煤仓储量三维激光测量系统的设计与应用.pdf

收稿日期 2020－03－29 * 基金项目 国家重点研发计划资助项目 2017YFC0804300 作者简介 李山 1979 ， 男， 山东莱芜市人， 2003 年毕业于中国 矿业大学电气工程与自动化专业， 高级工程师， 现从事煤矿供配电、 信息与自动化设计工作。 技术经验与应用 煤仓储量三维激光测量 系统的设计与应用 * 李山1 ， 潘 涛2 ， 傅 林3， 王颖杰4 1． 神东煤炭集团 设计公司， 陕西 神木719000; 2． 国家能源集团 神华信息技术有限公司， 北京 100000; 3． 中煤科工集团 上海有限公司检测技术研究中心， 上海 200000; 4． 中国矿业大学 电气与动力工程学院， 江苏 徐州221008 摘要 随着矿井及选煤厂的自动化控制水平不断提高， 大多数储煤仓需要实时准确地测量其煤位 变化和控制储煤量。通过对几种常用的煤仓储量监测方法分析， 给出了一套煤仓储量三维激光监 测系统设计。该系统采用 PLC 控制数字舵机带动激光传感器实现数据采集， 采用最小二乘法进行 曲面拟合， 并通过计算机辅助技术进行煤仓储存量与分布实时监测和显示， 有效提高煤仓料位测量 的连续性和实时性。经过现场测试及比较分析， 证明了所设计系统的优越性， 提出了误 差校正的方法。 关键词 激光; 煤仓料位; 曲面拟合 中图分类号 TP393文献标志码 A 文章编号 1671－749X 2020 03－0131－05 Design and application of three- dimensional laser measurement system for coal bunker reserves LI Shan1， PAN Tao2， FU Lin3， WANG Ying- jie4 1． Design Branch， Shendong Coal Group Co．， Ltd．， Shenmu 719000， China; 2． Shenhua Ination Technology Co．， Ltd．， CHN Energy Group， Beijing 100000， China; 3． Testing Technology Ｒesearch Center， CCTEG Shanghai Co．， Ltd．， Shanghai 200000， China; 4． School of Electrical and Power Engineering， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221008， China Abstract With the continuous improvement of the automatic control level of the mines and coal preparation plants， most coal storage bunkers need to measure the coal level change and control the coal storage quantity in real time． Based on the analy- sis of several common s of coal bunker reserve monitoring， a set of three- dimensional laser monitoring system for coal bunker reserve is designed． The system uses PLC to control the digital steering gear to drive the laser sensor to realize the data acquisition， adopts the least square to fit the curved surface， and uses the computer- aided technology to monitor and display the storage capacity and distribution of the coal bunker in real time， which effectively improves the continuity and real- time of the coal bunker level measurement． Finally， through the field test and comparative analysis， the superiority of the designed system is proved， and the of error correction is put forward． Key words laser; coal bunker level; curved surface fitting 0引言 随着国家对煤矿智能化水平要求的不断提高， 实时准确的监测煤矿生产过程中的各类数据， 成为 131第 3期 李山潘涛傅林等煤仓储量三维激光测量系统的设计与应用* 一个迫切的要求 ［1 ］。在大量使用煤仓的矿井工业 场所， 对当前煤量进行精确监控， 不但可以防止煤仓 的排空或溢出事故的发生， 还可以实现煤炭生产的 节能运行 ［2 ］。 1常用的煤仓储量监测方法 1． 1机械式直接接触测量 机械式直接接触法通常采用的都是重锤法， 即 仓顶采用电动机同轴吊装一个重锤， 通过电动机正 反转拖动重锤升降， 测量时将重锤从仓顶放下到煤 层表面， 重锤控制器将旋转圈数换算成重锤下降高 度， 进而得到煤的表面高度， 以标准圆柱体计算煤 量。但这种方法由于落煤、 出煤的时间不定， 在重锤 上行过程中， 现场经常出现重锤被落煤埋没的现象， 而且采用以点代面的测量方法， 对于时刻变化的煤 仓来说误差较大［3 ］。 1． 2超声波料位测量方法 超声波料位计是一种采用回波原理的测量装 置。它能够在不同传播介质中进行传播， 具有短波 长、 高频率等特点。将超声波信号探测器安装在煤 仓的最上面， 使用固定频率发射超声波， 当发出的波 信号达到被测的煤仓表面后就被反射回来， 由传感 器的接收探头接收后转化成需要的电信号。通过计 算超声波从发射端到接收端所用的时间以及在空气 中的传播速度， 计算得到煤表面与探测器之间的距 离， 从而实现煤位监测。但是粉尘、 蒸汽、 烟雾会吸 收超声波信号， 影响回波信号的接收， 严重时会导致 超声波失灵［4 ］。 1． 3雷达式料位计测量方法 雷达式料位计能够进行连续的测量。它的工作 原理是 传感器首先发射出电磁波 传播速度约等 于光速， 频率约为 300 MHz ～ 3 000 GHz 到达测量 物体的表面后被物体反射回去， 被反射回去的电磁 波信号就会由天线接收到。与超声波料位计原理类 似， 所获往返时间信号相应计算出煤位到仓顶部的 距离， 实现煤位监测。缺点是雷达料位计的寿命较 短， 受煤尘、 湿度、 煤形状等的影响较大 ［5 ］。 1． 4核辐射式料位计测量方法 核辐射料位计是使用辐射出来的射线穿透容器 与料仓内的煤互相作用， 通过料仓内物料的能量衰 减度来测量煤位。该料位计主要包括接收器、 探头、 放射源。煤仓下侧装着射线接收器， 根据加煤减煤 导致的深度的变化， 该射线击穿料层以后就会有不 同的变化强度， 因此监测这些强度， 并把煤仓料位情 况直观表示出来［6 ］。 核辐射料位计适于高温、 高压、 易爆、 有毒等危 险环境下的测定。但是核辐射射线对人体有害， 其 发射出来的射线会被物料原子散射和吸收， 致使物 料具有一定辐射危害， 而且价格昂贵， 一般煤矿企业 极少使用。 1． 5图像料位测量方法 图像料位监测的组成有 3 个部分， 第一是图像 采集， 第二是传输系统， 最后是识别系统。胡成 龙［7 ］提出了一种运用远近选通距离激光成像技巧 再加上图像识别的综合煤仓测量方法。原理是激光 器先发出光束， 然后在被测物体的表面上组成特征 光点， 这些光点在摄像机的像面上就会形成所谓的 像点。当煤位深度有所改变的时候图像位置会发生 变化， 可由像点的变化距离测出物体的具体位置。 近些年， 该图像处理方法得到了深入的研究， 但受各 种条件限制， 实际现场使用较少。 1． 6几种测量方法比较 在神东煤炭集团洗选中心各洗煤厂， 监测煤仓 料位的测量方法主要是重锤式、 超声波式和人工手 动吊舱 3 种。 目前重锤式 ［8－9 ］测量方法因为重锤不能放到最 低位， 程序设定值存在偏差， 而且重锤升降电机可靠 性较差， 经常损坏， 测量一次时间较长， 使用情况较 差; 超声波式测量方法 ［10－11 ］使用时间较长， 但是因 环境变化情况， 仓内煤尘、 水雾可能造成测量数据偏 差， 必须使用专用仪器定期标校; 人工手动吊仓测量 方法是先计算空仓位， 再反测算实际仓存， 受岗位个 人因素影响较大， 只能作为日常生产中的参考， 不能 作为准确监测数据。相比之下， 目前较为准确的仍 然是超声波式测量。 2煤仓储量三维激光监测系统设计 现有的测量方式存在测量误差大、 容易受现场 环境干扰等缺陷， 本设计采用新型脉冲激光测量技 术 ［ 12 ］， 监测煤仓储量， 改善上述测量方法所带来缺陷。 2． 1系统硬件设计 煤仓储量三维激光监测系统硬件结构如图 1 所 示， PLC 控制云台旋转一定角度使激光器对准煤仓 一定位置， 向目标发射单次激光脉冲， 同时采样器采 231陕西煤炭2020 年 集发射信号作为计数器开门信号， 晶体振荡器向计 数器输入时钟脉冲， 激光脉冲到达目标并由目标返 回到接收机， 电脉冲信号发出， 放大后进入计数器作 为关门信号。计数器获得从开门到关门时钟脉冲个 数， 计算出往返时间 ［13 ］。时间信息通过 PLC 上传上 位机， 由此计算出目标的距离， 并进一步求出该测量 点坐标， 最终将坐标信息拟合出煤仓料位曲面。 图 1煤仓储量三维激光监测系统硬件结构 如图 2 所示， 本系统利用 PLC 控制 2 个 180的 数字舵机［14 ］， 制作一个二自由度的简易云台， 将激 光传感器安装在搭建的云台上， 实现数据扫描采集。 图 2煤仓料位曲面测量 采用的脉冲式激光测距机需要 9 ～24 V 直流电 压供电， 发出的激光波长为 620 ～690 nm， 测量范围 为 0． 05 ～200 mm， 测量精度为 1 mm， 测量频率为 6 ～7 Hz。 2． 2软件设计的理论基础与流程 已知脉冲激光的光速为 c， 三维坐标如图 3 所 示， 通过三维激光扫描仪通过脉冲测距法获得测量 距离 d、 横向扫描角度观测值 φ、 纵向扫描角度观测 值 θ 和激光信号往返传播时间差 Δt， 则测量点的离 散化坐标 P xs， ys， zs 的计算方法如式 1 所示。 图 3三维坐标示意 d 1 2 cΔt xs dsinθcosφ ys dsinθsinφ zs dsin        θ 1 根据采集到的离散数据样本， 运用曲面拟合技 术对所得数据点进行拟合， 以得到煤顶曲面函数 S z f x， y 。再运用二重积分计算其体积， 从而估算 煤仓储煤量。数据处理中曲面拟合方法在工程、 实 验、 统计和计算机等许多领域都有应用， 用于 2 个变 量作用的三维空间曲面关系分析， 其中常用的有样 条插值法、 最小二乘法以及分形插值法等。这里选 用最小二乘法［15－16 ］作为曲面拟合的基本算法， 原理 如下。 任意的二次曲面多项式函数可表示为 f x， y a1x a2y2 a3x a4y a5 2 式中 aj j 1， 2， ， 5 为任意实数， 该曲面方 程一般可以表示为 z f x， y 。曲面一般不经过给 定的数据点来直接计算， 而是根据拟合的曲面使得 给定点与实际值之差的平方和达到最小来计算， 即 式 3 最小。 E f E N i 1 f pi－ zi 2 3 式中 pi xi， yi ， 要使式 3 最小， 则必须满 足以下方程 E a j 0， j 1， ， 5 因而， 可化得 AX B 的线性方程组。通过解方 程组可以求得系数 aj j 1， 2， ， 5 的值， 从而得到 z f x， y 的具体表达形式。根据微元素积分法的 基本原理， 通过计算积分可以得到煤仓料位的体积， 然后根据煤层密度梯度分层积分， 再结合煤仓的基 本结构组成可以得到整体煤仓储存煤量。图 4 为系 统软件流程图。 331第 3期 李山潘涛傅林等煤仓储量三维激光测量系统的设计与应用* 图 4系统软件流程 2． 3软件界面 本软件系统采用 Matlab 与 Labview 混合编程构 造煤仓储量监测系统， 人机交互界面如图 5 所示。 为方便管理， 该软件系统还加入了报警显示、 数据存 储、 报表分析等功能。 图 5监测系统界面 3现场测试及数据分析 文中选取的煤仓为神华集团神东石圪台洗煤厂 精煤仓。煤仓直径 22 m， 圆柱段高 30 m， 圆台段高 5 m， 总高 35 m。煤仓的结构简图如图 6 所示 标注 高度为离地高度 。 图 6煤仓结构示意 3． 1测试结果 分别采用三维、 超声波式和重锤式测量方法测 量煤仓储量， 并以重锤式测量结果为基准， 计算其他 2 种测量方法的误差， 不同时间段测量结果见表 1。 对表 1 的第一组离散数据采用最小二乘法进行曲面 拟合， Matlab 仿真拟合出的曲面如图 7 所示。 表 1不同时段测量煤仓储量 三维误差 1/超声波误差 2/重锤 5 3141．105 80010． 485 250 5 2174．025 4008． 005 000 5 0285．565 0005． 264 750 4 9033．005 1007． 374 750 4 737－0． 265 0005． 264 750 4 639－2． 274 9003． 164 750 4 7890．834 700－1． 054 750 3 8572．743 9004． 003 750 3 9465．303 700－1． 333 750 4 2035．213 900－2． 504 000 4 524－5． 514 100－13．684 750 4 673－1． 754 400－7． 374 750 4 902－2． 094 700－6． 005 000 5 216－0． 714 800－8． 575 250 3 3994．263 5007． 693 250 3 3613．173 5007． 693 250 3 3873．913 5007． 693 250 3 3803．713 5007． 693 250 3 4054．433 5007． 693 250 3 3924．063 5007． 693 250 3 4104．573 5007． 693 250 3 3954．143 5007． 693 250 3 3873．913 5007． 693 250 3 3964．173 5007． 693 250 3 3924．063 5007． 693 250 3 4104．573 5007． 693 250 3 3954．143 5007． 693 250 3 3873．913 5007． 693 250 3 3964．173 5007． 693 250 3 4004．293 5007． 693 250 3 6504．053 7005． 713 500 3 9845．574 20012． 003 750 4 7980．984 9003． 164 750 5 1122．205 1002． 005 000 5 3221．385 200－0． 955 250 5 6883．485 400－1． 825 500 431陕西煤炭2020 年 图 7煤层拟合曲面 3． 2数据分析 图 8 和图 9 分别为表 1 中的三维激光测量和超 声波式测量结果的误差柱状图。从图中可以看出， 三维激光监测系统的测量误差普遍小于超声波式料 位计测量误差。这说明文中所设计系统有更好的测 量精度。 图 8三维激光监测系统测量误差 图 9超声波式料位计测量误差 3． 3误差校正 传感器引起的误差 ①传感器容易被粉尘覆盖， 造成采样不准; ②改进方法是定期清理传感器污垢 或加除尘静电场或风扇。 激光束引起的误差 ①激光束具有一定发散特 性， 在仓顶落煤过程中有些瞬时点被采集到; ②改进 方法是提高采样点数， 取中间数值， 可通过软件程序 实现。 外界环境影响引起的误差 ①外界环境条件的 影响主要包括温度、 湿度与气压等环境因素的影响; ②改进方法是若判断数据异常， 重新测量该点， 如测 量多次无法消除该处异常， 采用上一个正常数据代 替计算， 可通过软件程序实现。 4结论 1 给出了一种煤仓储量三维激光监测系统。 2 设计系统软硬件， 对采集的数据结果通过 计算机辅助技术进行煤仓料位曲面拟合和煤储量估 计， 实现了煤仓内煤量分布及储量的实时监测与显示。 3 通过与超声波式测量方法的比较， 验证了 文中所设计监测系统的优越性， 提出了误差校正方法。 参考文献 ［ 1］ 胡少梅． 煤矿煤仓煤位监测系统的设计［ J］ ． 煤矿 机械， 2014， 35 3 215－216． ［ 2］ 吕清峰． 煤仓料位测量方法的最新发展［ J］ ． 仪表 技术， 2017， 46 6 19－20， 24． ［ 3］ 杨中兴． 重锤料位计原理及其固件程序设计［ J］ ． 传感器世界， 2018， 24 5 35－39． ［ 4］ 沈兆振， 丁保华， 管连俊． 煤仓料位监控系统中智 能超声波料位计的研制［J］ ． 工业自动化， 2007， 33 1 47－49． ［ 5］ 王琦， 陈彬． 基于雷达料位计的煤仓煤位监控系统的 设计及应用 ［ J］ ． 煤矿机械， 2015， 36 8 301－303． ［ 6］ 温东海． 核辐射料位计在熔化沥青液位测量中的 应用［ J］ ． 工业计量， 1999， 9 5 32－33． ［ 7］ 胡成龙． 图像处理技术在煤位监测中的应用［ J］ ． 煤炭技术， 2011， 30 10 90－92． ［ 8］ 杨中兴． 重锤料位计原理及其固件程序设计［ J］ ． 传感器世界， 2018， 24 5 35－39． ［ 9］ 江静． 煤仓煤位深度估计方法研究［D］ ． 北京 中 国矿业大学， 2012． ［ 10］ 颜兴亮， 贺日平， 刘根生． 超声波料位仪［ J］ ． 矿山 机械， 2003， 30 7 40－41， 5． ［ 11］ 岳志华． 超声波物位仪应用于煤仓煤位监控的研 究［ J］ ． 科技资讯， 2007， 5 4 6－7． ［ 12］ 刘松． 基于视觉和激光的煤仓煤位监测方法研究 ［ D］ ． 北京 中国矿业大学， 2011． ［ 13］ 王秀芳． 脉冲半导体激光测距的研究［D］ ． 成都 四川大学， 2006． ［ 14］ 李北斗． 数字舵机驱动控制的研究和设计［ J］ ． 计 算机时代， 2008， 26 11 22－23， 31． ［ 15］ 李二涛， 张国煊， 曾虹． 基于最小二乘的曲面拟合 算法研究［J］ ． 杭州电子科技大学学报， 2009， 29 2 48－51． ［ 16］ 刘俊． 移动最小二乘法散点曲线曲面拟合与插值 研究［ D］ ． 杭州 浙江大学， 2011． 531第 3期 李山潘涛傅林等煤仓储量三维激光测量系统的设计与应用*