一种基于红外含水率监测的底层洒水控制方法及系统与流程

1.本技术涉及自动控制领域，具体涉及一种基于红外含水率监测的底层洒水控制方法及系统。


背景技术：

2.污染防治攻坚战作为重要一战，重点是打赢蓝天保卫战，这就需要散货港口做好粉尘污染防治工作，从源头着手，力争把散货港口的粉尘污染降到最低，建立绿色港口。随着《中华人民共和国环境保护税法》的正式实施，在国内散货港口掀起了新一轮的粉尘治理技改高潮。
3.针对翻车机房的煤炭粉尘抑制主要通过人工经验洒水，抑制车厢翻料过程中的扬尘。在翻料作业前进行车厢内煤炭含水率监测，可以起到精准控制洒水，精准抑尘，节约水资源的作用。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种基于红外含水率监测的底层洒水控制系统及方法，通过实时监测物料的含水率，对物料进行精确洒水作业。
5.为达到上述目的，本技术提供了以下方案：
6.一种基于红外含水率监测的底层洒水控制系统，包括：距离控制模块、红外监测模块、模型构建模块和洒水控制模块；
7.所述距离控制模块与所述红外监测模块安装在同一水平面，所述距离控制模块用于选定监测位置，并控制监测距离；
8.所述红外监测模块还与所述模型构建模块连接，所述红外监测模块用于监测目标物料的红外吸光度；
9.所述模型构建模块还与所述洒水控制模块连接，所述模型构建模块用于基于所述红外吸光度构建物料含水率模型；
10.所述洒水控制模块用于基于所述物料含水率模型进行洒水控制。
11.优选的，所述距离控制模块包括：测距传感器和位置控制装置；
12.所述测距传感器与所述红外监测模块安装在同一水平面，所述测距传感器用于采集距离信号；
13.所述位置控制装置与所述红外监测模块连接，所述位置控制装置用于基于所述距离信号控制所述红外监测模块的所述监测距离，并将所述监测距离控制在预设值内。
14.优选的，所述红外监测模块包括红外水分仪；
15.所述红外水分仪用于采集测量光和与所述测量光相邻的参比光，基于所述测量光和所述参比光求出所述红外吸光度。
16.优选的，所述模型构建模块包括物料含水率模型；
17.所述物料含水率模型构建方法包括：
18.采集目标物料样本并称重，得到所述目标物料样本的原始质量；
19.采集所述目标物料样本的目标红外吸光度；
20.将所述目标物料样本烘干并称重，得到所述目标物料样本的干燥质量；
21.基于所述原始质量和所述干燥质量得到所述目标物料样本的含水率；
22.基于所述目标红外吸光度和所述含水率进行标定，得到所述物料含水率模型。
23.优选的，所述洒水控制模块包括：洒水装置和控制装置；
24.所述洒水装置用于向车厢内均匀洒水；
25.所述控制装置用于基于所述物料含水率模型控制所述洒水装置进行洒水工作：当所述目标物料的含水率值低于预设阈值时，向车厢内均匀洒水，并实时监测所述目标物料的含水率；当所述目标物料的含水率值高于预设阈值时，车厢向前运动至翻车机进行翻货作业。
26.本技术还提供了一种基于红外含水率监测的底层洒水控制方法，包括以下步骤：
27.选定监测位置，并控制监测距离；
28.监测目标物料的红外吸光度；
29.基于所述红外吸光度构建物料含水率模型；
30.基于所述物料含水率模型进行洒水控制。
31.优选的，所述监测距离控制方法包括：
32.采集距离信号；
33.基于所述距离信号，将所述监测距离控制在预设值内。
34.优选的，所述红外吸光度监测方法包括：
35.采集测量光；
36.采集与所述测量光相邻的参比光；
37.基于所述测量光和所述参比光求出所述红外吸光度。
38.优选的，所述物料含水率模型构建方法包括：
39.采集目标物料样本并称重，得到所述目标物料样本的原始质量；
40.采集所述目标物料样本的目标红外吸光度；
41.将所述目标物料样本烘干并称重，得到所述目标物料样本的干燥质量；
42.基于所述原始质量和所述干燥质量得到所述目标物料样本的含水率；
43.基于所述目标红外吸光度和所述含水率进行标定，得到所述物料含水率模型。
44.优选的，所述洒水控制的方法包括：
45.当所述目标物料的含水率值低于预设阈值时，向车厢内均匀洒水，并实时监测所述目标物料的含水率；
46.当所述目标物料的含水率值高于预设阈值时，车厢向前运动至翻车机进行翻货作业。
47.本技术的有益效果为：
48.本技术通过红外含水率监测的方式对含水率进行监测，根据来煤煤种、来煤含水率情景，智能选择起尘风速与含水率中间的平衡点，达到精确的均匀表面洒水的目的，起到精准控水，抑尘的作用。
附图说明
49.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
50.图1为本技术实施例中一种基于红外含水率监测的底层洒水控制系统的结构示意图；
51.图2为本技术实施例中红外水分仪设备结构示意图；
52.图3为本技术本实施例中一种基于红外含水率检测的底层洒水控制系统在生产中设置方式的示意图；
53.图4为本技术实施例中一种基于红外含水率监测的底层洒水控制方法的流程示意图；
54.图5为本技术实施例中标定的数学关系回归曲线图；
55.图6为本技术实施例中翻车机房车厢煤炭表面含水率动态监控曲线图。
具体实施方式
56.煤炭表面起尘与表面风速与含水率密切相关，在翻车机房内，由于四周相对封闭的车间，风速影响较小，只要控制煤炭表层含水率高于低起沉含水率值，则此状态煤炭起沉量较低，通过对含水率进行监测，控制精确的均匀表面洒水，可以起到精准控水，抑尘的作用。
57.针对翻车机等新型专业化的散状物料卸料系统，研发了基于反射式红外光的翻车机房散货含水率非接触式监测技术，构建了散货物料“物种-含水率-红外信号”拟合模型，制订了以环境-经济效益提升为导向的翻车机房底层洒水控制策略，通过精准测量翻车机房散货含水率，实现了翻车机房底层洒水精准智能控制决策，实现了散货物料“含水率-起尘量-洒水量”的动态联动感知和环境-经济效益最大化。
58.测水方法主要分人工测水和在线测水。人工检测：主要使用烘干法，适用不含或少含挥发性成分的物品，但其间隔时间长，人为误差大，不能满足现代生产对实时性测量和控制的需求。在线检测：主要介绍微波测水和近红外测水，高速采样，消除人为因素，为闭环控制提供实时水分信号。
59.微波含水率监测利用微波在透过煤炭物料过程中的损耗来计量煤炭物料整体含水率，但是由于含水煤炭物料对微波具有较强的吸收性，通常用于履带传输过程的煤炭物料含水率监测(履带传输的煤比较薄)，而不适用于翻车机房车厢内的煤炭含水率监测。
60.微波测水通常适用于物料的介电常数远小于水的介电常数的场合，以河沙的水分测量为例，沙子对微波能量的吸收远小于水。烧结混合料含有介电常数很大的铁矿，它们对微波的吸收与水在同一量级，因此混合料配比的变化会极大地影响微波含水量的测量；水与部分矿料的介电常数如表1所示。
61.表1
62.物料介电常数测定值水80沙子3～4
磁铁矿33.7～81赤铁矿＞81白铁矿33.7～81磁黄铁矿＞81钛铁矿＞81
63.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
64.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
65.实施例一
66.在本实施例一中，如图1所示，一种基于红外含水率检测的底层洒水控制系统，包括：距离控制模块、红外监测模块、模型构建模块和洒水控制模块；
67.距离控制模块与所述红外监测模块安装在同一水平面，用于选定监测位置，并控制监测距离。
68.距离控制模块包括：测距传感器和位置控制装置；测距传感器与红外监测模块安装在同一水平面，测距传感器用于采集距离信号；位置控制装置与红外监测模块连接，位置控制装置用于基于距离信号控制所述红外监测模块的所述监测距离，并将监测距离控制在预设值内。
69.在本实施例一中，测距传感器选用超声波测距仪，实时采集超声波信号，并将超声波信号传输至位置控制装置中来确定红外监测模块与目标物料之间的距离，为了保证红外监测模块精确的测量物料红外吸收光，位置控制装置将监测距离控制在300-400mm之间。
70.红外监测模块还与模型构建模块连接，用于监测目标物料的红外吸光度。
71.红外监测模块包括红外水分仪，红外水分仪用于采集目标物料的测量光波长和与测量光相邻的参比光波长，由于外界干扰，这两种光的波长基本相同，求出他们的比率也就消除了外界干扰的影响，得到目标物料的红外吸光度。
72.在本实施例一中，将目标物料物铺满测点光斑，光斑直径在60-75mm，采用三波长红外水分仪，如图2所示，采集目标物料的测量光波长s，和测量光两侧的参比光波长s1和s2，将测量光波长s分别与第一参比光波长s1、第二参比光波长s2进行计算，得到目标物料的红外吸光度，同时还可以消除目标物料质地变化所引起的测量误差。
73.模型构建模块还与洒水控制模块连接，用于基于红外吸光度构建物料含水率模型；模型构建模块包括物料含水率模型。
74.其中，物料含水率模型构建方法包括：采集目标物料样本并称重，得到目标物料样本的原始质量；采集目标物料样本的目标红外吸光度；将目标物料样本烘干并称重，得到目标物料样本的干燥质量；基于原始质量和干燥质量得到目标物料样本的含水率；基于目标红外吸光度和含水率进行标定，得到物料含水率模型。
75.在本实施例一中，通过对不同质地的物料分别进行标定，得到多个不同质地的物料水分标定曲线，将这些曲线进行汇总，得到物料含水率模型。
76.洒水控制模块用于基于物料含水率模型进行洒水控制。
77.洒水控制模块包括：洒水装置和控制装置；洒水装置用于向车厢内均匀洒水；控制装置用于基于物料含水率模型控制洒水装置进行洒水工作：当目标物料的含水率值低于预设阈值时，向车厢内均匀洒水，并实时监测目标物料的含水率，在本实施例一中，洒水装置采用阶段性喷水方式，每喷一阶段，保留水下渗时间；待表面含水率值经过洒水、下渗后，监测到目标物料的含水率值高于预设阈值，车厢向前运动至翻车机进行翻货作业。
78.本实施例中一种基于红外含水率检测的底层洒水控制系统在实际生产中的具体设置方式如图3所示，将红外水分仪探头固定于水平、上下活动导轨上，红外水分仪与超声波测距仪衔接固定，横跨在散货港口列车进入翻车机房固定位置，超声波测距仪测距起始位置与红外水分仪探头出光镜头齐平布置，当列车进入翻车机房指定位置时，列车停止，通过位置控制装置借助超声波探测仪，控制红外水分仪至火车载货面正上方350mm处静止，红外水分仪开始测量火车车厢中煤炭表面含水率，并将数值经转换器由模型构建模块接收，记录显示实时煤炭表面含水率值。当含水率值低于低起尘含水率值时，控制喷水枪向车厢内均匀洒水，并实时监测含水率值。采用阶段性喷水方式，每喷一阶段，保留水下渗时间。待表面含水率值经过洒水、下渗后，保持高于低起尘含水率值时，证明此时煤炭上层含水率已经足够起到低起尘状态。车厢向前运动至翻车机进行翻货作业。
79.实施例二
80.在本实施例二中，如图4所示，一种基于红外含水率监测的底层洒水控制方法，包括以下步骤：
81.s1.选定监测位置，并控制监测距离；实时采集超声波信号，并将超声波信号传输至位置控制装置中来确定红外监测模块与目标物料之间的距离，为了保证红外监测模块精确的测量物料红外吸收光，位置控制装置将监测距离控制在300-400mm之间。
82.s2.监测目标物料的红外吸光度；将目标物料物铺满测点光斑，光斑直径在60-75mm，采用三波长红外水分监测的方法，采集目标物料的测量光波长s，和测量光两侧的参比光波长s1和s2，将测量光波长s分别与第一参比光波长s1、第二参比光波长s2进行计算，得到目标物料的红外吸光度，同时还可以消除目标物料质地变化所引起的测量误差。
83.s3.基于红外吸光度构建物料含水率模型；采集目标物料样本并称重，得到目标物料样本的原始质量；采集目标物料样本的目标红外吸光度；将目标物料样本烘干并称重，得到目标物料样本的干燥质量；基于原始质量和干燥质量得到目标物料样本的含水率；基于目标红外吸光度和含水率进行标定，在本实施例二中，通过对不同质地的物料分别进行步骤s3中的操作，得到多个不同质地的物料水分标定曲线，并将这些曲线进行汇总，得到物料含水率模型。
84.s4.基于物料含水率模型进行洒水控制；当目标物料的含水率值低于预设阈值时，向车厢内均匀洒水，并实时监测目标物料的含水率，在本实施例二中，采用阶段性喷水方式，每喷一阶段，保留水下渗时间；待表面含水率值经过洒水、下渗后，监测到目标物料的含水率值高于预设阈值，车厢向前运动至翻车机进行翻货作业。
85.实施例三
86.在本实施例三中，标定是为了建立红外吸光度x与被测物料的含水率y(x)间的数学关系，即物料含水率模型，使水分计根据测量得到的红外吸光度换算出被测物料的水分。
87.煤的含水率是指煤在105℃—110℃(gb/t 212-2008)下烘干至恒量时失去的水质量与煤质量的比值，以百分数表示。
88.标定数学关系采用的仪器包括：鼓风高温烘干箱；称量520g、分度值0.1mg的天平；干燥皿；垫纸片；红外水分仪。
89.标定步骤包括：先取煤样10g左右，置于垫纸片上，然后用水分仪测量煤样的含水率，以及平均吸光度。将干燥皿擦净，然后烘干冷却，在天平上进行称重，记下重量a＝47.8295g。将垫纸片上的煤样转置于干燥皿中，在天平上进行称重，记下第一次重量b将干燥皿放入105℃的烘干箱中1—2小时，然后取出冷却15分钟左右，用天平称量，记下重量b1，然后再放入烘干箱中半小时后取出冷却，再次称量记录得b2，以此类推，直到前后俩次重量不超过1％为止，得到干煤样加干燥皿重量c。
90.结果计算，
91.公式中，a表示干燥皿重(g)，b表示煤样加干燥皿重(g)，c表示干煤样加干燥皿重(g)。
92.得到标定的数学关系：y(x)＝a2x2+a1x-a0。在本实施例三中，得到的煤样标定的数学关系为y(x)＝999.9x2+1980.6x-963.85，这种数学关系几何上描述就是曲线回归，如图5所示。
93.对被测物料的在线水分检测，采集到的吸光度值和相应化验得出的水分值回归成标定线。同时可以修改标定线的各个系数a0、a1、a2。不同物料的标定线进行对应编号。
94.存储任意多条标定线。如果使用方被测物种类多，每一种物料就需要一条标定线，所以标定线的数量要多于物料的种类。
95.实施例四
96.在本实施例四中，如图6所示，在车厢进入翻车机房前，通过红外含水率监测设备对车厢煤炭表面进行含水率监测，可得到含水率监测分辨率达到了0.0634％，在对车厢进行喷水作业过程中进行监测，设备对洒水响应度极高，可以动态追踪洒水过程车厢煤炭表面含水率变化。从图中可以看出，喷水前后，煤炭表面含水率从6.37％迅速增长到17.81％，后随着水分的渗透与蒸发，表面含水率始终保持在10％以上。通过红外含水率监测装置可以精准的了解车厢煤炭含水率动态变化，控制洒水量，做到精准抑尘。
97.以上所述的实施例仅是对本技术优选方式进行的描述，并非对本技术的范围进行限定，在不脱离本技术设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本技术的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本技术权利要求书确定的保护范围内。