趙 躍, 梁莉莉

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048)

搗固煉焦是用機械方式將煤搗固夯實成煤墻后，從焦爐側(cè)面裝入碳化室的一種煉焦技術(shù)。該方法能將散裝煤的堆密度由0.72 t/m3提高至1.10～1.15 t/m3，可以使用低成本的弱黏結(jié)性煤生產(chǎn)焦炭，同時還能提高焦炭的品質(zhì)和產(chǎn)量，因此近年來得到了快速發(fā)展[1-3]。

在搗固煉焦過程中，搗固機將搗固錘上拋至頂點后，錘體通過自由落體運動砸向煤墻向煤墻輸入搗固功，通過反復(fù)加煤和提錘搗固，使煤墻的高度和強度不斷增長，最終達到焦炭生產(chǎn)的指標要求[4]。煤墻的高度和硬度是煤餅質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響著煉焦效率和焦炭產(chǎn)品質(zhì)量[5]。然而，由于搗固機在工作過程中可能受設(shè)備故障、機械磨損和煤料輸入量等因素影響，導致?lián)v固錘不能被正確提起，引起搗固錘上拋高度不足或者完全不能上拋等故障[6]。一旦出現(xiàn)這種現(xiàn)象，就會對搗固機的工作可靠性和效率造成影響，輕則使得搗固輸入功不足，引起“塌煤”；重則導致?lián)v固錘不斷被加入的煤料掩埋，釀成“埋錘”事故。因此，為保證搗固煉焦過程的安全高效運行，必須對搗固錘在工作過程中的運動狀態(tài)、搗固輸入功等運行參數(shù)進行檢測。

目前，搗固錘的運行狀態(tài)測量主要還是依靠人工觀察完成，勞動強度大且可靠性差，無法滿足現(xiàn)代高效生產(chǎn)的需求。從德國引進的6.25 m搗固焦爐設(shè)備采用“彈性接觸輪測量技術(shù)”[7]。該技術(shù)用彈簧板將一個摩擦輪壓緊在搗固錘的錘桿上，當搗固錘上下運動時摩擦輪隨之轉(zhuǎn)動，然后通過光電編碼器測量摩擦輪的轉(zhuǎn)動情況，從而間接測量搗固錘的運動狀態(tài)。由于搗固現(xiàn)場機械振動大，摩擦輪在錘桿上容易發(fā)生跳動，導致測量結(jié)果不準確。而且，摩擦輪長期工作磨損和現(xiàn)場煤粉附著都會降低摩擦系數(shù)，造成測量系統(tǒng)因打滑而無法可靠工作。

針對上述問題，筆者通過分析實際工作環(huán)境下?lián)v固錘運行狀態(tài)與加速度之間的關(guān)系，提出了一種基于加速度傳感器的搗固錘參數(shù)自動測量方法和裝置。該裝置嵌入搗固錘實時測量錘體的加速度值。計算機系統(tǒng)的數(shù)值運算單元將采集到的加速度值轉(zhuǎn)換為錘體的工作參數(shù)，無線通信模塊將這些工作參數(shù)發(fā)送至搗固機控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)搗固過程的自動測量和實時檢測。為了解決測量裝置在劇烈運動狀態(tài)下的長期供電問題，設(shè)計了一種基于搗固錘直線運動的磁浮式震動自發(fā)電裝置。現(xiàn)場測試驗證了該測量裝置的可靠性和實用性。

1 搗固錘運行狀態(tài)分析

為了設(shè)計出測量準確、耐用性強且滿足現(xiàn)場需求的自動測量裝置，首先對搗固錘在實際工作環(huán)境下的運動狀態(tài)進行了分析。

① 搗固錘運動狀態(tài)測量。搗固錘在經(jīng)歷周期性的上拋和自由落體過程中，其加速度也發(fā)生著周期性變化。可以通過錘體加速度的周期性和同一周期內(nèi)加速度變化的劇烈程度來判斷錘體是否正常運行。

② 搗固輸入功測量。搗固錘對煤墻所做的功來源于錘體自由落體夯擊煤墻時的重力勢能。由于搗固錘質(zhì)量已知，只要檢測出錘體拋起高度就可以計算出其所做的功。此時，搗固輸入功的測量就轉(zhuǎn)換為搗固錘拋起高度的測量。

③ 搗固錘拋起高度的測量?；诩铀俣榷畏e分獲得位移的原理，可通過對錘體的實時加速度進行二次積分計算出拋起高度。

根據(jù)以上分析可知，搗固錘運行參數(shù)的測量可轉(zhuǎn)化為搗固錘加速度的測量。

2 煤焦爐搗固錘運行參數(shù)嵌入式自動測量系統(tǒng)設(shè)計與硬件實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

近年來，隨著微硅加速度傳感器技術(shù)的發(fā)展，其成本下降并且性能提升，逐漸運用于智能手機等消費類電子產(chǎn)品和各種工業(yè)測量場合，為許多物體的運動測量和姿態(tài)檢測提供了一種新的選擇[8-9]。

本研究基于加速度測量技術(shù)和嵌入式計算機技術(shù)[10-12]，設(shè)計了一種新型搗固錘運行參數(shù)自動測量系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)由檢測與發(fā)射裝置和接收裝置兩部分構(gòu)成。檢測與發(fā)射裝置以加速度傳感器為核心部件安裝在搗固錘頂端，實時測量錘體的運動加速度，并對加速度數(shù)據(jù)進行處理后通過無線通信方式發(fā)送給地面接收裝置，接收主站根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)參數(shù)對搗固錘的工作狀態(tài)進行識別，從而實現(xiàn)搗固過程的自動監(jiān)測。

圖1 搗固錘運行參數(shù)測量系統(tǒng)示意圖

2.1.1 檢測與發(fā)射裝置

檢測與發(fā)射裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括加速度傳感器、微控制器、無線通信模塊和供電系統(tǒng)等部分，如圖2所示。由于實時采集的加速度數(shù)據(jù)量較大，使用無線通信傳輸原始數(shù)據(jù)將導致發(fā)射系統(tǒng)功耗過大，而且多個搗固錘測量裝置持續(xù)發(fā)送會使無線信道上的數(shù)據(jù)大量沖突，無法分時利用無線頻段資源。因此，在檢測與發(fā)射裝置中加入了微控制器，利用其完成加速度數(shù)據(jù)處理和工作狀態(tài)檢測，只將處理和檢測結(jié)果發(fā)送給接收裝置，大幅減少了通信數(shù)據(jù)量。

圖2 檢測與發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)

2.1.2 接收裝置

接收裝置的主要功能是無線接收搗固錘運行參數(shù)，判斷錘體工作狀態(tài)，并將判斷結(jié)果通過開關(guān)量接口和數(shù)據(jù)通信接口反饋給搗固機主控PLC，最終實現(xiàn)搗固過程的自動監(jiān)測。該功能要求接收主站由微處理器、無線接收器組、開關(guān)量輸出和電源模塊等幾個基本部分組成，如圖3所示。

圖3 接收裝置結(jié)構(gòu)

由于搗固機內(nèi)同一搗固單元的搗固錘相位是相互錯開的，它們的通信信號采用同頻率分時發(fā)送方式，不同搗固單元采用不同的無線發(fā)射頻率。以24錘微移動搗固機為例，其包含8個搗固單元，每個搗固單元內(nèi)有3個搗固錘，因此其接收主站需要8個無線接收模塊(見圖3)。

2.2 硬件實現(xiàn)

2.2.1 加速度測量模塊

加速度測量是檢測與發(fā)射裝置的基礎(chǔ)，因此加速度傳感器的選擇必須滿足技術(shù)要求?？紤]到搗固錘的加速度量程、采樣頻率、抗噪濾波、數(shù)據(jù)接口等因素，選擇Freescale公司的14位/8位智能低功耗三軸數(shù)字加速度計MMA8451Q作為傳感器[13]，其工作電壓為1.95～3.6 V，測量范圍可配置為±2g/±4g/±8g，測量速率可從1.56 Hz提升至800 Hz，噪音為99 μg/Hz，測量數(shù)據(jù)采用I2C數(shù)字輸出接口，同時MMA8451Q內(nèi)部含有濾波處理算法。

2.2.2 無線收發(fā)模塊

無線數(shù)據(jù)收發(fā)選用nRF905模塊[14]，其由完全集成的頻率調(diào)制器、帶解調(diào)器的接收器、功率放大器、晶體震蕩器和調(diào)節(jié)器組成。該芯片使用SPI接口與微控制器進行數(shù)據(jù)交換，可以由片內(nèi)硬件自動完成曼徹斯特編碼/解碼操作，還可以完成前導碼和循環(huán)冗余碼校驗的計算工作，因此可以方便可靠地實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。此外，該芯片具有低功耗特性，以-10 dBm的輸出功率發(fā)射時電流消耗只有11 mA，在接收模式時電流消耗為12.5 mA。

2.2.3 自發(fā)電模塊

自動測量方案的核心是嵌入到搗固錘且隨錘體同步運動的檢測與發(fā)射裝置。由于搗固現(xiàn)場積存大量煤粉，環(huán)境惡劣，且搗固機安裝位置高，難以更換電池部件，如何給移動狀態(tài)下的檢測系統(tǒng)提供長期穩(wěn)定的電源供給是整個裝置是否具有實用價值的關(guān)鍵。

本研究根據(jù)搗固錘工作時的上下直線運動，且每個搗固周期都會猛烈撞擊煤墻這一特點，設(shè)計了一個獨特的電磁感應(yīng)發(fā)電棒，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。該發(fā)電裝置的主體是一個空心線圈，線圈內(nèi)部放置一個可以上下運動的震動磁鐵，線圈兩端安裝有與震動磁鐵極性相同的固定磁鐵，它們依靠互斥力將震動磁鐵懸浮在線圈中部。當搗固錘撞擊煤墻時震動磁鐵劇烈跳動，線圈通過切割磁力線產(chǎn)生電能。本設(shè)計采用磁性互斥力蓄能，由于磁性反力隨距離接近指數(shù)增長，因此不易發(fā)生機械碰撞，且整個蓄能反彈過程沒有能量的機械損失，電能轉(zhuǎn)換效率高。

圖4 電磁感應(yīng)發(fā)電棒

該發(fā)電裝置提供的是不連續(xù)的脈沖電能，需要設(shè)計一套微能量收集管理系統(tǒng)來收集發(fā)電裝置發(fā)出的電能，再通過整流穩(wěn)壓系統(tǒng)的調(diào)整最終供給自動測量裝置使用(見圖5)。本設(shè)計使用凌特公司LTC3588-1微能量收集芯片收集發(fā)電裝置的電能[15]，將交變脈沖電流經(jīng)整流后存入蓄能電容組中，最后通過LDO芯片穩(wěn)定輸出，供給用電設(shè)備。測量系統(tǒng)使用時，先通過AD讀取蓄能電容組電壓情況，如果電量充足，再進行加速度讀取和無線發(fā)送等大能耗操作，以保證系統(tǒng)工作的正確性。

圖5 微能量收集系統(tǒng)框圖

3 搗固錘運行參數(shù)數(shù)據(jù)分析與處理

3.1 加速度數(shù)據(jù)獲取及分析

為了評估測量系統(tǒng)性能，以咸陽四環(huán)集團生產(chǎn)，用于陜西某焦化廠5.5 m搗固焦爐的微移動搗固機作為測試目標，將研制的測量裝置安裝在搗固錘上進行測試，如圖6所示。該搗固機的搗固頻率約為1.25 Hz，即每錘每0.8 s搗固一次，每個搗固周期內(nèi)錘體拋起高度約為0.5 m。

圖6 嵌入式自動測量裝置實物圖

測試中獲取的連續(xù)搗固過程數(shù)據(jù)如圖7(a)所示，橫坐標為數(shù)據(jù)采樣點數(shù)，縱坐標為加速度測量值，即100對應(yīng)10g(規(guī)定加速度向上為正)。為了便于觀察，截取其中一段數(shù)據(jù)進行放大，如圖7(b)所示。從圖7(b)中可以清晰觀察到，搗固錘在每個搗固周期內(nèi)的運動分為3個階段：第1條線與第2條線之間是搗固段，搗固錘撞擊煤墻，加速度表現(xiàn)為正向尖峰；第2條線與第3條線間是提錘起拋段，加速度為正值，由于該搗固機采用摩擦輪提錘方式，作用力不均勻，所以起拋過程加速度跳動比較大；第3條線與第4條線間為自由落體段，該階段的搗固錘做自由落體運動，由于錘體下落過程中不斷磕碰支架，所以其加速度值在-1g附近波動。

3.2 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)第1節(jié)中搗固錘運行狀態(tài)分析結(jié)果可知，需要對加速度測量數(shù)據(jù)進行數(shù)值積分，獲取錘體的運行速度和拋起高度。由于加速度測量數(shù)據(jù)的采樣率不高，為減小數(shù)值計算誤差，本文采用經(jīng)典的離散梯形積分算法。

圖7 采集的加速度原始數(shù)據(jù)及其局部放大圖

基于離散梯形積分算法原理，搗固錘在n時刻的實時速度和位移遞推計算公式分別為

(1)

x(n)=2x(n-1)-x(n-2)+

(2)

式中:T為采樣周期；a(n)、v(n)和x(n)分別為搗固錘在n時刻的加速度、速度和運動行程。

利用式(1)和式(2)對圖7所示的加速度測量數(shù)據(jù)進行積分，所計算出的搗固錘速度和行程如圖8所示。觀察圖8可知，速度曲線較準確地刻畫了搗固錘的運動規(guī)律，向下的斜直線部分準確表達了搗固錘的自由落體運動；運動行程曲線在一個搗固周期內(nèi)的拋起高度約為0.5 m，這與搗固錘的實際工作情況一致。同時也發(fā)現(xiàn)，行程曲線有明顯向下累積偏離的現(xiàn)象。經(jīng)分析和測試驗證得知，其偏離原因是由離散采樣規(guī)律造成的。理論上，搗固錘在一個搗固周期內(nèi)向上與向下的運動行程應(yīng)近似相等。然而實際上，搗固過程向上與向下的加速度數(shù)據(jù)特征不同(見圖7(b))，自由落體過程表現(xiàn)為穩(wěn)定的重力加速度，而搗固瞬間的向上加速度呈現(xiàn)較強的脈沖特征。由于采樣時刻與實際搗固時刻存在隨機偏差，不能保證每次都測量到最大加速度值，因此向上的積分值損失必然大于平緩的自由落體過程，這導致了運動行程數(shù)據(jù)向下累積偏移。

圖8 搗固錘加速度、速度和行程示意圖

為了避免或減小累積誤差對計算結(jié)果的影響，考慮到搗固運動的周期性，本文采取周期內(nèi)積分的方式，即每個周期自動復(fù)位積分零點。實驗測試證明，單周期內(nèi)積分誤差對搗固錘運行參數(shù)計算的影響在精度允許范圍內(nèi)。為實現(xiàn)周期內(nèi)積分，首先需要確定搗固信號的周期。由于搗固現(xiàn)場隨機干擾因素過多，采用頻域分析法來求解搗固周期[16]。采集一段包含多個周期的加速度數(shù)據(jù)，對其進行如下傅里葉變換

(3)

信號中的隨機噪聲主要集中在高頻部分，因而可以將信號的周期性突出體現(xiàn)。

本系統(tǒng)中所有的數(shù)字運算都在單片機中運行，因此采用FFT方法實現(xiàn)傅里葉變換。為驗證測量方法的可靠性，選擇一組干擾較嚴重的加速度搗固數(shù)據(jù)進行處理，實驗數(shù)據(jù)如圖9(a)所示。可以看出，該加速度信號存在搗固點不明顯和自由落體段因機械碰撞而受較強干擾的情況。對上述數(shù)據(jù)在嵌入式處理器平臺上進行FFT計算后的結(jié)果如圖9(b)所示。雖然原始數(shù)據(jù)受到干擾，但從頻譜圖中可以看出基波頻率為1.2 Hz，對應(yīng)信號的平均周期約為0.83 s，這與搗固機的實際搗固頻率1.25 Hz和實際搗固周期0.8 s基本吻合。由于加速度傳感器的采樣頻率設(shè)定為100 Hz，所以每個搗固周期內(nèi)包含約83個采樣數(shù)據(jù)點。

圖9 用于驗證搗固周期的原始加速度數(shù)據(jù)及其幅頻響應(yīng)

根據(jù)求解出的搗固運動周期和周期內(nèi)離散梯形積分算法，最終通過加速度測量數(shù)據(jù)計算出的搗固錘速度和運動行程如圖10所示。第1條與第2條線之間為撞擊瞬間數(shù)據(jù)，對應(yīng)速度為由向下最大到突然為零，對應(yīng)行程為零(行程以停在煤墻上為零點)；第2條線至第3條線為提錘狀態(tài)數(shù)據(jù)，對應(yīng)速度為加速過程，對應(yīng)行程為增加過程；第3條線至第4條線為脫離提錘裝置時的數(shù)據(jù)，搗固錘只受重力作用，速度由正向減為零，行程到達正向最大；第4條線至第5條線間為自由落體運動時的數(shù)據(jù)，對應(yīng)速度均勻增到反向最大，行程由最大降到零。

圖10 數(shù)據(jù)處理結(jié)果示意圖

此外，從圖10中可以清晰地看出，計算結(jié)果與理論分析完全一致。且搗固錘在每個搗固周期內(nèi)的拋起高度約為0.5 m，這也與錘體實際拋起高度0.5 m相吻合。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

本文提出的測量方法和裝置都已在陜西某焦化廠的搗固機上測試使用，圖11為現(xiàn)場安裝情況。

圖11 現(xiàn)場測試示意圖

本系統(tǒng)在使用過程中具有如下特點：

① 安裝簡單，只需用螺絲將檢測與發(fā)射裝置安裝在鋁合金背板上，然后固定在搗固錘頂端；

② 使用方便，無需任何外接線；

③ 系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境下，接收裝置可以實時接收到檢測裝置通過無線發(fā)送的數(shù)據(jù)；

④ 測量結(jié)果準確反映了搗固機錘體的工作狀態(tài)，搗固錘每一次拋起高度的計算結(jié)果與現(xiàn)場的實際情況基本相符。

5 結(jié)束語

本文提出并實現(xiàn)了一種實時測量搗固錘運動狀態(tài)的方法和裝置。該裝置通過加速度傳感器讀取搗固錘的實時加速度，通過相關(guān)數(shù)據(jù)處理獲得錘體的速度、行程等運行參數(shù)，利用這些參數(shù)可準確判斷出搗固錘的運動狀態(tài)，避免發(fā)生埋錘和煤墻因搗固功輸入不足造成塌煤等安全生產(chǎn)隱患。