基于超聲波傳感器的帶式輸送機煙絲瞬時流量監測系統的設計

周愛民 葉飛 施旭東 趙培成

摘? 要：文章提出了一種基于超聲波的帶式輸送機煙絲瞬時流量監測系統設計方案。該方案通過超聲波測距技術獲取輸送帶上煙絲高度數據，完成對煙絲堆積截面輪廓邊界的擬合，后將堆積截面近似轉化為多邊形，再利用相應公式計算多邊形的面積即可得出煙絲近似堆積截面積。結合速度編碼器獲取的輸送帶速度數據和煙絲標準物理參數，最終得出帶式輸送機上煙絲瞬時流量，可為煙草制絲帶式輸送機防堵料智能預警技術提供實時、準確的數據來源。

關鍵詞：帶式輸送機;煙絲流量監測;多點超聲測距;防堵料智能預警

中圖分類號：TP277? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）03-0149-04

Design of Instantaneous Flow Monitoring System for Cut Tobacco Belt Conveyor Based on Ultrasonic Sensor

ZHOU Aimin， YE Fei， SHI Xudong， ZHAO Peicheng

（Yunnan Hongta Group Yuxi Cigarette Factory， Yuxi? 653100， China）

Abstract： This paper proposes a kind of instantaneous flow monitoring system design scheme for belt conveyor based on ultrasonic sensor. The scheme obtains the height data of cut tobacco on belt conveyor by ultrasonic ranging technology， completes the fitting of cut tobacco accumulation section profile boundary， and converts the accumulation section to polygon approximatively， then calculates the area of the polygon by using corresponding formula and the approximate area of cut tobacco accumulation section is obtained. Combined with the belt conveyor speed data and cut tobacco standard physical parameters obtained by the speed encoder， it gets the instantaneous flow of the cut tobacco on the belt conveyor finally. It can provide real-time and accurate data source for the intelligent early warning against blocking material technology of cut tobacco belt conveyor.

Keywords： belt conveyor; cut tobacco flow monitoring; multi-point ultrasonic ranging; intelligent early warning against blocking material

0? 引? 言

帶式輸送機是主流制絲設備，其結構如圖1所示。主要由機架、輸送皮帶、主動輥、從動輥、張緊裝置等組成[1]。輸送皮帶安裝在分置兩端的主動輥和從動輥上，通過調整適度張緊后皮帶會對輥筒產生一個正壓力并形成摩擦力，隨后主動輥帶動輸送皮帶一起做同向運動。皮帶載物表面上的煙絲進而通過與皮帶之間產生的靜摩擦力進行輸送。帶式輸送機具有諸多優點，一方面其安裝靈活、輸送量大，易實現自動化生產和集中控制[2];同時結構相對簡單、維護保養便利，在煙草生產中得到了廣泛的應用。

目前制絲線煙絲瞬時流量監測通常采用電子皮帶秤等接觸方式測量[3]，測量精度易受煙絲松散不到位、振篩分布不均勻等因素影響。制絲電子皮帶秤體積較大且機械安裝復雜，因此無法對帶式輸送機上運輸的煙絲進行實時流量測量。在煙絲進柜過程中，煙絲通過帶式輸送機輸送至落料口，但是由于煙絲的質地特點，一旦輸送裝置的輸送流量超過了落料口的落料流量極限，會造成因落料口煙絲堵塞而斷料停機的故障。若發生堵塞，煙絲會在較短時間內大量堆積，疏通難度大且疏通時間長，同時堵料疏通為人工作業，存在較大的人身安全隱患。堵料嚴重時會造成整條制絲線的停機斷料事故，嚴重影響了生產連續性和生產效率，并對制絲工藝質量產生極大危害。為保證生產進程的連續性和平穩性，保障設備的運行效率，煙絲瞬時流量成為制絲防堵料預警的重要指標。同時隨著帶式輸送機向大承載量、高輸送速度方向發展，采用實時連續、可靠精準的煙絲流量監測方法對降低帶式輸送機系統能耗、減少設備維護頻次、提高企業生產效率具有重要意義。

超聲波測距技術具有指向性好、測量精準、可靠性強、抗干擾性能優異等特點，可實現對被測物物理距離實時、連續地測量。由于其為非接觸式測量，且受煙絲表面特性和灰塵阻擋影響小，使之特別適合制絲線現場暗光、多灰、高濕環境使用。根據帶式輸送機煙絲瞬時流量測量精度要求并結合制絲線工藝質量指標，本文設計了一種基于超聲波的帶式輸送機煙絲流量監測系統。PLC通過采集超聲波傳感器獲得的煙絲高度數據實現對煙絲堆積截面輪廓邊界的擬合，后利用煙絲流量監測算法計算出帶式輸送機煙絲堆積截面積，并結合速度編碼器獲得的輸送帶運行速度數據等參數最終得到煙絲瞬時流量。該系統具有測量準確度高、抗干擾能力強、結構簡單、保養維護容易等優點，可為制絲帶式輸送機防堵料智能預警技術提供實時、準確的數據來源。

1? 系統組成與工作過程

1.1? 系統組成

基于超聲波的帶式輸送機煙絲流量監測系統由傳感器單元、本地控制單元、網絡傳輸單元、上位機單元4個部分組成，同時與驅動器單元及外部控制單元進行信息傳遞，如圖2所示。傳感器單元主要由負責采集輸送帶上煙絲高度數據的超聲波傳感器和負責采集輸送帶運行速度數據的速度編碼器構成。PLC處理單元用于接收傳感器采集的數據，并對數據進行擬合運算。網絡傳輸單元負責將各單元信號進行交互傳遞，實現信號傳輸。上位機單元可實現PLC處理單元的信號輸出，如將煙絲瞬時流量、輸送帶運行速度等信息進行可視化顯示輸出，方便操作人員判讀。

1.2? 工作過程

在帶式輸送機上方垂直安裝基于超聲波傳感器的煙絲高度監測裝置，同時根據輸送帶上安裝的速度編碼器實時獲取電機的轉速并傳輸至PLC。最后PLC根據采集到的煙絲動態高度數據和輸送帶速度數據進行擬合處理，結合超聲波傳感器安裝高度、輸送帶上煙絲寬度、不同牌號煙絲密度等參數，計算出實時煙絲瞬時流量并通過網絡傳輸單元傳送到上位機，實現實時煙絲瞬時流量的可視化顯示輸出及系統后臺數據的收集記錄。整體監測系統流程如圖3所示。

2? 煙絲流量的監測原理和數學模型

2.1? 煙絲高度測量原理

超聲波傳感器垂直安裝于輸送帶上方高度為H處，如圖4所示。超聲波探頭向輸送帶上煙絲發射一束超聲波脈沖信號，脈沖與煙絲表面接觸并被其反射，反射回來的信號由探頭重新接收，PLC記錄該過程所經歷時間并結合已知的超聲波傳播速度可得到被測煙絲的距離h。

2.2? 基于多點超聲波的煙絲瞬時流量計算數學模型

輸送帶煙絲瞬時流量監測原理是利用超聲波測量煙絲高度，并對測量點進行坐標化處理，然后將煙絲堆積截面輪廓邊界擬合，進而通過數學模型推算堆積截面積，最終結合參數算出煙絲流量。因此求解堆積截面積就是數學模型的關鍵所在，本文提出一種基于多點超聲波的煙絲瞬時流量計算數學模型。該模型的優點是有效解決了圖4所示單點超聲測量方式在煙絲松散不到位或振篩分布不均情況下測量誤差較大的問題。

首先在帶式輸送機上方垂直安裝3個超聲波傳感器，傳感器在支架上等間距布置，如圖5所示。設超聲波傳感器間距為d，支架高度為H，間距d需根據振篩后煙絲實際分布情況確定。隨后對測量點進行坐標化處理，將輸送帶上方安裝的中間傳感器位置定為坐標原點并以此建立坐標系，其中橫向為x軸，豎向為y軸。設輸送帶上方3個傳感器的測量值分別為h1，h2，h3，則圖中A，B，C三點坐標分別為（-d，h1），（0，h2），（d，h3）。由于輸送帶上煙絲均來自前端同一設備，所以相同牌號煙絲在輸送帶上分布寬度可近似看作相等，此寬度可通過多批次實際生產測量確定，設實際煙絲分布寬度為2L。則煙絲堆積截面下底與輸送帶截面接觸點D，E，F坐標也可確定，分別為（-L，H），（0，H），（L，H）。所有測量點坐標化處理后，即可進行煙絲堆積截面積運算。

不同的煙絲堆積形態會導致測點A，B，C坐標變化，輸送帶中間煙絲會在前端振槽振篩和重力的雙重作用下向兩側運動，呈現出中間高兩側低的形態，經過實際觀測可近似看作半圓弧形。易知煙絲上表面測點A與下表面D點坐標不同，同理測點B與下表面E點、測點C與下表面F點均為不同坐標點。煙絲堆積截面積算法如圖6所示。

將物料截面近似成一個多邊形，測點A，B，C，D，E，F為該多邊形的6個頂點。按如圖所示方法將頂點相連后多邊形被劃分成4個三角形，即左右兩個斜三角形和中間兩個直角三角形。將每個三角形的頂點坐標代入長度公式可得三角形任意邊長為：

（1）

其中（x1，y1），（x2，y2）為任意邊兩端點坐標。左右兩個斜三角形各自的面積S1可以根據海倫公式分別求解為：

（2）

其中D1，D2，D3分別為同一個三角形中三邊的邊長，P為該三角形半周長。中間兩個直角三角形的面積和可視為一個大直角三角形進行計算，大直角三角形面積S2為：

（3）

其中2L為煙絲分布寬度，H為超聲波傳感器安裝高度，h2為中間超聲波傳感器的反饋值。最后將3個三角形的面積求和即為多邊形的面積，左右兩個斜三角形各自的面積近似看作相等，多邊形的面積近似為煙絲的堆積截面積S。

S=2S1+S2（4）

輸送帶上煙絲的流量是單位時間內通過某堆積截面的質量，即煙絲的密度乘以單位時間內通過該堆積截面的煙絲的體積：

Q=V ·ρ（5）

式中Q為輸送帶上煙絲的瞬時流量，V為單位時間內通過該堆積截面的煙絲的體積，ρ為同牌號煙絲的密度，可通過查閱工藝手冊獲得。

前文中提到不同的煙絲堆積形態會導致測點A，B，C坐標變化，從而得到不同的S值。因此在計算瞬時流量Q時需要將超聲波傳感器每次發射到接收脈沖視為一個時間為Δt的測量周期，由于單周期脈沖很快例如可達100 ms/次，因此在很短的Δt時間內可將該煙絲堆積截面形態和面積視為不變，并隨輸送帶以勻速VΔt向前移動一段距離如圖7所示。

該距離為Δt · k1 · n，其中k1為皮帶轉速與電機轉速的比值，n為電機轉速，通過速度編碼器實時獲得，因此體積VΔt即為：

VΔt=S · Δt · k1 · n? （6）

帶入式（4）中可得該脈沖周期內輸送帶上煙絲瞬時流量為：

（7）

其中f為超聲波傳感器工作頻率，通過說明書可以查到，其與單脈沖測量時間Δt互為倒數。考慮到煙絲物料的蓬松性，修正后煙絲瞬時流量為：

（8）

其中k2為修正系數。對煙絲的瞬時流量在時間上進行0到t的積分運算后就可以得到累計流量：

（9）

3? 控制單元設計

控制單元采用西門子S7系列PLC控制系統，PLC將超聲波傳感器和速度編碼器的輸入值進行計算，以超聲波傳感器輸入值處理為例。超聲波傳感器通過4～20 mA電流信號傳送到PLC的模擬量輸入模塊，PLC將輸入信號由整數INT型轉為雙整數DINT型，再由雙整數DINT型轉為浮點數REAL型，根據超聲波傳感器最小輸入信號21 696.0對應0 mm的高度，最大輸入信號27 600.0對應350 mm，進行線性換算后就可以得到超聲波傳感器檢測到的高度值。

得到超聲波高度和電機轉速后，結合超聲波傳感器安裝高度、輸送帶上煙絲寬度、不同牌號煙絲密度等參數經過計算后得到帶式輸送機上物料的瞬時流量。

4? 網絡傳輸單元設計

網絡傳輸單元主要實現兩個功能，一是實現本地控制單元與上位機單元的信息傳遞，二是實現本地控制單元與外部控制單元的信息傳遞。目前工業底層設備的通訊主要有現場總線和工業以太網兩種。現場總線包括Profibus、Modbus RTU、CC-Link、CAN等，一般采用RS485接口，線型拓撲結構，具有成本低、布線少、速率低、抗干擾能力弱等優缺點。工業以太網包括Profinet、Modbus TCP、CC-link IE、EtherCAT等，一般采用RJ45接口，可以靈活使用線型、環型、星形不同的拓撲結構，具有速率高、抗干擾能力強、成本高、布線多等優缺點。目前車間大部分控制器均為西門子系列的1500、1200和400，項目的本地控制器不僅需要跟上位機單元進行信息傳遞，而且需要跟外部控制器進行信息傳遞。同時考慮到隨著智能制造和工業4.0戰略方針的開展，在綜合可靠性、兼容性、實時性、適應性、拓展性等多方面因素后選擇了工業以太網中的Profinet作為通訊方式，選擇了星型作為網絡拓撲結構。

5? 上位機單元設計

上位機使用西門子公司的WinCC軟件來設計，對應的變量名稱為YX12T_ZS4_DB199_DBD96，變量地址為DB199.DBD96，連接的PLC為YX12T_ZS4，IP地址為10.96.126.46，機架號為0，插槽號為3。在圖形編輯器里面建立一個IO域，將變量的DisplayValue動態屬性連接相應的變量，更新周期設置為有變化時。

6? 結? 論

本文提出了一種基于超聲波的帶式輸送機煙絲瞬時流量監測系統設計方案。該方案通過超聲波測距技術獲取輸送帶上煙絲高度數據，完成對煙絲堆積截面輪廓邊界的擬合，后將堆積截面近似轉化為多邊形，再利用相應公式計算多邊形的面積即可得出煙絲近似堆積截面積，再結合速度編碼器獲取的輸送帶速度數據和煙絲標準物理參數，最終得出帶式輸送機上煙絲瞬時流量。與單點超聲測距技術相比[4]，該煙絲流量監測方法具有更小的測量誤差。該系統測量精度高、適應性好、抗干擾能力強且具有較高的可靠性，可為煙草制絲帶式輸送機防堵料智能預警技術提供實時、準確的數據來源。

參考文獻：

[1] 《煙機設備修理工專業知識》編寫組.煙機設備修理工（制絲）專業知識上冊 [M].鄭州：河南科學技術出版社，2013.

[2] 陳湘源.基于超聲波的帶式輸送機多點煤流量監測系統設計 [J].工礦自動化，2017，43（2）：75-78.

[3] 曾飛，吳青，初秀民，等.帶式輸送機物料瞬時流量激光測量方法 [J].湖南大學學報（自然科學版），2015，42（2）：40-47.

[4] 張麗.一種帶式輸送機物料流量多點超聲檢測方法 [J].工礦自動化，2017，43（5）：62-65.

作者簡介：周愛民（1977.01—），男，漢族，云南玉溪人，技師，技術員，本科，研究方向：煙草制絲。