lái)自信號(hào)調(diào)理板和光電編碼器的信號(hào)，并將來(lái)自信號(hào)調(diào)理板的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，隨后將轉(zhuǎn)化過(guò)后的壓力信號(hào)以及來(lái)自光電編碼器的脈沖信號(hào)借由W5500 芯片的處理后通過(guò)以太網(wǎng)口發(fā)送給上位機(jī)。

STM32 芯片與W5500 的芯片通信主要由SPI 的方式進(jìn)行。SPI 是一種高速、全雙工的并且同步的通信總線，僅需要四根引腳就可以實(shí)現(xiàn)功能，大幅節(jié)省了對(duì)管腳的占用情況。SPI 具有支持全雙工通信、通信簡(jiǎn)單以及數(shù)據(jù)傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于本項(xiàng)目。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

■3.1 偏最小二乘法擬合

考慮到在擬合壓力和液壓采集數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)存在多重相關(guān)性，且采集到的樣本數(shù)據(jù)較少的情況，而偏最小二乘法在建立回歸的過(guò)程中，既考慮了盡量提取Y 和X 中的主成分，又考慮了使分別從X 和Y 提取出的主成分之間的相關(guān)性最大化，因此本系統(tǒng)采用偏最小二乘回歸對(duì)壓力和液壓采集數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

偏最小二乘回歸是一種多因變量對(duì)多自變量的回歸建模方法，是建立在自變量與因變量矩陣基礎(chǔ)上的雙線性模型。該方法主要采用主成分提取方法，并且使用典型相關(guān)分析提取兩組變量的典型成分，要求自變量對(duì)因變量有很強(qiáng)的解釋能力。

偏最小二乘模型公式如下：

■3.2 STM32 單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主控部分的軟件設(shè)計(jì)主要圍繞信號(hào)的接收處理、以太網(wǎng)通信的建立以及數(shù)據(jù)的發(fā)送三個(gè)方面展開(kāi)。其流程圖如圖5 所示。

圖5 STM32 單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)流程圖

首先，對(duì)于壓力信號(hào)，由信號(hào)調(diào)理板處理好的信號(hào)傳入STM32 芯片中的若干adc 通道。由于調(diào)理板傳來(lái)的信號(hào)為模擬信號(hào)，而后續(xù)輸送數(shù)據(jù)需要的是數(shù)字信號(hào)，所以使用STM32 芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，將信號(hào)調(diào)理板傳來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。在模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，比較重要的兩個(gè)步驟為抽樣和量化。對(duì)于抽樣，根據(jù)抽樣定理，要確保抽樣頻率不小于信號(hào)最高頻率的兩倍。抽樣后，要對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化，在本實(shí)驗(yàn)中，使用8 位精度對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化，相應(yīng)的，可以得到分辨率：

確定好分辨率后，采用只舍不入的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化，對(duì)于某一時(shí)刻的信號(hào)v，若滿足：

則將該信號(hào)的值量化為Vmin+n?。將此時(shí)的n 轉(zhuǎn)化二進(jìn)制即得到該信號(hào)的數(shù)字表示。而對(duì)于轉(zhuǎn)速信號(hào)，由于光電傳感器本身輸出的就是數(shù)字信號(hào)，只需在GPIO 口接收到信號(hào)后將其存儲(chǔ)到寄存器中。

之后便是以太網(wǎng)[8]通信的建立。正如前文所提，由于STM32 芯片與W5500 芯片的通信協(xié)議采用的是SPI 通信[9]協(xié)議，因此首先要配置SPI 相關(guān)寄存器。以此來(lái)確定SPI 工作時(shí)諸如傳輸速率等方面的特性。配置好SPI 后，對(duì)W5500 芯片進(jìn)行初始化配置，設(shè)置好Socket 的發(fā)送和接收緩沖大小，隨后配置硬件PHY，如工作頻率，速率等。隨后配置好W5500 的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)信息，如網(wǎng)關(guān)、IP 地址等。在通信網(wǎng)絡(luò)建立好后，便可以使用數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)，將存儲(chǔ)在寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

該項(xiàng)目用 Proteus 繪制該智能系統(tǒng)的電路原理圖，在Keil 軟件[10]進(jìn)行相關(guān)程序的測(cè)試，從而確定系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

控制系統(tǒng)功能是：在電源接通的后，液壓感知信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理板并除去其中的阻抗后發(fā)送給Stm32 芯片和W5500 芯片。而后單片機(jī)處理所得數(shù)據(jù)，并根據(jù)模型計(jì)算得到煤流量數(shù)據(jù)。然后將數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸至上位機(jī)，將煤流量數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)平臺(tái)。具體煤流量計(jì)算公式如下：

其中，Q 是t1、t2時(shí)間段內(nèi)運(yùn)輸煤的總量；W是將液壓數(shù)據(jù)帶入有限元模型計(jì)算出的傳送帶上經(jīng)過(guò)煤的重量；V是通過(guò)光電編碼器測(cè)量的帶速值，S為最終計(jì)算出的煤流量。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在本項(xiàng)目中，為了探究載物重量與壓力傳感器傳出信號(hào)的關(guān)系，需要找到相關(guān)的函數(shù)表達(dá)式。一系列已知重量的物品放到壓力傳感器上，記錄下對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。以輸出壓力為自變量，實(shí)際重量為因變量，得到的數(shù)據(jù)如表1 所示。根據(jù)偏最小二乘擬合法得到了壓力信號(hào)與載物實(shí)際重量的轉(zhuǎn)化關(guān)系：

表1 輸出電壓值與重量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

為進(jìn)一步檢測(cè)本實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，將重量、帶速以及流量等方面的計(jì)算數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到了表2 的結(jié)果。

表2 測(cè)算值與實(shí)際值的對(duì)比

綜合幾組數(shù)據(jù)的誤差結(jié)果，通過(guò)計(jì)算可以得到平均誤差率為3.22%，即準(zhǔn)確率可以達(dá)到90%以上。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文從系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)入手，介紹了基于液壓感知的帶式輸送機(jī)煤流量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。帶式運(yùn)輸機(jī)是一種靠摩擦驅(qū)動(dòng)以連續(xù)方式輸送物料的機(jī)械裝置，具有不可替代的作用，本項(xiàng)目利用交叉學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，綜合機(jī)械制圖技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、單片機(jī)技術(shù)、有限元分析、UI 設(shè)計(jì)、上位機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)、高速無(wú)線通信技術(shù)，為解決物料流量精準(zhǔn)接觸式檢測(cè)和可視化問(wèn)題提供實(shí)踐和理論參考。本項(xiàng)目采用有限元分析的方法，最終的測(cè)算準(zhǔn)確度可達(dá)到90%，大大提高了物料流量檢測(cè)的精確性。同時(shí)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)提高了測(cè)算過(guò)程實(shí)時(shí)性、可靠性和便利程度，大幅度降低物料輸送能耗，為能源技術(shù)在煤炭開(kāi)采方面的革命創(chuàng)新提供新的思路，是對(duì)國(guó)家提倡的智慧礦山提供有效響應(yīng)。并且本項(xiàng)目采用接觸式測(cè)量，可靠性強(qiáng)、受環(huán)境、噪聲影響較小，可對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行大范圍、多行業(yè)的普及、推廣。