雷達測距技術在煤礦自動化中的應用

中煤科工集團常州自動化研究院 李慶昭

1.引言

我國是一個能源大國，其中煤炭資源在我國能源消費總量中占70%左右[1]。由此可見，煤炭開采在我國國民生產中占據重要地位。隨著我國煤炭工業自動化水平的不斷提高，如何精確、實時的監測井下煤倉的煤位情況并顯示出來，在煤炭的安全高效生產中和煤炭行業自動化管理中顯得越來越重要。因此，煤倉煤位的探測裝置在煤炭安全生產中起著非常重要的作用。

圖1 雷達測距示意圖

圖2 系統框圖

圖3 本安電源模塊

目前，煤倉煤位的探測有多種實現方法，但都存在不足之處。重錘式煤位探測是過去常用的一種方式，其具有成本低、方法簡單、測量深度大等特點，但是測量過程中必須要求重錘跟煤炭接觸，容易被落煤掩埋，導致自動化程度較低；超聲波式煤位探測裝置是非接觸式探測方法，測量精度高，但是超聲波傳播速度易受溫度、氣壓、風力等因素影響，導致可靠性較差；激光掃描式煤位探測裝置測量范圍廣、速度快，對煤倉形狀沒有要求，但是對粉塵和水霧的抗干擾能力差且成本較高，導致普及性較差[2-3]。

隨著雷達技術的發展，雷達測距水平也得到了極大地發展。雷達測距發射的電磁波，以光速在空氣中傳播，由于穿透力強，不受粉塵、水霧等的影響，具有精度高、量程大等優點。該技術已被廣泛應用于軍事、測繪、汽車電子等諸多領域并取得了較好的成績。

2.雷達測距原理

雷達探頭通過天線發射極窄的微波脈沖，該脈沖以光速在空氣中傳播，遇到被測介質表面，其部分能量被反射回來，會被同一天線接收[4]。發射脈沖與接收脈沖的時間間隔與天線到被測介質表面的距離成正比。由于電磁波的傳播速度是已知的，所以計算出時間間隔就可以得到與被測介質的距離。其原理如圖1所示。

已知電磁波的傳播速度為c，發射脈沖與接收脈沖的時間間隔為，則被測距離。由于電磁波傳播速度快、穿透力強，所以其測量距離遠，本文所設計的雷達測距裝置的量程可達60m。

3.系統硬件設計

該雷達測距將采集到的信息通過Modbus通訊協議與其他設備進行通信，輸出200～1000Hz的頻率信號。其系統由如下幾個部分組成：本安電源模塊、CPU處理模塊、通訊模塊、頻率輸出模塊。系統框圖如圖2所示。

3.1 本安電源模塊

為了提高電源的轉換效率，本設計采用金勝陽的K7805電源模塊。該模塊的轉換效率高達96%，不需要外加散熱片，并且具有低噪聲、低紋波的優點。另外，電路中增加了雙向瞬態抑制二極管，即TVS管，可以對電路進行有效的過壓保護。電路如圖3所示。

3.2 485通信模塊

系統采用Modbus通訊協議，通過RS485來實現，其電路如圖4所示。

RS485的接口芯片選用MAX3082，為防止485通信時兩線間的電壓差過大，所以加了TVS管以對電路進行防浪涌保護。

3.3 頻率輸出電路

為了提高本設計與集控系統的兼容性，本設計的輸出信號為200-1000Hz的頻率信號，其頻率輸出電路如圖5所示。

出于對集控系統的安全考慮，本設計在輸出端口增加了TVS管，從而提高集控系統防雷、防浪涌的能力。

4.系統軟件設計

在測距的過程當中可能會有移動的物體暫時阻擋雷達探頭，從而導致測量結果不準確。為了解決這個問題，本設計在程序上記錄每個采集值的信息強度，并把該強度由高到低排列，繪制出回波曲線，然后將信息強度最大點所對應的距離值輸出。其回波曲線如圖6所示。

圖4 485通信電路

圖 5 頻率輸出電路

圖6 回波曲線

圖7 軟件流程圖

圖 8 上位機界面

應用該方法可以有效的濾除移動的物體對測距的干擾。其軟件流程圖如圖7所示。其中用戶配置信息可以方便的使用戶設置量程、料高、總線地址等配置信息，方便現場不同工況下使用。

5.上位機設計

為了更加直觀的顯示煤倉中物料的信息，編寫了上位機軟件。上位機軟件可以直觀的顯示煤倉中物料的高度，并可以設置物料高度報警值。還具有歷史報警記錄查詢和物料高度記錄等功能。上位機界面如圖8所示。

6.總結

針對現有煤倉煤位探測方法的不足，本文設計了基于雷達測距技術的煤倉煤位探測設備，該設備大大提高了測量的精度，并且可以有效的濾除外界干擾。通過現場使用情況來看，該設備達到了預期的效果，取得了良好的市場認可，具有非常高的實用性。

[1]滕吉文,張雪梅,楊輝.中國主體能源-煤炭的第二深度空間勘探、開發和高效利用[J].地球物理學進展,2008,23(4):972-992.

[2]鄭友江,趙繼云,云峰.煤倉料位自動監控系統的研究[J].煤礦機械,2005(7):107-108.

[3]孫繼平,江靜.基于深度預標定的煤倉煤位激光監測方法[J].煤炭學報,2012,01.

[4]沈兆振,丁保華,管連俊.煤倉料位監控系統中智能超聲波料位計的研制[J].工礦自動化,2007(1):47-49.