張 強(qiáng)

中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400037

現(xiàn)代化礦井多數(shù)已完成機(jī)械化的轉(zhuǎn)型，隨著智能化的發(fā)展，越來(lái)越多的礦井開(kāi)始進(jìn)入智能化?，F(xiàn)代化礦井多采用帶式運(yùn)輸作為礦井原煤運(yùn)輸?shù)闹饕绞剑欢鴰竭\(yùn)輸在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量的煤塵[1]。目前，處理礦井煤塵的方式仍以噴霧降塵為主，傳統(tǒng)的噴霧降塵方式采用水路直接接通噴霧架，需要人工打開(kāi)和關(guān)閉噴霧進(jìn)行降塵，增加了大量的人力成本。新型的噴霧降塵采用控制箱和電磁閥或球閥控制噴霧開(kāi)閉的方式，節(jié)省了人力成本的投入，但需對(duì)帶式運(yùn)輸動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別[2]?，F(xiàn)有帶式運(yùn)輸動(dòng)作的識(shí)別，多采用帶式啟停的方式，控制噴霧的開(kāi)閉[3]。但在實(shí)際的礦井環(huán)境中，運(yùn)輸巷只在輸送帶有運(yùn)煤時(shí)產(chǎn)生大量煤塵，而在輸送帶空轉(zhuǎn)時(shí)只產(chǎn)生少量的煤塵[4]。目前，煤礦井下輸送帶運(yùn)煤監(jiān)測(cè)方法采用直接接觸煤塊的觸控傳感器[5]，容易受到巷道風(fēng)流的影響產(chǎn)生誤報(bào)，且因其需要與煤塊發(fā)生碰撞產(chǎn)生信號(hào)，在應(yīng)用中易造成設(shè)備損壞，因此需要一種無(wú)接觸的帶式運(yùn)輸監(jiān)測(cè)方法及設(shè)備。

筆者針對(duì)現(xiàn)有帶式運(yùn)輸巷噴霧降塵的電控方式，提出采用激光測(cè)距原理區(qū)分輸送帶有煤、無(wú)煤和停止態(tài)，設(shè)計(jì)了一種基于激光測(cè)距的礦用自適應(yīng)帶式運(yùn)輸監(jiān)測(cè)法 ABTM。

1 相位法激光測(cè)距的基本原理

激光測(cè)距是以激光作為光源對(duì)目標(biāo)的距離進(jìn)行測(cè)定的一種方法，具有精度高、延遲短、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、交通建筑、工業(yè)制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[6]。隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，激光測(cè)距已被證明是一種高可靠度的非接觸式檢測(cè)手段。根據(jù)測(cè)量原理的不同，激光測(cè)距可分為飛行時(shí)間 (TOF)法和空間幾何法，其中 TOF 法又包括 TOF 脈沖法和TOF 相位法。TOF 脈沖法是通過(guò)向目標(biāo)發(fā)射一束光脈沖，光信號(hào)到達(dá)被測(cè)物體表面后發(fā)生漫反射，其中一部分光信號(hào)返回被探測(cè)器捕獲，通過(guò)計(jì)算光脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間，就可計(jì)算出發(fā)射器到被測(cè)物體的距離。而 TOF 相位法是用無(wú)線(xiàn)電波段的頻率對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制，并測(cè)定激光信號(hào)往返一次的相位延遲，根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)，進(jìn)而間接得出激光器與被測(cè)物體的距離。與 TOF 脈沖法相比，TOF 相位法具有功率低、精度高的優(yōu)點(diǎn)。因此，為保證激光測(cè)距的準(zhǔn)確度，本研究采用 TOF 相位法作為激光測(cè)距的方法。激光測(cè)距工作原理如圖1 所示。

圖1 激光測(cè)距工作原理Fig.1 Working principle of laser ranging

激光測(cè)距是通過(guò)激光器向待測(cè)物體發(fā)射一束激光信號(hào)，并用另一個(gè)探測(cè)器進(jìn)行回波信號(hào)的采樣。激光器發(fā)射點(diǎn)處的光強(qiáng)S1與時(shí)間t的關(guān)系為[7]

式中：f0為調(diào)制信號(hào)頻率，Hz。

光信號(hào)在t1時(shí)刻的光強(qiáng)

光信號(hào)到達(dá)被測(cè)物體的時(shí)間

式中：c為光在空氣中傳播的速度，m/s；d為發(fā)射器到被測(cè)物體的距離，m。

不考慮空氣對(duì)光信號(hào)的影響，經(jīng) 2Δt后，探測(cè)器接收點(diǎn)的光強(qiáng)

同理，t2時(shí)刻的光強(qiáng)

任意時(shí)刻的光強(qiáng)

發(fā)射回探測(cè)器接收點(diǎn)的回波光強(qiáng)

令t=ts+2Δt，則

由式 (1)、(8) 可知，回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的光強(qiáng)對(duì)比，相位差為 Δ?，結(jié)合式 (3) 可得

變換后可得到距離與相位差的關(guān)系為

2 礦用自適應(yīng)帶式運(yùn)輸監(jiān)測(cè)方法

帶式運(yùn)輸是煤礦井下運(yùn)煤的主要運(yùn)輸方式，在各種井下煤礦中都有廣泛應(yīng)用。本研究主要針對(duì)井下輸送帶的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)區(qū)分輸送帶停止、空轉(zhuǎn)、運(yùn)煤 3 種狀態(tài)，并對(duì)輸送帶的不同狀態(tài)分別給出信號(hào)，輔助自動(dòng)噴霧等其他設(shè)備運(yùn)行。

運(yùn)輸監(jiān)測(cè)原理如圖2 所示。將激光器、探測(cè)器和主控單元一起裝在防爆外殼內(nèi)，并安裝在輸送帶上方支撐架上，激光發(fā)射口與輸送帶垂直安裝。正常工作時(shí)，探測(cè)器進(jìn)行回波采樣，并傳輸給主控單元，主控單元根據(jù)式 (10) 計(jì)算探測(cè)器到輸送帶的距離并儲(chǔ)存。

圖2 運(yùn)輸監(jiān)測(cè)原理Fig.2 Principle of transportation monitoring

自適應(yīng)帶式運(yùn)輸監(jiān)測(cè)流程如圖3 所示。ABTM 法的理念在于對(duì)同一測(cè)量點(diǎn)不同時(shí)間下的測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出此時(shí)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)距數(shù)據(jù)是否存在較大相關(guān)性，進(jìn)而判斷此時(shí)的測(cè)量點(diǎn)為何種狀態(tài)。經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得出，當(dāng)輸送帶處于停止態(tài)和無(wú)煤態(tài)時(shí)，在測(cè)量點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)均具有較大的相關(guān)性；反之，處于有煤態(tài)的輸送帶，相關(guān)性則較低。

圖3 自適應(yīng)帶式運(yùn)輸監(jiān)測(cè)流程Fig.3 Adaptive belt transportation monitoring process

ABTM 法中初始參數(shù)包括樣本數(shù)量H、閾值μ、觸發(fā)下限I、觸發(fā)數(shù)i、相關(guān)系數(shù)δ，hi為序列X中第i個(gè)元素，為序列X中各樣本的期望。具體步驟如下。

(1) 初始化 輸出非有煤運(yùn)輸態(tài)，觸發(fā)數(shù)i清零，設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)初值。

(2) 數(shù)據(jù)獲取 采集一組距離數(shù)據(jù)，并對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行中位值平均濾波，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，取中間數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為最終數(shù)據(jù)導(dǎo)出序列X，依次獲取H個(gè)樣本。

(3) 數(shù)據(jù)計(jì)算 計(jì)算序列X內(nèi)樣本的期望和方差，并計(jì)算相關(guān)系數(shù)。

(4) 數(shù)據(jù)判定 將相關(guān)系數(shù)與閾值進(jìn)行比較，若δ＜μ，則觸發(fā)數(shù)加 1；若δ≥μ，則輸出非有煤運(yùn)輸態(tài)。

(5) 觸發(fā)判定 判定觸發(fā)數(shù)與觸發(fā)下限的大小，若i≥I，則輸出有煤運(yùn)輸態(tài)并清零I，之后返回步驟(2)。

3 試驗(yàn)分析

ABTM 法采用 TOF 相位和中位值平均濾波獲取采樣數(shù)據(jù)，并通過(guò)計(jì)算相關(guān)系數(shù)的方法判定礦井輸送帶運(yùn)輸態(tài)，有效解決了運(yùn)輸狀態(tài)的無(wú)接觸自適應(yīng)監(jiān)測(cè)。為驗(yàn)證本研究所述方法在實(shí)際礦井環(huán)境下的可靠性，選取陜西榆林曹家灘煤礦主運(yùn)大巷作為試驗(yàn)場(chǎng)地，主運(yùn)巷輸送帶的運(yùn)行速率為 1.8 m/s，激光探頭的采集頻率設(shè)置為 10 Hz，即激光探頭間隔 1 s 采集數(shù)據(jù)，并傳輸給主控單元，數(shù)據(jù)傳輸波特率設(shè)置為 9 600 bits/s。采用支撐架的方式將設(shè)備置于輸送帶正上方 2 m 處，分別記錄了在輸送帶停止、空轉(zhuǎn)、運(yùn)煤 3 種情況下的測(cè)量數(shù)據(jù)。

輸送帶不同運(yùn)輸情況下的數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4 所示。由圖4 可以看出，輸送帶在停止態(tài)時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)有較小的變化，這是由于受巷道風(fēng)流、煤塵和水霧的影響；當(dāng)輸送帶處于無(wú)煤運(yùn)輸態(tài)，即輸送帶空轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生 2～3 cm 的變化，此時(shí)影響測(cè)量數(shù)據(jù)變化的主要因素為輸送帶的上下振動(dòng)；當(dāng)輸送帶處于有煤運(yùn)輸態(tài)時(shí)，輸送帶因運(yùn)輸煤塊測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)生較大變化。

圖4 輸送帶不同運(yùn)輸情況下的數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.4 Data comparison of conveyor belt under different transportation conditions

采用 ABTM 法對(duì)輸送帶停止態(tài)、無(wú)煤運(yùn)輸態(tài)和有煤運(yùn)輸態(tài)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出在停止態(tài)時(shí)，δ＝0.008 7；無(wú)煤運(yùn)輸態(tài)時(shí)，δ＝0.087 6；有煤運(yùn)輸態(tài)時(shí)，δ=0.223 9。綜合分析，設(shè)置閾值μ＝0.15。通過(guò) ABTM 法可得，輸送帶處于停止態(tài)和無(wú)煤運(yùn)輸態(tài)時(shí)，δ＜μ；輸送帶處于有煤運(yùn)輸態(tài)時(shí)，δ≥μ。綜上所述，隨著輸送帶狀態(tài)的變化，由 ABTM 法可得此時(shí)輸送帶的運(yùn)行狀態(tài)，且可以有效避免實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中發(fā)生數(shù)據(jù)突變所導(dǎo)致的錯(cuò)誤運(yùn)行狀態(tài)輸出。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用 TOF 相位法獲取原始數(shù)據(jù)，并結(jié)合中位值平均濾波法減少了數(shù)據(jù)突變的發(fā)生，通過(guò)判斷相關(guān)系數(shù)，最終得出輸送帶運(yùn)輸狀態(tài)。試驗(yàn)證明了實(shí)際礦井環(huán)境下 ABTM 法的可靠性。根據(jù) ABTM 法可有效獲取輸送帶的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并避免了數(shù)據(jù)突變的發(fā)生。ABTM 法將激光測(cè)距引入輸送帶運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了無(wú)接觸運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)測(cè)，為輸送帶監(jiān)測(cè)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。