基于液壓感知的帶式輸送機煤流量檢測系統(tǒng)

張萬辰，王昊，喬士睿，張涵博，張瑾，王義凡，何嘉怡

（天津工業(yè)大學(xué)，天津，300387）

0 引言

帶式運輸機[1~3]是一種靠摩擦驅(qū)動以連續(xù)方式輸送物料的機械裝置，具有運量大、運距遠、效率高、運費低等優(yōu)點，作為連續(xù)運輸機械已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤炭、礦山、港口、電力、化工、冶金、糧食、造紙等行業(yè)，和汽車火車一起成為三大主力工業(yè)運輸工具。在煤炭開采過程中，帶式輸送機承擔(dān)著地面和井下煤炭的運輸，具有著不可替代的作用。帶式輸送機主要由防爆電機驅(qū)動，大中型礦井帶式輸送機運輸能力達到2000 ～5000 噸/小時，運輸距離達到5000 ～10000 米，年運輸量達到500 萬～1500 萬噸，功率根據(jù)輸送機長度在幾十千瓦到上萬千瓦，耗電量巨大。除此之外，中國輸送機行業(yè)市場規(guī)模在逐年上升，預(yù)計2023 年可達530 億元。

由于中國輸送機行業(yè)市場規(guī)模大、帶式輸送機的能耗大，解決帶式輸送機的節(jié)能降耗問題迫在眉睫。目前，降低帶式輸送機能耗主要是通過降低帶式輸送機主電阻的方式來實現(xiàn)，但無法大限度減少能源消耗。為了減少運輸消耗能源，基于物料流量檢測的帶式輸送機自動調(diào)速控制系統(tǒng)是達到這一目的最優(yōu)方法，但由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣、檢測手段效率低、技術(shù)不成熟或解決方案的性價比低等諸多因素，現(xiàn)有的非接觸式物料流量檢測方式難以準(zhǔn)確、實時、穩(wěn)定、簡便地進行測量。因此，為了降低輸送機機械行業(yè)的能源消耗水平，增加行業(yè)利潤，獲得關(guān)于物料流量檢測的精確數(shù)據(jù)，進一步優(yōu)化帶式輸送機上的物料流量檢測方法具有重大意義。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

該系統(tǒng)以STM32 芯片和W5500 芯片為基礎(chǔ)，主要由光電編碼器、液壓缸、壓力傳感器、采集處理板等構(gòu)成。利用液壓缸和壓力傳感器測量得到傳送帶上的物料負載量，負載數(shù)據(jù)通過采集處理板進行處理和傳送，利用光電編碼器測量傳送帶帶速，并根據(jù)模型計算得到傳送帶上的物料流量?；谝簤焊兄膸捷斔蜋C物料流量檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r檢測到帶式輸送機上的物料流量，最后可通過以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)實現(xiàn)遠程檢測物料流量信息，具有實時性強、測量數(shù)據(jù)精確、系統(tǒng)可靠、便利等優(yōu)點，可實現(xiàn)現(xiàn)場可視化展示和遠程檢測的物料流量檢測。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機煤流量檢測系統(tǒng)設(shè)計

基于液壓感知的帶式輸送機煤流量實時檢測系統(tǒng)中，托輥支架8 和托輥9 構(gòu)成的托輥組支撐起輸送帶，托輥組下為四個液壓缸和壓力傳感器7。物料通過輸送帶3 對托輥9 施加壓力，利用液壓缸和壓力傳感器7 對托輥組所受壓力進行測量，然后液壓缸和壓力傳感器7 輸出的信號進入信號調(diào)理板4 從而實現(xiàn)壓力信號的跟隨。光電編碼器2 附在傳送帶的傳動軸側(cè)面，其圓心與傳動軸的圓心重合，傳動軸的轉(zhuǎn)動速度以及轉(zhuǎn)動方向通過光電編碼器的脈沖信號表示。嵌入式處理器5 主要由STM32 芯片以及W5500 芯片組成，來自信號調(diào)理板4 的壓力信號和光電編碼器2 的脈沖信號通過輸入嵌入式處理板5 從而完成信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換和通信的功能，首先STM32 芯片將信號調(diào)理板4 傳來的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并通過SPI 通信的方式將IP 地址、壓力信號與脈沖信號傳送給W5500 芯片，然后嵌入式處理器5會將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理終端6。數(shù)據(jù)處理終端6 為一嵌入式處理器，數(shù)據(jù)處理終端通過提前置入的由有限元分析得到的輸送帶上的載荷量計算模型，將傳輸來的數(shù)據(jù)代入模型后可以得到實時的物料流量。其示意圖如圖2 所示。

圖2 帶式輸送機煤流量檢測系統(tǒng)示意圖

圖3 系統(tǒng)的硬件框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

■2.1 主控模塊

STM32 單片機為整個硬件系統(tǒng)的信號處理中心，傳遞樞紐。在本項目中，STM32 單片機主板搭載一個STM32F405RGT6 芯片、一個W5500 芯片，以及相應(yīng)的電路元件。Stm32F405RGT6 芯片具有以下功能：

（1）擁有高達168MHz的工作頻率，處理數(shù)據(jù)及時迅速。

（2）有高達1MB 的閃存，以及高達192+4KB 的SRAM，其中還包括64KB 的核心耦合存儲器數(shù)據(jù)內(nèi)存。

（3）擁有靈活的靜態(tài)內(nèi)存控制器，可以支持緊湊型閃存、SRAM，PSRAM、NOR 和NAND 存儲器。

（4）擁有多達140 個具有中斷功能的I/O 端口，引腳安排的空間富裕。

（5）擁有3 個高性能SPI 數(shù)據(jù)傳輸速度可達42 Mbit/s，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝c準(zhǔn)確。

主控板上的另一個芯片W5500 具有以下功能：

（1）擁有8 個獨立的硬件Socket，可以保證各路通信互不干擾。

（2）擁有最高可達80MHz 的SPI 高速串行外設(shè)接口，可以迅速地接收來自STM32 芯片發(fā)來的數(shù)據(jù)。

（3）工作耗能較低，大幅度地節(jié)約了對于電能的消耗。

■2.2 液壓測量模塊

本系統(tǒng)中的液壓傳感器是由一個普通的壓力變送器[4]配合CXHC 立式薄型油缸[5]組合而成，托輥傳來的壓力會轉(zhuǎn)變?yōu)橛透字袡C油的液壓， 通 過對液壓數(shù)據(jù)的處理便可推算出壓力的大小。壓力傳感器模型圖如圖4 所示。

圖4 壓力傳感器模型圖

壓力傳感器[6]迎液面與液壓缸中的機油接觸時，會按照一定的公式將壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，并最終將其輸出給信號處理模塊以供后續(xù)處理。

■2.3 信號處理模塊

信號處理模塊由信號調(diào)理板構(gòu)成。信號調(diào)理板的核心是一個由幾組由放大運算器構(gòu)成的電壓跟隨器。由于原信號中阻抗較高，產(chǎn)生由于后續(xù)電路電阻變化導(dǎo)致信號波動的情況，為了更準(zhǔn)確地測量出壓力數(shù)據(jù)，使用一個電壓跟隨器來降低輸入信號的阻抗，增強信號的驅(qū)動能力。電壓跟隨器每一個信號調(diào)理板有四個傳感器輸入接口、四個信號輸出接口、兩個LM358 芯片以及相應(yīng)的電阻和電容，用來接收來自壓力傳感器的信號，并除去其中的阻抗，發(fā)送給STM32。

■2.4 帶速測量模塊

帶速測量模塊主要由光電編碼器構(gòu)成。光電編碼器[7]會被安裝在傳送帶的轉(zhuǎn)軸上，以此來測量傳送帶的運輸速度以及方向，編碼相關(guān)信息會發(fā)送給STM32 單片機。本系統(tǒng)使用增量式光電編碼器，通過測量出傳送軸的旋轉(zhuǎn)信息來測量皮帶轉(zhuǎn)動軸的旋轉(zhuǎn)信息。

光電編碼器的工作原理是當(dāng)主碼盤上的不透明區(qū)與鑒向盤上的透明窄縫對齊時，光線無法照射到光電變換器，光電變換器產(chǎn)生的電壓最低；當(dāng)主碼盤上的透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時，光線完全照射到光電變換器，光電變換器輸出電壓最高。主碼盤每轉(zhuǎn)過一個刻線周期，光電變換器將輸出一個近似的正弦波電壓，光敏元件可根據(jù)電位變換情況產(chǎn)生脈沖信號，然后根據(jù)相位差便可計算出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。

■2.5 數(shù)據(jù)通信模塊

STM32 單片機負責(zé)接收來自信號調(diào)理板和光電編碼器的信號，并將來自信號調(diào)理板的數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)化，隨后將轉(zhuǎn)化過后的壓力信號以及來自光電編碼器的脈沖信號借由W5500 芯片的處理后通過以太網(wǎng)口發(fā)送給上位機。

STM32 芯片與W5500 的芯片通信主要由SPI 的方式進行。SPI 是一種高速、全雙工的并且同步的通信總線，僅需要四根引腳就可以實現(xiàn)功能，大幅節(jié)省了對管腳的占用情況。SPI 具有支持全雙工通信、通信簡單以及數(shù)據(jù)傳輸速率快等優(yōu)點，非常適合應(yīng)用于本項目。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

■3.1 偏最小二乘法擬合

考慮到在擬合壓力和液壓采集數(shù)據(jù)的時候，會存在多重相關(guān)性，且采集到的樣本數(shù)據(jù)較少的情況，而偏最小二乘法在建立回歸的過程中，既考慮了盡量提取Y 和X 中的主成分，又考慮了使分別從X 和Y 提取出的主成分之間的相關(guān)性最大化，因此本系統(tǒng)采用偏最小二乘回歸對壓力和液壓采集數(shù)據(jù)進行擬合。

偏最小二乘回歸是一種多因變量對多自變量的回歸建模方法，是建立在自變量與因變量矩陣基礎(chǔ)上的雙線性模型。該方法主要采用主成分提取方法，并且使用典型相關(guān)分析提取兩組變量的典型成分，要求自變量對因變量有很強的解釋能力。

偏最小二乘模型公式如下：

■3.2 STM32 單片機的軟件設(shè)計

本項目主控部分的軟件設(shè)計主要圍繞信號的接收處理、以太網(wǎng)通信的建立以及數(shù)據(jù)的發(fā)送三個方面展開。其流程圖如圖5 所示。

圖5 STM32 單片機的軟件設(shè)計流程圖

首先，對于壓力信號，由信號調(diào)理板處理好的信號傳入STM32 芯片中的若干adc 通道。由于調(diào)理板傳來的信號為模擬信號，而后續(xù)輸送數(shù)據(jù)需要的是數(shù)字信號，所以使用STM32 芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，將信號調(diào)理板傳來的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，比較重要的兩個步驟為抽樣和量化。對于抽樣，根據(jù)抽樣定理，要確保抽樣頻率不小于信號最高頻率的兩倍。抽樣后，要對信號進行量化，在本實驗中，使用8 位精度對信號進行量化，相應(yīng)的，可以得到分辨率：

確定好分辨率后，采用只舍不入的方式對信號進行量化，對于某一時刻的信號v，若滿足：

則將該信號的值量化為Vmin+n?。將此時的n 轉(zhuǎn)化二進制即得到該信號的數(shù)字表示。而對于轉(zhuǎn)速信號，由于光電傳感器本身輸出的就是數(shù)字信號，只需在GPIO 口接收到信號后將其存儲到寄存器中。

之后便是以太網(wǎng)[8]通信的建立。正如前文所提，由于STM32 芯片與W5500 芯片的通信協(xié)議采用的是SPI 通信[9]協(xié)議，因此首先要配置SPI 相關(guān)寄存器。以此來確定SPI 工作時諸如傳輸速率等方面的特性。配置好SPI 后，對W5500 芯片進行初始化配置，設(shè)置好Socket 的發(fā)送和接收緩沖大小，隨后配置硬件PHY，如工作頻率，速率等。隨后配置好W5500 的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)信息，如網(wǎng)關(guān)、IP 地址等。在通信網(wǎng)絡(luò)建立好后，便可以使用數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)，將存儲在寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

4 系統(tǒng)的實現(xiàn)

該項目用 Proteus 繪制該智能系統(tǒng)的電路原理圖，在Keil 軟件[10]進行相關(guān)程序的測試，從而確定系統(tǒng)的各項功能。

控制系統(tǒng)功能是：在電源接通的后，液壓感知信號經(jīng)過信號調(diào)理板并除去其中的阻抗后發(fā)送給Stm32 芯片和W5500 芯片。而后單片機處理所得數(shù)據(jù)，并根據(jù)模型計算得到煤流量數(shù)據(jù)。然后將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸至上位機，將煤流量數(shù)據(jù)顯示在上位機平臺。具體煤流量計算公式如下：

其中，Q 是t1、t2時間段內(nèi)運輸煤的總量；W是將液壓數(shù)據(jù)帶入有限元模型計算出的傳送帶上經(jīng)過煤的重量；V是通過光電編碼器測量的帶速值，S為最終計算出的煤流量。

5 實驗結(jié)果

在本項目中，為了探究載物重量與壓力傳感器傳出信號的關(guān)系，需要找到相關(guān)的函數(shù)表達式。一系列已知重量的物品放到壓力傳感器上，記錄下對應(yīng)的輸出信號。以輸出壓力為自變量，實際重量為因變量，得到的數(shù)據(jù)如表1 所示。根據(jù)偏最小二乘擬合法得到了壓力信號與載物實際重量的轉(zhuǎn)化關(guān)系：

表1 輸出電壓值與重量的對應(yīng)關(guān)系

為進一步檢測本實驗的準(zhǔn)確性，將重量、帶速以及流量等方面的計算數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)進行比較，得到了表2 的結(jié)果。

表2 測算值與實際值的對比

綜合幾組數(shù)據(jù)的誤差結(jié)果，通過計算可以得到平均誤差率為3.22%，即準(zhǔn)確率可以達到90%以上。

6 結(jié)束語

本文從系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)入手，介紹了基于液壓感知的帶式輸送機煤流量實時檢測系統(tǒng)。帶式運輸機是一種靠摩擦驅(qū)動以連續(xù)方式輸送物料的機械裝置，具有不可替代的作用，本項目利用交叉學(xué)科的優(yōu)勢，綜合機械制圖技術(shù)、計算機科學(xué)、單片機技術(shù)、有限元分析、UI 設(shè)計、上位機開發(fā)技術(shù)、高速無線通信技術(shù)，為解決物料流量精準(zhǔn)接觸式檢測和可視化問題提供實踐和理論參考。本項目采用有限元分析的方法，最終的測算準(zhǔn)確度可達到90%，大大提高了物料流量檢測的精確性。同時系統(tǒng)的整體設(shè)計提高了測算過程實時性、可靠性和便利程度，大幅度降低物料輸送能耗，為能源技術(shù)在煤炭開采方面的革命創(chuàng)新提供新的思路，是對國家提倡的智慧礦山提供有效響應(yīng)。并且本項目采用接觸式測量，可靠性強、受環(huán)境、噪聲影響較小，可對本項目進行大范圍、多行業(yè)的普及、推廣。