張 賢，紀(jì)佳玉，季念存

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化環(huán)學(xué)院，北京100083）

在選煤廠生產(chǎn)過程中，原煤倉起著儲(chǔ)煤和均衡輸煤的用途。煤倉料位是保證選煤廠連續(xù)生產(chǎn)、設(shè)備安全以及產(chǎn)量計(jì)量的重要參數(shù)。依靠監(jiān)測原煤倉的料位，可以對進(jìn)入洗選的原煤量監(jiān)測和控制，反饋給整個(gè)選煤流程控制系統(tǒng)，從而對后續(xù)生產(chǎn)流程進(jìn)行控制，真正實(shí)現(xiàn)了控制一體化。因此如何去準(zhǔn)確監(jiān)測煤倉料位是必須要去解決的問題。

原煤倉料位測量的正確性和可靠性直接影響到選煤廠的正常生產(chǎn)和工作，準(zhǔn)確測量倉內(nèi)料位在現(xiàn)代化選煤廠生產(chǎn)自動(dòng)化過程中具有重要的作用。由于煤倉內(nèi)部粉塵濃度高、易黏著，倉內(nèi)環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，因此倉內(nèi)料位測量有很高的要求。傳統(tǒng)的人工拉繩測量方法是最可靠、穩(wěn)定的，但是隨著選煤廠的自動(dòng)化發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日新月異，為了有效提高選煤廠的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，對生產(chǎn)技術(shù)要求不斷提高，并且現(xiàn)場操作環(huán)境復(fù)雜，人工測量方式已經(jīng)不適用于生產(chǎn)現(xiàn)場。

近年來，隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國選煤行業(yè)逐漸趨向于自動(dòng)化和智能化發(fā)展，對儀表檢測要求也越來越高，各種煤位測量料位計(jì)也高速發(fā)展，主要分為接觸式和非接觸式2類。接觸式料位計(jì)包括重錘式料位計(jì)、電容式料位計(jì)和壓力感應(yīng)式等，非接觸式料位計(jì)包括超聲波料位計(jì)、雷達(dá)料位計(jì)、放射性料位計(jì)、圖像處理和激光技術(shù)等。以上幾種料位計(jì)都是傳統(tǒng)式的，存在一定的缺陷。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，目前市面上出現(xiàn)一種新型的3D料位計(jì)，實(shí)現(xiàn)了倉內(nèi)料位的多點(diǎn)測量，可以在上位機(jī)顯示倉內(nèi)料位的三維圖像，方便工作人員調(diào)度工作。

1 接觸式料位計(jì)概述

1.1 重錘式料位計(jì)

重錘式料位計(jì)是以重錘測距為核心的測量料位方式，利用重錘下落的高度獲取煤倉的料位數(shù)據(jù)。具體工作流程為料位探測過程中由控制器發(fā)出的信號(hào)來控制，當(dāng)傳感器接到監(jiān)測命令時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，使得鋼絲繩下放，重錘向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)重錘落到料面上時(shí)，被料面托起，鋼絲繩受力發(fā)生變化，由緊繃變?yōu)樗沙?，傳感器發(fā)生信號(hào)變化，控制器接收到信號(hào)后控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，重錘上升被拉到倉頂完成一次監(jiān)測過程，計(jì)算出鋼絲繩下降的長度，從而得到料位高度[1]。但是重錘式料位計(jì)安裝復(fù)雜，并且重錘容易被埋，使用要求較高。

1.2 電容式料位計(jì)

電容式料位計(jì)依靠兩極板之間介電常數(shù)的變化來監(jiān)測煤位。監(jiān)測方式為在原煤倉的倉壁左右兩邊對稱布置2個(gè)電極板，組成料位檢測傳感器[2]。當(dāng)煤倉中出料或進(jìn)料時(shí)，隨著兩極板之間的煤位變化，從而導(dǎo)致電容大小發(fā)生變化，輸出變化信號(hào)，從而測量料位高度的變化。

1.3 壓力感應(yīng)式

劉淑婷等[3]提出了在煤倉倉壁上安裝壓力應(yīng)變片，作為料位檢測傳感器。當(dāng)倉內(nèi)料位變化時(shí)，依靠壓力應(yīng)變片的受力變化得出料位高度。此方法需在整個(gè)倉壁上安裝一排壓力應(yīng)變片，安裝難度大，且磨損很大。

2 非接觸式料位計(jì)概述

2.1 超聲波料位計(jì)

超聲波是一種特殊的聲波，反射能力強(qiáng)。郎永平[4]提出了一種超聲波料位計(jì)。工作原理是發(fā)射信號(hào)遇到障礙物反射回波被接收，計(jì)算出從發(fā)射到接收的時(shí)間，待測結(jié)果和所耗時(shí)間成正比，從而得出了要監(jiān)測的料位高度，超聲波料位計(jì)的量程在0～60 m，其原理如圖1所示。超聲波對測量環(huán)境有著較高的要求，當(dāng)煤倉中粉塵濃度較高時(shí)，超聲波會(huì)被吸收，導(dǎo)致測量信號(hào)衰減，并且溫度對于聲速的影響較大。因此在使用超聲波料位計(jì)時(shí)，要消除這些因素的影響，提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 超聲波料位計(jì)測量原理圖

2.2 雷達(dá)料位計(jì)

雷達(dá)波是一種特殊形式的電磁波，傳播速度與光速相當(dāng)，差別在于它們各自的頻率和波長不同。雷達(dá)料位計(jì)的測量原理就是向料面通過發(fā)射天線發(fā)射信號(hào)，返回的信號(hào)被發(fā)射天線接收，經(jīng)過信號(hào)處理器處理后，通過計(jì)算發(fā)射與接收信號(hào)之間的時(shí)間差，因電磁波以光速傳播，從而換算得到煤倉中物料的高度。雷達(dá)料位計(jì)測量信號(hào)不受空氣波動(dòng)影響，穿透能力強(qiáng)，適合在煤倉等粉塵濃度較大的環(huán)境下使用[5]。

2.3 激光料位計(jì)

激光料位計(jì)的測量方法為激光脈沖飛行方式。工作原理類似于超聲波和雷達(dá)測距，向倉內(nèi)物料表面發(fā)射連續(xù)或高速脈沖束阻擋后被反射回來，被處理器接收，激光脈沖的運(yùn)動(dòng)時(shí)間與探頭到物體表面的距離成正比，時(shí)間越長，距離越大，經(jīng)過信號(hào)處理，得出料位的高度[6]。激光料位計(jì)發(fā)出的脈沖很強(qiáng)、很窄，因此測量結(jié)果精確，不受倉內(nèi)惡劣環(huán)境的影響。但是激光式料位計(jì)價(jià)格昂貴，安裝成本高。

2.4 放射性料位計(jì)

放射性料位計(jì)監(jiān)測原理是射線穿過倉內(nèi)煤樣時(shí)，會(huì)被煤樣吸收導(dǎo)致強(qiáng)度發(fā)生衰減，另一端的接收器通過接收到的信號(hào)強(qiáng)度來分析穿過被測物體的吸收率，從而計(jì)算出煤倉的料位高度，其原理如圖2所示。放射性料位計(jì)由于內(nèi)含放射性元素，對現(xiàn)場工作人員身體有傷害，對于現(xiàn)場來說比較難于管理，不利于在現(xiàn)場推廣使用。

圖2 放射性料位計(jì)測量原理圖

2.5 圖像處理技術(shù)

圖像處理方式是通過攝像機(jī)采集到煤倉物料表面的圖像信息，經(jīng)過計(jì)算機(jī)專業(yè)的軟件算法對采集的圖像進(jìn)行圖像處理，得到一些料面圖片的特征參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出煤位的高度[7]。但是受倉內(nèi)環(huán)境的影響，對于采集圖像信息有著很大的難度，采集到的煤位圖像直接影響料位測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.6 新型3D料位計(jì)

3D料位計(jì)由3條天線發(fā)射低頻脈沖，向倉內(nèi)煤料表面進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)料面的料位監(jiān)測，不同于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方式。通過3條天線發(fā)射和接收信號(hào)，不僅測量回波的時(shí)間差和距離，并且還測量回波的方向。測量原理如下。

計(jì)算出料位計(jì)與反射點(diǎn)的距離，公式為：

式（1）中：L為料位計(jì)到被測點(diǎn)的距離；v為脈沖信號(hào)的傳播速度（雷達(dá)是光速）；t為脈沖信號(hào)的往返時(shí)間。

通過式（1）中計(jì)算所得的L，求出不同位置的距離，即：

式（2）中：x、y、z為被測點(diǎn)在煤倉中的實(shí)際位置；x0、y0、z0為3D料位計(jì)安裝的位置；L為料位計(jì)到被測點(diǎn)的距離。

通過煤倉的實(shí)際尺寸和料位計(jì)安裝的位置，建立三維坐標(biāo)系，料位計(jì)的位置是已經(jīng)確定的，x、y、z根據(jù)煤倉的尺寸大小確定其取值范圍，因?yàn)榘l(fā)射的脈沖具有良好的方向性，可以求出z值，計(jì)算出在不同z值下對應(yīng)的x、y值所形成的繪圖點(diǎn)[8]。通過信號(hào)的取樣分析，可以準(zhǔn)確監(jiān)測出物料的料位，能夠在上位機(jī)顯示出倉內(nèi)物料的三維圖像，可以直觀地看到倉內(nèi)的儲(chǔ)煤量，使得監(jiān)測更加直觀、準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)真正的可視化，使用戶能夠清楚地看到物料的實(shí)時(shí)情況，防止意外發(fā)生，排除安全隱患。目前，3D料位計(jì)已經(jīng)在選煤廠開始應(yīng)用。

3 各種料位計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

通過對上述幾種料位計(jì)的分析，接觸式料位計(jì)必須通過接觸物料來實(shí)現(xiàn)對料位的測量，接觸式料位計(jì)工作基本不受倉內(nèi)惡劣環(huán)境的影響，測量較準(zhǔn)確。但是接觸式料位計(jì)設(shè)備相對較復(fù)雜，安裝工程量大，由于工作時(shí)與煤料不停接觸摩擦，使得接觸式料位計(jì)機(jī)械磨損大、維護(hù)量高，不適合于長期使用。對于重錘料位計(jì)而言，長時(shí)間磨損可能會(huì)使得鋼絲繩斷裂，影響料位計(jì)的長期使用，并且電容式料位計(jì)容易受到環(huán)境的影響，測量誤差較大。

對比接觸式監(jiān)測，非接觸式料位計(jì)采用遠(yuǎn)程發(fā)送監(jiān)測信號(hào)來監(jiān)測料位高度，避免了監(jiān)測設(shè)備和煤料的接觸，降低設(shè)備的磨損，有利于設(shè)備長期工作，大大減小設(shè)備的維護(hù)。目前測量儀表都向智能化、集成化和小型化方向發(fā)展，使得安裝、維護(hù)更加方便[9]。但是接觸式料位計(jì)監(jiān)測容易受到倉內(nèi)惡劣環(huán)境的影響，倉內(nèi)的環(huán)境對信號(hào)有著較大的干擾，影響監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。對比上述介紹的幾種非接觸式料位計(jì)的監(jiān)測方式，都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。超聲波料位計(jì)發(fā)射的是超聲波信號(hào)，是一種聲波，在傳播過程中很容易受到干擾造成虛假反射，溫度太高時(shí)影響信號(hào)的發(fā)射，在應(yīng)用過程中受到一定的局限性?；趫D像處理技術(shù)來監(jiān)測料位時(shí)，由于倉內(nèi)光線不足，怎么去采集到有效的圖像信息，直接影響到監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。倉內(nèi)下料速度較慢，導(dǎo)致采集到的圖像信息可能會(huì)出現(xiàn)重復(fù)，處理起來難度很大，在現(xiàn)場運(yùn)用較少。雷達(dá)料位計(jì)是目前被廣泛應(yīng)用的監(jiān)測方式，因其測量信號(hào)不受空氣波動(dòng)影響，穿透能力強(qiáng)、信號(hào)衰減較小、測量距離較大，適合在倉內(nèi)惡劣環(huán)境下使用。常見料位計(jì)的性能比較如表1所示。

表1 常見料位監(jiān)測技術(shù)的性能比較

不管是接觸式料位計(jì)，還是超聲波、雷達(dá)、激光等監(jiān)測方式，都是傳統(tǒng)的單點(diǎn)式測量，只能測定一個(gè)點(diǎn)或者很小范圍的料位情況。但是煤倉內(nèi)部空間較大，原煤進(jìn)入煤倉后自然堆積，會(huì)出現(xiàn)“山峰狀”堆積，料面是不平的；在生產(chǎn)下料過程中，由于出料口大小的阻塞以及數(shù)量的影響，料面會(huì)形成一個(gè)或者多個(gè)凹陷。在這種情況下，使用傳統(tǒng)的單點(diǎn)式料位計(jì)，它所測得的結(jié)果不能代表整個(gè)煤倉內(nèi)料位高度，了解不到倉內(nèi)整個(gè)料面的情況[10]。如果料位監(jiān)測缺乏準(zhǔn)確性，會(huì)造成生產(chǎn)中發(fā)生事故，影響選煤廠安全管理。當(dāng)倉內(nèi)料位過低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)空倉情況，影響后續(xù)的選煤流程，并且倉內(nèi)給料時(shí)容易砸壞倉底的給煤機(jī)；當(dāng)料位超出上限時(shí)，會(huì)出現(xiàn)滿倉情況，和倉頂?shù)钠н\(yùn)輸機(jī)摩擦，會(huì)引起火災(zāi)，因此準(zhǔn)確監(jiān)測倉內(nèi)料位意義重大。

在這種傳統(tǒng)料位計(jì)的監(jiān)測基礎(chǔ)上，3D料位計(jì)被開發(fā)并投入使用，它是一款新型的料位監(jiān)測方式，具有良好的穿透性，并且它有自潔功能，可防止物料黏附在設(shè)備內(nèi)表面，適用于倉內(nèi)粉塵濃度大的環(huán)境。3D料位計(jì)在物料表面多點(diǎn)掃描后經(jīng)過計(jì)算機(jī)算法對接收信號(hào)處理后，在上位機(jī)顯示三維圖像，準(zhǔn)確直觀地反映物料進(jìn)出料情況，實(shí)現(xiàn)真正的可視化，讓現(xiàn)場工作人員隨時(shí)了解物料真實(shí)情況，杜絕事故發(fā)生，消除安全隱患。

4 總結(jié)

在實(shí)際生產(chǎn)中，準(zhǔn)確了解煤倉料位是確保整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)安全、高效的關(guān)鍵。準(zhǔn)確監(jiān)測料位在現(xiàn)代化選煤廠生產(chǎn)自動(dòng)化過程中具有重要的作用。通過對煤倉料位的監(jiān)測，在倉內(nèi)進(jìn)出料時(shí)料位超出上下極限位置進(jìn)行報(bào)警，防止出現(xiàn)空倉或滿倉情況對選煤廠正常工作受到影響。隨著3D料位計(jì)的出現(xiàn)，為用戶提供了在惡劣環(huán)境下料位、體積以及質(zhì)量測量的完美解決方案，使得料位監(jiān)測水平達(dá)到了新的高度，實(shí)現(xiàn)了對煤倉料位高度的自動(dòng)化控制。