自動礦砂解凍檢測分析系統設計與實現

周旭東 梁瀟

摘 ?要：冬天火車運輸礦砂、煤炭等散裝物料時，存在凍結的現象。判斷礦砂解凍程度就成了卸貨的關鍵，目前采用人工探桿穿插探查，這種探測方法存在工作效率低、準確率不高、勞動強度大等缺點。為此，文章開發了一套自動檢測分析系統，用計算機控制系統控制機械探桿按照設定好的程序刺探礦砂采集礦砂凍結數據，再用計算機分析系統將采集來的數據進行分析，最后用數據視圖將車輛中礦砂的凍結情況展示出來，從而判斷車輛是否達到卸貨標準。

關鍵詞：礦砂解凍;探桿;絲杠傳動;PLC;數據視圖

中圖分類號：TP311 ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）13-0151-04

Design and Implementation of Automatic Ore Thawing Detection and Analysis System

ZHOU Xudong， LIANG Xiao

（Xinjiang Railway Vocational and Technical College， Urumqi ?830011， China）

Abstract： There is a phenomenon of freezing when transporting bulk materials such as ore and coal by train in winter. Judging the thawing degree of ore has become the key to unloading. At present， manual probe rods are used for interpenetrating exploration. This detection method has some disadvantages， such as low efficiency， low accuracy， high labor intensity and so on. Therefore， this paper has developed a set of automatic detection and analysis system， which uses the computer control system to control the mechanical probe rod to probe the ore according to the set program， collect the ore freezing data， then use the computer analysis system to analyze the collected data， and finally display the ore freezing situation in the vehicle with the data view， so as to judge whether the vehicle meets the unloading standard.

Keywords： ore thawing; probe rod; lead screw drive; PLC; data view

0 ?引 ?言

在一些鋼鐵冶金、煤電企業都存在煤炭、礦砂等散裝物料運輸的問題，為了防止粉塵污染，一般在裝車的時候首要在散裝物料上噴撒一些水，在北方的冬天就存在散裝物料用火車運輸的過程中存在凍結的現象，當貨物運送到目的地卸車時就存在卸不下或卸不凈的問題，解決的辦法就是要把火車車輛拉運到解凍庫里解凍，根據貨物的解凍情況再決定是否將車輛拉出去卸貨。本項目研究的就是一款自動探測車輛中散裝物料解凍情況測量分析系統。通過本系統可以增加測量精度，提高效率，降低成本。

1 ?開發背景

在北方，冬天火車車輛裝運礦砂、煤炭等工業砂料時，工業砂料就會出現凍結的情況。到達目的地后，需將砂料解凍后進行卸料。常規方法是將車輛拉到解凍庫，停滯幾小時甚至幾十小時后才能將車輛拉出去卸貨，在解凍過程中必須測定車輛內砂料的解凍程度后，才能確定車輛拉出去卸料的時間，而這一過程往往通過人工用探桿穿插來完成的，這種探測方法存在工作效率低、準確率不高、勞動強度大等缺點，因此經常會出現因解凍不徹底造成的卸貨不干凈，或者因探測不準確而導致的解凍時間過長，延長了車間停放車輛的時間，降低了卸車效率，降低運輸效率，增加生產成本。自動砂料解凍檢測分析系統可以精確測量砂料的解凍情況和結凍情況提高生產效率，降低勞動強度，提高經濟效益。

2 ?系統介紹

2.1 ?系統組成

自動砂料解凍檢測系統是由檢測控制系統和執行機構組成，檢測控制系統又分為軟件系統和硬件系統。軟件系統是由控制檢測分析模塊的計算機軟件組成。硬件系統由計算機、PLC、變頻器、傳感器組成，硬件系統在執行機構上安裝了多個限位傳感器、超聲波位置傳感器，作為執行機構各部件位置信號的檢測元件。

經過前期測試驗證確定，機械執行機構是由一個四柱龍門架、X軸方向絲杠傳動部分、Y軸方向絲桿傳動部分、Z軸方向絲杠傳動探桿部分、三個三相異步電動機組成。三個三相異步電動機固定在龍門支架上，其操縱軌跡分為X軸、Y軸和Z軸，X軸電機和Y軸電機分別裝有一個超聲波傳感器和兩個限位傳感器，負責控制探桿裝置的水平位移，Z軸電機同樣裝有一個超聲波傳感器和兩個限位傳感器，負責控制探桿裝置的下降距離。Z軸探桿裝置示意圖如圖1所示。

2.2 ?系統動作過程

計算機作為上位機運行控制和測試分析軟件系統，它通過電纜與PLC連接，PLC作為下位機除接收計算機下發控制指令，同時還向計算機發送采集到的傳感器信號和探桿電機電流數據，PLC分別控制三臺變頻器，每個變頻器連接一臺三相異步電動機，每一臺電動機又分別驅動X、Y、Z軸方向的絲杠系統運動，從而控制探桿探測車輛中的礦砂。探桿傳感器測量探桿滑塊的位移，并把位移數據發送到計算機，計算機通過該數據判斷礦砂的解凍情況。

2.3 ?軟件的基本組成

軟件系統為Windows系統應用安裝程序，與可編程序控制器PLC進行串口通信，操作界面上設置初始化按鈕、急停按鈕、開始檢測按鈕、設備運行狀態顯示、設備故障報警、探測物料選擇、探測密度設置、車輛各縱斷面凍結曲線顯示、車輛各水平面凍結范圍顯示、車輛俯視凍結情況顯示（不同用顏色顯示凍結情況）、解凍率顯示等界面。

3 ?系統工作過程

當車輛在解凍車間里解凍一段時間后，解凍檢測分析系統開始工作，在操作人員發出開始檢測指令后，軟件系統會進行初始化，控制X軸，Y軸電機，將探桿裝置移動到坐標原點處。此時，操作人員在軟件界面上選擇檢測物料，系統將根據不同的物料設定探桿電機的電流值，該電流值與凍結的物料層的硬度成正比，具體電流值根據不同物料凍結的程度來測定，操作人員隨后設定檢測密度，系統將根據車輛水平面積的大小計算出需要探測的點數和每個點的坐標，然后，操作人員點擊開始檢測按鈕，X、Y軸絲杠傳動系統將探桿移動到系統計算好的位置，Z軸電機正轉，Z軸絲杠系統帶動探桿向下移動，探桿插入礦砂后，如果Z軸電機電流達到設定值時，電機停止，探桿位置傳感器將測量數據經PLC發送到計算機，系統將數據記錄后，計算機向PLC發出指令控制Z軸電機反轉，探桿上升，探桿上升到Z軸上限位傳感器時電機停止，X、Y軸絲杠傳動系統控制探桿移動到下一個探測點，探桿再次下探。當所有的探測點都探測完畢后，系統軟件將所有的探桿位移數據進行分析，分別繪制出車輛所有被測縱斷面凍結曲線圖、水平斷面凍結范圍圖、車輛俯視凍結分布圖、計算出整個車輛的解凍率。圖和數據都在計算機界面上顯示出來。

4 ?軟件設計

4.1 ?開發環境

本軟件采用4種編程語言跨線程交互設計，主程序采用C/C++語言，圖形界面采用JavaScript語言，數據庫設計采用SQL server語言。

4.2 ?軟件界面

4.2.1 ?登錄界面

登錄界面的設計是出于設備安全性考慮，只有工作人員擁有賬號和密碼，才可以登錄到軟件主界面操作設備，否則，非工作人員無法啟動軟件，進而操作設備。登錄界面如圖2所示。

4.2.2 ?主界面

當工作人員登錄賬號進入軟件主界面，便可以通過設置系統參數操作設備。主界面主要分為以下幾個部分：

（1）信息管理界面。信息管理界面由賬號管理、數據管理和幫助信息3個部分組成，信息管理界面如圖3所示。

賬號管理是對舊賬號的用戶名和密碼進行修改以及對新賬號的添加等信息進行設置。

數據管理是用來對自動砂料解凍檢測系統采集的現場數據進行備份和導出，例如：車輛編號、檢測物料、檢測密度、解凍率等數據。

（2）操作界面。操作界面是由初始化設置界面、電機控制界面和主控制界面組成。操作界面如圖4所示。

初始化設置界面包括車輛編號、是否就位、檢測物料、檢測密度等參數設置。

“車輛編號”為工作人員手動輸入項，當本節車輛進入待測區域就位，工作人員觀測完畢，輸入車輛編號，注意此項為必輸入項，若此項為空，則主啟動按鈕無效。

“是否就位”為系統自動檢測項，檢測區域上方有兩個紅外傳感器，分別檢測車輛首尾是否進入待檢區域，如果車輛首尾均進入待檢區域，“是否就位”指示燈則顯示為綠色;如果車輛首尾均未進入待檢區域，“是否就位”指示燈則顯示為紅色;如果車輛首尾有一側未進入待檢區域，“是否就位”指示燈則顯示為黃色。"是否就位"為必檢測項，僅為綠色顯示時主啟動按鈕有效，其他顯示情況無效。

“檢測物料”為選擇項，在軟件中為下拉菜單形式，工作人員根據實際情況選擇渣料種類，如粉煤、塊煤、焦煤、鐵礦砂等，“檢測物料”為必選擇項，若工作人員未做選擇，則主啟動按鈕無效。

“檢測密度”為工作人員手動輸入項，在輸入框內輸入車輛俯平面采樣點數，根據車輛的長度和寬度，軟件內部將按照輸入的采樣點計算出每個采樣點的XY平面坐標，電機1和電機2根據平面坐標的數值進行轉動，將探桿移動至各個采樣點處?！皺z測密度”為必輸入項，若此項為空，則主啟動按鈕無效。

電機控制界面用于顯示電機1、電機2、電機3的單機的實時坐標、運行狀態和故障報警。

“實時坐標”通過設置在X軸、Y軸和Z軸的3個超聲波傳感器的反饋數據，進行坐標轉換顯示在操作界面上，單位精確到cm，該項數值反映出當前電機1、電機2的實時位置，以及電機3所傳動的探桿下降深度。

“運行狀態”用來顯示電機1、電機2和電機3的啟停狀態，若該電機處于運轉狀態，則對應指示燈常亮，若該電機處于停止狀態，則對應指示燈常滅。

“故障報警”用來顯示電機1、電機2和電機3的故障狀態，若該電機處于正常運轉狀態，則對應指示燈顯示綠色，若該電機因過載等原因出現故障，則對應指示燈顯示紅色。

主控制界面包括主啟動和主停止兩個按鈕。主控制界面擁有系統的最高權限，若初始化設置界面中的必輸入項中有任意一項為空，則主啟動按鈕處于無效狀態;主停止按鈕一旦按下，設備無條件停止工作。

（3）顯示界面。顯示界面是砂料凍結狀態的數據圖形化表現形式，由縱斷面曲線、凍結范圍圖和凍結分布圖三個部分組成。

根據初始化設置界面中"檢測密度"的數值，縱斷面曲線以每個車輛長度的采樣點為一組，將每一縱斷面采樣點的深度，以數值的形式導入笛卡爾坐標系，用曲線顯示每一縱斷面的凍結狀態，X軸為采樣點的位置，Y軸為采樣點的深度?？v斷面曲線有可選擇項，每一項代表某一個縱斷面，項數等于縱斷面個數，工作人員可根據下拉菜單的選項，查看每一個縱斷面的凍結狀態。

凍結范圍圖是通過探桿上的超聲波傳感器采集的數值，以采樣點為個體，反映砂料的凍結情況。根據軟件算法，系統會自動處理“檢測密度”的數值，將采樣點以矩陣的形式分配到車輛水平面上，將同一個水平面上多個探測點連接起來，形成該水平面上的凍結范圍，通過調取不同水平層面的凍結范圍圖，就可以了解不同深度的凍結范圍情況。

凍結分布圖是通過算法將凍結范圍圖進行微分處理，以顏色漸變的形式展現出來。凍結分布圖可以更直觀地展現當前車輛砂料的凍結狀態，同時根據凍結分布圖的數值，計算出解凍率，顯示在分布圖區域。如果解凍率大于90%，系統彈出提示框“x號車輛已解凍，可卸料！”;如果解凍率小于90%，系統彈出提示框“x號車輛未解凍！”。凍結分布圖顯示界面如5圖所示。

（4）數據庫搭建。本系統有兩個數據庫，一個是登錄數據庫，一個是信號采集數據庫。

登錄數據庫內容包括姓名、工號、密碼、工種、部門、手機號等工作人員信息。工作人員可根據主界面的菜單欄中“數據管理”，進行更改信息。注意，最高權限admin賬號和密碼，無法通過主界面進行修改，同時該數據庫無法通過主界面導出。

信號采集數據庫內容包括車輛編號、檢測密度、檢測物料、電機1實時坐標、電機2實時坐標、電機3實時坐標、運行時間、故障時間、解凍率等現場信號采集數據。該數據庫可以通過主界面的菜單欄中“數據管理”進行導出。

5 ?結 ?論

本項目來源于企業實際需求，并經過企業的專家論證、機械傳動機構的試驗測試、軟件系統的研發等前期的準備工作，在研究過程中獲得了企業的大力支持，本項目解決了機械探桿的機械傳動與檢測、計算機對機械系統的控制與檢測、計算機對數據分析與展示、車輛探測位置與解凍情況計算等問題。該項目的投入使用，將有效解決企業冬天卸貨時存在的礦砂解凍檢測分析的問題，將大大提高砂料解凍檢測的準確率，提高貨物卸車效率，降低勞動強度，提高經濟效益。

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作者簡介：周旭東（1968.01—），男，漢族，重慶人，實驗師，本科，研究方向：電氣自動控制;梁瀟（1987.07—），男，漢族，新疆烏魯木齊人，講師，本科，研究方向：電氣自動化控制。