矿用带式输送机输送量测量方法现状及发展趋势.pdf

工矿自动化 In d u s t ryan d Mi n eAu t o mat i o n 第45卷第5期 2019年5月 Vo l .45No .5 May2019 文章编号1671-251X201905-0100-04DOIi O. 13272/j . i ssn . 1671-251x. 2019010055 矿用带式输送机输送量测量方法现状及发展趋势 张少宾12蒋卫良12芮丰12 1.煤炭科学研究总院％北京100013； 2.中煤科工集团上海研究院有限公司，上海2000I0 扫码移动阅读 摘要对目前矿用带式输送机输送量的测量方法即电子胶带秤测量法、核子胶带秤测量法、超声波测距 测量法、激光CCD图像测量法、激光扫描测量法进行了分析，并从测量精度、响应时间等方面对各种方法进 行了对比分析。接触式测量法中，电子胶带秤测量法测量精度高，但响应速度较慢，稳定性较差；非接触式测 量法中，激光扫描测量法测量精度较高，响应速度较快，稳定性较好。指出带式输送机输送量测量方法的发 展趋势是提高测量精度、抗干扰性和适应性，非接触式测量法或融合多种技术的方法将逐渐成为主流的输送 量测量方法 关键词带式输送机；输送量测量；接触式测量；非接触式测量；电子胶带秤测量法；激光扫描测量法 中图分类号TD6I4. 1 文献标志码A Cu rren t st at u san d d evel o pmen t t ren d o f measu ri n g met h o d so f c o n veyi n g c apac i t yo f mi n e-u s ed bel t c o n veyo r ZHANG Sh ao bi n12 , JIANG Wei l i an g12 , RUI Fen g12 1. Ch i n a Co al Researc h In st i t u t e, Bei j i n g 10001I, Ch i n a; 2 ,CCTEG Sh an g h ai Researc h In st i t u t eWSh an g h ai 200030WCh i n a AbstractMeasu ri n g met h o d so f c u rren t mi n e-u sed bel t c o n veyo rwerean al yz ed ,wh i c h areel ec t ro n i c bel t sc al emeasu ri n g met h o d ,n u c l earbel t s c al emeasu ri n g met h o d ,u l t raso n i c ran g i n g measu ri n g met h o d , l aser CCD i mag e measu ri n g met h o d an d l aser sc an n i n g measu ri n g met h o d . Vari o u s met h o d s were c o mpared an d an al yzed f ro m aspec t s o f measu remen t ac c u rac y, respo n se t i me, et c . In c o n t ac t measu ri n g met h o d s, el ec t ro n i c bel t sc al e measu ri n g met h o d h as h i g h measu remen t ac c u rac y, bu t respo n se speed i s sl o w an d st abi l i t y i s po o r. In n o n -c o n t ac t measu ri n g met h o d s, l aser sc an n i n g measu ri n g met h o d h as h i g h meau remen t prec i i o n ,h i g h repo n epeed an d g o o d t abi l i t y.It i i n d i c at ed t h at d evel o pmen t t ren d o f measu ri n g met h o d s o f c o n veyi n g c apac i t y i s t o i mpro ve measu remen t ac c u rac y, an t i -i n t erf eren c e an d ad apt abi l i t y; n o n -c o n t ac t measu remen t met h o d o r a met h o d c o mbi n i n g vari o u s t ec h n o l o g i es wi l l g rad u al l y bec o me t h e mai n st ream measu ri n g met h o d s o f c o n veyi n g c apac i t y. Key words bel t c o n veyo r; c o n veyi n g c apac i t y measu remen t ； c o n t ac t measu remen t ； n o n -c o n t ac t measu remen t ； el ec t ro n i c bel t sc al e measu ri n g met h o d; l aser sc an n i n g measu ri n g met h o d 0引言 带式输送机是煤矿生产的重要设备之一，可以 实现长距离、大运量、连续运输。受采煤工作面地质 变化及采集设备不稳定的影响，煤炭的产量会产生 波动。这导致带式输送机输送量具有极大的不均衡 性，对带式输送机的安全运行及智能控制产生很大 影响,12输送量大，会加剧输送带磨损和撕裂、溢 收稿日期收稿日期2019-01-14；修回日期修回日期201904-12；责任编辑胡娴。责任编辑胡娴。 基金项目基金项目中国煤炭科工集团科技创新基金项目“016MS006 作者简介作者简介张少宾199I-，男，河南许昌人，硕士研究生，主要研究方向为机械设计，E-mai l 60I589990q q . c o m。 引用格引用格式张少宾,蒋卫良，芮丰矿用带式输送机输送量测量方法现状及发展趋势工矿自动化，2019,455100i 0I. ZHANG Sh ao bi n ,JIANG Wei l i an g,RUI Fen g . Cu rren t st at u s an d d evel o pmen t t ren d o f measu ri n g met h o d s o f c o n veyi n g c apac t y o f mi n e-u sed bel t c o n veyo r］〕］. In d u st ry an d Mi n e Au t o mat i o n ,2019,45 5 100103. 2019年第年第5期期张少宾等矿用带式输送机输送量测量方法现状及发展趋势张少宾等矿用带式输送机输送量测量方法现状及发展趋势- -101 - - 煤、洒煤等现象发生；输送量小，会造成资源浪费。煤、洒煤等现象发生；输送量小，会造成资源浪费。 因此，有效测量带式输送机输送量，对带式输送机的因此，有效测量带式输送机输送量，对带式输送机的 安全运行及智能控制具有重要意义,-。安全运行及智能控制具有重要意义,-。 1带式输送机输送量测量方法现状带式输送机输送量测量方法现状 带式输送机输送量测量方法可分为接触式测量带式输送机输送量测量方法可分为接触式测量 法和非接触式测量法。接触式测量法通过测量单位法和非接触式测量法。接触式测量法通过测量单位 有效称量段的煤料质量，与带速相乘得出瞬时输送有效称量段的煤料质量，与带速相乘得出瞬时输送 量，一段时间内瞬时输送量的积分为该段时间内带量，一段时间内瞬时输送量的积分为该段时间内带 式输送机的输送量。非接触式测量法通过测量单位式输送机的输送量。非接触式测量法通过测量单位 长度内煤料体积，与煤料密度、带速相乘得出带式输长度内煤料体积，与煤料密度、带速相乘得出带式输 送机的输送量。接触式测量法主要是电子胶带秤测送机的输送量。接触式测量法主要是电子胶带秤测 量法，非接触式测量法包括核子胶带秤法、超声波式量法，非接触式测量法包括核子胶带秤法、超声波式 测量法、激光测量法、激光CCD“ “电荷耦合器件图像测量法及激电荷耦合器件图像测量法及激 光扫描测量法⑷。光扫描测量法⑷。 1. 1 电子胶带秤测量法电子胶带秤测量法 电子胶带秤测量法使用的设备主要有称重框电子胶带秤测量法使用的设备主要有称重框 架、称重传感器、速度传感器和工控机等。当煤料从架、称重传感器、速度传感器和工控机等。当煤料从 秤体通过时，输送带和称重托辐作用于称重传感器，秤体通过时，输送带和称重托辐作用于称重传感器， 得到单位称重参数的压力信号，同时速度传感器同得到单位称重参数的压力信号，同时速度传感器同 步检测到输送带的瞬时速度信号，将步检测到输送带的瞬时速度信号，将2个信号转换个信号转换 为模拟电压或电流，经传输电缆和数据通信接口输为模拟电压或电流，经传输电缆和数据通信接口输 送到地面工控机进行计算处理送到地面工控机进行计算处理5。 。 采用电子胶带秤测量法时，输送量采用电子胶带秤测量法时，输送量Q1Z计算公计算公 式为式为 Qi 2 q“ dt 1 式中式中““为为时刻单位长度输送带上煤料的质量为煤料的质量吸收系数;p 为煤料密度;为煤料密度;a为为t时刻煤料厚度。时刻煤料厚度。 用 用 秤 量 量 ， 输 量 输 量 Q12 计计 式为式为 512 A\4lZjdt I 式中式中A为带式输送机负载系数为带式输送机负载系数； ；U,t 为空带时为空带时 的输出电压的输出电压; ;Uo ,t 为运煤时的输出电压。为运煤时的输出电压。 煤矿中，输送带上的煤料包含煤、干石及一定的煤矿中，输送带上的煤料包含煤、干石及一定的 水分，标定比较复杂，煤料的质量吸收系数难以确水分，标定比较复杂，煤料的质量吸收系数难以确 定。此外定。此外7射线具有放射性，在运输、储存和使用射线具有放射性，在运输、储存和使用 中有很大不便，不易检查和维修。中有很大不便，不易检查和维修。 1.1 超声波测距测量法超声波测距测量法 超声波测距测量法通过测量输送机上物料高度超声波测距测量法通过测量输送机上物料高度 得到近似物料体积，并根据物料密度、输送机速度计得到近似物料体积，并根据物料密度、输送机速度计 算得到瞬时输送量,-。超声波测距测量法有相位检算得到瞬时输送量,-。超声波测距测量法有相位检 测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等多种。测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等多种。 相位检测法适合小范围、高精度的测量，声波幅值检相位检测法适合小范围、高精度的测量，声波幅值检 测法受环境影响较大，煤矿中一般采用往返时间检测法受环境影响较大，煤矿中一般采用往返时间检 测法。往返时间检测法原理检测发射器发出的超测法。往返时间检测法原理检测发射器发出的超 声波经介质传播到接收器的时间与超声波速度的乘声波经介质传播到接收器的时间与超声波速度的乘 积是超声波传输的距离，所测距离积是超声波传输的距离，所测距离L是超声波传输是超声波传输 距离的一半，根据测得的距离能得到煤料的大概高距离的一半，根据测得的距离能得到煤料的大概高 度，由煤料高度得到近似煤料体积，并根据煤料密度，由煤料高度得到近似煤料体积，并根据煤料密 度、带速计算得到输送量。度、带速计算得到输送量。计算公式为计算公式为 2 4 式中式中j为超声波的速度为超声波的速度为超声波往返时间。为超声波往返时间。 超声波速度与传播介质有关，空气密度、湿度、超声波速度与传播介质有关，空气密度、湿度、 温度等都会对其产生影响，此外，超声波测距仪的测温度等都会对其产生影响，此外，超声波测距仪的测 量准 度 低， 也会导 量准 度 低， 也会导 得 煤 度煤 度 大大9。因此，超声波测距测量法很少作为主要的输。因此，超声波测距测量法很少作为主要的输 送量测量技送量测量技术，一般作为辅助性测量技，一般作为辅助性测量技术，用来监测，用来监测 有煤、无煤及煤多、煤少的情况。有煤、无煤及煤多、煤少的情况。 14 CCD 量量 CCD 图 量 也称为 图 量 也称为 CCD 机机 廓测量法，是基于机器视觉技术的测量方法。该测廓测量法，是基于机器视觉技术的测量方法。该测 量方法采用量方法采用CCD相机作为观测器件,将激光投射到相机作为观测器件,将激光投射到 -102 -工矿自动化2019年第45卷 煤料表面料表面，产生漫反射，并反射，并得到到煤料图像。对。对得到的 图像进行处理，利用计算机软件建立煤料三维模型, , 从而得到煤料体积，实现带式输送机输送量的测量。从而得到煤料体积，实现带式输送机输送量的测量。 采用激光采用激光CCD图像测量法时，输送量图像测量法时，输送量Q1Z计算计算 公式为公式为 Q12 pV “i, 5 式中式中V“ “⑴为为ti〜时段内煤料的体积。时段内煤料的体积。 目前激光目前激光CCD图像测量法在国内已有成熟产图像测量法在国内已有成熟产 品，文献品，文献［10- -利用同一测量面中上、下双视点的利用同一测量面中上、下双视点的 CCD相机测得煤料轮廓，测量准确率在相机测得煤料轮廓，测量准确率在96以上。以上。 因为煤矿光照条件不佳，对煤料图像采集有很大影因为煤矿光照条件不佳，对煤料图像采集有很大影 响，而且，图像处理时间较长，算法复杂，所以激光响，而且，图像处理时间较长，算法复杂，所以激光 CCD图像测量法速度较慢。图像测量法速度较慢。 1. 5 激光扫描测量法激光扫描测量法 激光扫描测量法的基本原理与超声波测距法相激光扫描测量法的基本原理与超声波测距法相 似，但测量精度更高。其测量过程主要包括定向、测似，但测量精度更高。其测量过程主要包括定向、测 角、扫描和测距。激光扫描仪发出高精度、高频率的角、扫描和测距。激光扫描仪发出高精度、高频率的 点激光，经反射棱镜反射，形成一定角度的扫描光点激光，经反射棱镜反射，形成一定角度的扫描光 束，获得扫描光束范围内煤料与发射中心的距离值，束，获得扫描光束范围内煤料与发射中心的距离值， 结合时间、相对输送带的位置可计算出煤料三维坐结合时间、相对输送带的位置可计算出煤料三维坐 标数据。再结合输送带带速得到煤料的点云，经过标数据。再结合输送带带速得到煤料的点云，经过 对点的标定及函数拟合得到煤料截面轮廓对点的标定及函数拟合得到煤料截面轮廓［11-。 。 角 面 面 计 面 面 计 得 到煤料截面积到煤料截面积S“,则激光扫描测量法测得的输送则激光扫描测量法测得的输送 量量Qi为 Q12 p“S“dt 6 文献［12］通过激光扫描法建立堆积体积测量模 型，并用Vi ssu al C和Open GL函数完成软件设 计和三维重建，实验结果精度较高，测量速度快。 文献［13］采用激光扫描测量法对带宽为200 mm、 带速为0. 5〜i 5 m/s的槽型带式输送机输送量进 行测量，数据重复性和相关性达到98以上。 1. 6 对比分析对比分析 对目前常用的测量方法进行对比分析，结果见对目前常用的测量方法进行对比分析，结果见 表表1。可以看出，电子胶带秤测量法测量精度最高，。可以看出，电子胶带秤测量法测量精度最高， 但对日常维护和使用要求比较高，稳定性较差。激但对日常维护和使用要求比较高，稳定性较差。激 扫扫描 量 和 量 和 CCD 图 量 图 量 精度和度和 定性较好，但易受煤料粒度和密度的影响。定性较好，但易受煤料粒度和密度的影响。 2输送量测量方法的发展趋势输送量测量方法的发展趋势 1 提高测量精度。提高测量精度的方法包括提高测量精度。提高测量精度的方法包括 采用性能更好的测量设备、对设备的日常使用采用性能更好的测量设备、对设备的日常使用和维维 护进行严格要求、不断优化数据处理算法等。护进行严格要求、不断优化数据处理算法等。 2 提高抗干扰性。煤矿恶提高抗干扰性。煤矿恶劣环境对环境对各种测量种测量 表1输送量测量方法对比 Tabl e 1 Co mpari so n o f vari o u s measu ri n g met h o d s o f c o n veyi n g c apac i t y 测量方法测量精度响应速度稳定性 电子胶带秤测量法高较慢较差 核子胶带秤测量法较高较快较好 超声波测距测量法低慢较差 激光扫描测量法较高较快好 CCD 图 量 低慢好 设备会产生一定影响设备会产生一定影响’’为了有为了有效避免环境对测量避免环境对测量结 果的影响，使得这些测量方法具有更强的抗干扰能果的影响，使得这些测量方法具有更强的抗干扰能 力，可采用特殊测量设备，如防爆防抖高速力，可采用特殊测量设备，如防爆防抖高速CCD相相 机等。机等。 3提高适应性。为了减少测量误差，适应不提高适应性。为了减少测量误差，适应不 同的煤矿环境及输送量的大小，可将多种方法结合同的煤矿环境及输送量的大小，可将多种方法结合 使用。比如双目视觉技术使用。比如双目视觉技术［14-采用采用2个激光个激光CCD摄摄 像头，减小输送带上大块煤对测量结果的影响。此像头，减小输送带上大块煤对测量结果的影响。此 扫 扫描 量 和 量 和 声波 距 量 距 量 结 解决利用单一光线或声波进行测量时误差较大的解决利用单一光线或声波进行测量时误差较大的 问题。问题。 3结语结语 式式输 机机输 量 量 对量 量 对 各种方法进行了对比分析。接触式测量法中，电子各种方法进行了对比分析。接触式测量法中，电子 皮带秤测量法测量精度高，但响应速度较慢,稳定性皮带秤测量法测量精度高，但响应速度较慢,稳定性 较差；非接触式测量法中，激光扫描测量法测量精度较差；非接触式测量法中，激光扫描测量法测量精度 较高，响应速度较快，稳定性较好。随着人工智能、较高，响应速度较快，稳定性较好。随着人工智能、 图像处理等技术的快速发展，非接触式测量法或融图像处理等技术的快速发展，非接触式测量法或融 合多种技术的方法将得到快速发展并逐渐成为主流合多种技术的方法将得到快速发展并逐渐成为主流 的输送量测量方法。的输送量测量方法。 参考文献References ［1］孙继平.煤矿信息化与自动化发展趋势工矿自动 化化，2015,4145 SUN Ji pi n g . Devel o pmen t t ren d o f c o al mi n e i n f o rmat i zat i o n an d au t o mat i o n［J］.In d u st ryan d Mi n e Au t o mat i o n ,2015,414 1-5. ［2 -孙继平.煤矿信息化与智能化要求与关键技术煤 炭科学技术术 2014,42922-25. SUN Ji pi n g . Req u i remen t an d key t ec h n o l o g y o n mi n e i n f o rmat i o n al i zat i o n an d i n t eli g en t t ec h n o l o g y ［J］8 Co al Sc i en c ean d Tec h n o l o g y2014 42922-258 ［I］阴晋峰，高颖基于煤流量监测的带式输送机调速控 制机械管理开发，20183368485. YIN Ji n f en g， ，GAO Yi n g . St u d y o n speed reg u l at i o n 2019年第5期 张少宾等矿用带式输送机输送量测量方法现状及发展趋势 10I t ec h n o l o g y o f bel t c o n veyo r based o n c o al f l o w mo n i t o ri n g [J Mec h an i c al Man ag emen t an d Devel o pmen t,2018 , II6 84-85. 4-肖鸿亮.带式输送机的输送量检测与节能控制系统的 研究[D-沈阳东北大学，2014. 5 -毕思武煤矿在用电子皮带秤存在的问题与对策[J-. 衡器，2016,4512I234. BI Si wu . Pro bl ems exi st i n g an d c o u n t ermeasu res i n t h e c o al mi n e i n el ec t ro n i c bel t sc al e [J]. Wei g h i n g In s t ru men t 2016 451232-34. 6]顾世双核子皮带秤和电子皮带秤的比较[J]衡器, 2011,4064950. GU Sh i sh u an g 8 Co mpari so n bet ween n u c l ear bel t sc al e an d el ec t ro n i c bel t sc al e [ J ]. Wei g h i n g In st ru men t,2011,406 49-50. 7 -李阳.矿用核子皮带秤在线监测系统[D]西安西安 科技大学,017. 8]陈湘源基于超声波的带式输送机多点煤流量监测系 统设计[J]工矿自动化2017,4127578 CHEN Xi an g yu an . Desi g n o f mu l t i po i n t c o al f l o w mo n i t o ri n g syst em o f bel t c o n veyo r based o n u l t raso n i c[J] In d u st ryan d Mi n e Au t o mat i o n2017 43275-788 9 -赵珂，向瑛，王忠，等高准确度超声波测距仪的研制 [J]传感器技术，2001,2225557. ZHAO Ke, XIANG Yi n g , WANG Zh o n g , et l Devel o pmen t o f h i g h ac c u rac yu l t raso n i c ran g ef i n d er [J]. Jo u rn al o f Tran sd u c er Tec h n o l o g y, 2001,222 55-578 [10] 乔g ,靳宝全输送带运输物料双视点测量方法研究 [J]煤炭技术，2018 371250252. QIAO Wei , JIN Bao q u an . Researc h o f d u al -f i el d measu remen t met h o d o f mat eri al f l o w o n c o n veyo r bel t[J]8Co al Tec h n o l o g y 2018 373250-2528 [11] 陶依贝,周宾,刘鹏飞,等基于LabVIEW的物料体 积流量实时测量系统仪表技术与传感器,2018 351-568 TAO Yi bei , ZHOU Bi n , LIU Pen g f ef et l Real -t i me measu remen t syst em o f mat eri al vo l u mef l o w based o n LabVIEW[J] In st ru men t Tec h n i q u ean d Sen so r 2018I5156. [12] 姜志华基于激光扫描的堆料体积测量系统研究与设 计[D]武汉华中科技大学2011. [I]曾飞，吴青,初秀民,等带式输送机物料瞬时流量激 光测量方法湖南大学学报自然科学版,2015 , 422 40-478 ZENG Fei , WU Qi n g , CHU Xi u mi n , et l Measu remen t o f mat eri al i n s t an t an eo u sf l o w o n bel t c o n veyo rs based o n l aser sc an n i n g [J ] 8Jo u rn al o f Hu n an Un i vers i t yNat u ral Sc i en c es 2015 422 40-478 [14]代伟,赵杰,杨春雨,等.基于双目视觉深度感知的带 式输送机煤量检测方法煤炭学报,2017,42增 刊 2547555. DAI Wei ZHAOJi e YANG Ch u n yu et al 8Det ec t i o n met h o d o f c o al q u an t i t yi n bel t c o n veyo r based o n bi n o c u l arvi si o n d ept h perc ept i o n[J] Jo u rn al o f Ch i n a Co al So c i et y,2017,42S2547555.