基于激光傳感技術的罐高自動測量系統的設計與實現

徐樂宇

(鐵法煤業(集團)有限責任公司煤層氣開發利用分公司, 遼寧 112700)

1 概述

鐵法煤業(集團)有限責任公司煤層氣開發利用分公司(以下簡稱煤層氣公司)隸屬于鐵法煤業集團,擁有完善的煤層氣綜合利用管網系統，地面輸、儲、配管路約250km。通過采取反供氣方式，使各罐區、電站之間的高、低濃度氣源可以任意調配，最大限度地利用煤層氣資源，濃度在12%以上的煤層氣綜合利用率達93%。有7個罐區11座煤氣儲氣罐，其中，低壓濕式儲氣罐7座，干式儲氣罐1座，中壓球罐1座，加上鐵嶺港華公司5×104m3和山東奧德集團8×104m3兩座干式儲氣罐，總儲氣能力達22.25×104m3。螺旋濕式儲氣罐在整個鐵法礦區煤層氣供應系統里起到了至關重要的作用。儲氣罐作為整個煤層氣輸、儲、配系統的樞紐與中心，其對于協調氣源供應，確保穩定供氣，發揮著至關重要的作用。儲氣罐的實時罐容量值是協調氣源調配的關鍵參考參數。罐容儀則是罐容標示的關鍵設備之一。因此罐容儀的穩定工作及準確測量就顯得越發重要。EXIN-CGA燃氣柜儲量測量儀，是原儲氣罐的配套設備。

此罐容自動測量系統是自主研發并設計制作的罐容顯示儀，系統由核心部分的激光傳感器和外圍輔助系統組成。測試儀通過計算激光傳感器每次從發射激光束到接收到激光返回的時間，從而計算距離。計算結果通過單片機進行整合計算，并將所測得的距離以485信號作為輸出信號，輸出到顯示屏的計算單元上。顯示屏根據信號內容進行編譯，并最終以數字形式進行實時顯示。用激光測量濕式儲氣罐罐容的技術，在國內尚屬首次應用。經過在生產實踐中的應用證明，其完全可以代替原罐容儀使用，并且其具有自動化程度高、安全穩定、易維修免維護等特點。

2 提出問題

如圖1所示，在向儲氣罐內注氣的時候，首先一塔升起，繼續注氣則按順序二塔和三塔升起。在各塔升起的過程中，每層塔在橫向限定的距離范圍內(如圖1所示的A點至B點間)運動的同時，各塔在縱向發生位移(如圖1所示的C點至D點)，由此形成一種螺旋式的提升過程。一塔自橫向A點開始發生橫向位移，至B點結束，同時一塔在縱向上，從C點開始發生縱向位移，至D點結束。并完成整個一塔的提升過程，而后二塔以同樣方式開始提升，在二塔升起結束，三塔也以同樣的運動方式開始提升，在三塔全部升起后，儲氣罐完成一個行程的注氣過程。在儲氣罐向終端輸送氣的過程中，各塔的下降過程則與升起的過程完全相反，此處不再贅述。

1—滑輪；2—導軌；3—鋼繩；4—接線盒；5—定滑輪組；6—導向器；7—發訊器；8—動滑輪組；9—重錘；10—地腳；11—灌頂圍欄；12—水罐圍欄圖1 EXIN-CGA燃氣柜儲量(高度)測量儀的構造

圖2 原罐容儀運行狀況的示意圖

此處描述儲氣罐的運行方式，旨在說明原罐容儀的運行狀態，并分析在儲氣罐運行過程中，原罐容儀經常損壞的原因。由圖1罐容儀各構造可知，原罐容儀在罐頂的裝置由滑輪與導軌組成。一塔平臺的裝置為位移傳感器，通過測量鋼繩上下的位移量進而顯示罐高數據。圖2為原罐容儀的正視圖，如果希望罐容儀顯示準確的罐高度，則FH方向的鋼繩位置是理想的位置。但是在實際的生產中，鋼繩方向卻往往處于EH到FH與FH到GH范圍內的偏差位置。處于偏差位置的主要原因就是在罐頂的滑輪與導軌的配合問題。導軌與滑輪為機械式接觸，為了保證通暢的滑動，需要進行定期的注油。

盡管做了非常細致的日常維護工作，但是在實際生產中，由于機械式接觸的滑輪與導軌配合問題無法得到有效改善，鋼繩位置依然大多處于EH或GH等非理想方向上，這是造成測量誤差的主要原因。測量數據不準確，則無法為氣源調度人員提供數據參考，對氣源的調配工作造成一定壓力。每當鋼繩處于非理想方向時，鋼繩都將對滑輪與導軌的接觸點產生巨大的應力，巨大應力的產生將對鋼繩產生應力拉伸損傷，這是造成鋼繩斷裂的主要原因。鋼繩斷裂，直接造成鋼繩從30m高空墜落，其具有極大的危險性，這給安全生產造成巨大壓力。另外，每次罐容儀損壞，都要進行及時的維修。儲氣罐停止運行，將造成區域大面積停氣，從而造成巨大的經濟損失和社會負面影響，因此每次維修過程都需要在線維修。由于維修工程涉及高空作業，維修成本高，維修安全壓力大。

3 方案設計

3.1 方案選擇

為了解決原罐容儀在生產實踐中的各種問題，決定采用非接觸式的測量方式。以下通過查閱專業資料，對時下流行的超聲波測距與激光測距的優缺點進行對比，對比結果如下：

(1)超聲波檢測的目標必須與超聲波發生器處于垂直方向，且偏角不大于10°。

(2)超聲波被測物體的反射面要遠遠大于激光被測物體的反射面，因為一般超聲波束在離開傳感器2m遠時直徑為0.76cm。

(3)超聲波測距受測距現場的噪音影響較明顯，而激光測距則不受噪音影響。

(4)超聲波測距受空氣中濕度、氣溫等影響較明顯，而激光測距則不受影響。

(5)激光測距實時響應的速度要優于超聲波測距。

(6)在測量精度上，激光測距為毫米級，要遠由于超聲波測距的厘米級。

(7)超聲波測距廣泛適應用于20m以內的距離測量；激光測距距離可達千米級。

根據生產的實際要求，項目設計決定采用激光測距的方式。激光測距是指利用射向目標的激光脈沖測量目標距離的一種距離測量方式。脈沖激光測距法激光的發散角小，激光脈沖持續時間極短，瞬時功率極大，因而可使激光測距系統具有方向性好，測距精度高，測程遠，抗干擾能力強等優點。脈沖激光測距系統的原理是，在測距點向被測目標發射一束短而強的激光脈沖，光脈沖發射到目標后一小部分激光反射到測距點被光功能接收器接收。設目標距離為L，激光脈沖往返經過的時間為t，光在空氣中傳播的速度為s，則測距公式如下：L=st/2。

3.2 系統要求

(1)由于罐容儀是應用于易燃易爆場合，因此系統設計中，必須要確保防爆要求，并達到ExdIICT5等級的防爆技術要求。

(2)由于電子產品受環境溫度影響較大，因此需要確保激光傳感器處于適合的工作溫度下。

(3)選擇并制作適合的反射面，以保證經反射后的激光脈沖能夠有效的被接收。

(4)激光傳感器測量后的數據需要轉換成通訊信號，并最終轉換成直觀的影像顯示。

(5)測量距離要求達到厘米級顯示。

(6)測量數據需要進行實時的動態顯示。

3.3 系統構成

激光測距儀為整個系統的核心部分，整個系統采用非接觸式測距方式。激光脈沖代替代替原系統的鋼繩裝置。激光測距儀替代原罐容儀在一塔平臺上的所有機械測距整合。新系統將取消原系統所有的滑輪組、發訊器、導向器及重錘等設備。關于反射面，只需在原導軌支架的各支撐骨架間架設反射面板即可。為了使激光測距儀能夠在不受反射角度影響的前提下準確接收反射的激光脈沖，反射面要求是具有漫反射的材質即可，另外要綜合考慮反射面在大風等極端天氣狀況下的穩固要求。系統采用3mm厚鐵板焊接于原導軌骨架的方案。深色的物體表面，具有對光較強的吸收能力，因此反射面需要噴涂淺顏色面漆，以確保最大限度的反射激光脈沖信號。激光測距儀測得的數據需要進行實時顯示，因此系統里設計安裝一塊LED屏，用于顯示罐容高度值。

4 系統實施

整個激光測距系統包括：罐頂反射面、激光測距儀和顯示屏三部分組成。其中主要需要解決的問題包括：激光測距傳感器的選型、為激光傳感器配備輔助系統、傳感器發送的信號與顯示屏的接駁、顯示屏的實時動態數據顯示以及防爆問題。

4.1 激光測距傳感器選型

所選擇的激光測距傳感器為武漢祥瑞天和科貿有限公司生產的“承拓”系列，型號為G1020204的測距產品(表1)。

在系統實施的過程中，需要進行激光傳感器輸出信號與顯示屏的接駁，因此需要詳細了解此激光傳感器的通訊協議(表2)。

表1 激光傳感器主要技術參數

表2 激光傳感器通訊協議

圖3 測距系統的恒溫控制系統示意圖

圖4 溫度控制器電器接線圖

4.2 恒溫系統

由于此測距系統的核心部分，即激光測距傳感器的工作溫度為-8～40℃。此測距系統又是工作在室外環境中，根據北方地區的自然環境條件，冬季室外溫度經常在-10℃以下，因此，設計并制作一套溫控系統(圖3、4)，并應用于測距系統，是保證整個系統穩定運行的保證。