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井下铁矿石品位自动计量系统的设计与
开发#
潘昊，孟操**
基金项目：湖北省自然科学基金（2008CDB288）
作者简介：潘昊，（1964-），男，教授，智能技术
通信联系人：孟操，（1985-），男，学生，智能技术
（武汉理工大学计算机科学与技术学院，武汉 430070）
摘要：文章介绍了一种井下铁矿石的品位计量系统，系统采用传感器多线程并行处理技术分
别测出矿石重量、体积。根据已建立的品位分析数学模型，计算出矿石的平均品位。系统的
试运行表明，此种方法不仅实现了矿石重量、体积和品位等数据的自动存储和统计，而且实
现了矿石品位的不断轨的计量！
关键词：传感器；多线程并行处理；体积；品位；不断轨
中图分类号：TP391
The design and development of underground ore grade
automatic measurement system
Pan Hao, Meng Cao
(Wuhan University of Technology,WuHan 430070)
Abstract: This paper introduces a kind of underground grade detection system of iron ore , with use of
the technology of Multi-threaded parallel processing of transducer , the bulk and weight of the ore can
be measured. Based on a certain model of mathematics we have found ,the average grade of ore can be
calculated . The motion of the unit indicates, the data of weight, volume and grade of ore can be stored
and counted automatically. What’s more, the unit achieve the grade's non-stop detection.
Keywords:transducer; multi-threaded parallel processing; volume; grade; non-stop
0 引言
武钢矿业集团公司某井下矿石计量品位检测站有两个，分布在-340 米和-410 米，平均
每天出矿 8000 吨，计量工作比较繁重。公司在井下原矿石品位的界定中，最初采用人工取
样进行化验，这样取样量的多少，取样的位置，都会影响整车品位，且时间长，花费大，需
专门人员进行取样和化验，计量和品位数据是否及时准确，将直接影响公司生产任务的完成，
因此品位检测工作尤为重要。
目前，国内铁矿石的品位计量多停留在人工操作阶段[1]，既使实现了矿石的自动计量，
但也是在停车后进行，计量的时间长，且不利于提高铁矿石的生产效率，鉴于以上原因，我
们采用不断轨测量矿石重量的方法[2]。系统包括数据的采集，光电信号的判断，数据的处理
及数据的输出等模块，经过多次运行实验，建立了矿石品位，质量和体积的数学模型，有了
精确的体积，再根据动态轻轨衡[3]测出的矿石质量，就可以计算出矿石比较准确的品位，将
生产效率进一步提高！
此项目是基于武钢矿业集团铁矿公司平台，通过试运行证明，这套系统不仅简单可行，
安全稳定，而且彻底改变了人为因素造成的干扰，经济效益显著！
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1 系统的工作原理
重量测量原理
当车辆通过称量区时，钢轨因加载发生弯曲弯形 ,钢轨中性轴以上的部分受到压力，中
性轴以下的部分受到拉力，在中性轴上既不受压又不受拉。因此可在钢轨中性轴位置安装剪
切力称重传感器，通过剪切力信号大小进行称重。轨腰剪切力测量技术[4]的研究与应用在国
内起步较早，目前已有圆锥型剪力塞孔传感器产品。在两轨枕支撑钢轨的内端中性轴位置加
工锥形孔，然后装入成品圆锥型剪力塞入式传感器（图 1 传感器安装图），当载荷在钢轨上
移动时，输出信号及合成信号如图 2 所示。可以看出，两剪力传感器的合成信号具有陡峭的
上升沿和下降沿，同时称量区外的钢轨即使受到载荷的作用，对两剪切力传感器的合成信号
的影响也微乎其微。
1 铁轨 2 塞入式剪切力传感器 1枕木 2塞入式剪 切力传感器 3车轮 4铁轨 5地基
图 1 传感器安装效果图 图 2 剪切力称重传感器原理图
the diagram of transducer installing the diagram of transducer of weighment
体积测量原理
在矿车上方依运动方向( x )横向( y )均匀布置m个测距仪（间距 mby /=Δ ,b 为矿车宽
度），并根据矿车运行速度 v 使其对床车中的矿石高度按一定的时间间隔△t 实施等间距采
样（间距 tvx Δ=Δ * ），测距仪[5]将测量到机车中矿石上表面至测距仪之间的距离，且测距
仪与车厢厢底之间的距离是固定值，这样两者相减就可以得出矿车中各微元（xi，yi）中的
矿石高度的二维数组。
hnnhnhn
nhhh
nhhh
,,2,1
2,,22,21
1,,12,11
""""
"""""""""
"""""""""
""""
""""
则矿车中矿石体积可由多重数值积分给出。其体积为此二维数组hij的逐项和乘以常数
（ yx ΔΔ * ），同时由轨道衡称得的该矿车中铁矿石质量，该质量除以矿石体积（含矿块之
间的孔隙）可得出该车矿石的密度；再利用多年生产实际和积累得到的铁矿石品位与密度（含
孔隙）之间的相关关系，由中央计算机处理系统，算出铁矿石的品位，并完成矿量等指标的
统计管理工作。如图 3 所示。
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1 光电发射器 2 测距传感器 3 光电接收器 4 塞入式剪切力传感器 5 铁轨
图 3 矿石体积测量原理图
measuring diagram of ore volume
2 系统的组成
该系统由硬件和软件两部分组成，硬件部分负责完成数据的采集，并将数据发送到工业
控制计算机。主要包括塞入式剪切力称重传感器[6]、超声波测距传感器、光电发射器和光电
接收器、控制仪表、多串口卡、光电隔离模数转换卡、工业控制计算机。软件系统是根据接
收巷道中的光电发射器与接收器的信号决定测距仪和剪切力传感器何时开始采集数据与何
时停止采集数据，实现多路采集，然后利用轨道衡测得的矿石质量和超声波测距传感器上计
算出的体积，根据矿石密度( ρ )-品位(Ρ )曲线计算出矿石品位。
整个轨道衡及品位计算系统的数据采集包括 8 个数据采集通道，其中 1 个采集光电脉冲
信号，4 个采集剪切力（称重），3 个采集距离，通道获得的数字信号经过并行接口定时送
入计算机，计算机的应用软件对所有的采集数据进行综合分析，在过滤机车头后，分别计算
车厢的重量、体积、速度、机车车厢节数以及品位等信息。所有这些数据均存入数据库，以
备查询统计。如图 4（系统结构示意图）所示。
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1 超声波测距传感器 2信号线 3计算机视频输出线 4显示器 5矿井内壁 6光电开关 7、8塞入式剪切
力传感器 9枕木 10轨道衡钢轨称重区 11传感器接线盒 12工控机（内置 A/D 数据采集卡）13打印电缆 14
打印机 15 电源插头 16电源插座
图 4 系统结构示意图
the diagram of system’s structure
系统的功能模块图如图 5 所示：
图 5 系统功能模块示意图
the diagram of system’s function block
3 软件的设计
计算机软件是系统的关键部分，负责接收塞入式剪切力传感器和测距传感器的数据，要
实时处理数据且数据量很大，软件部分主要负责将实时采集的数据准确无误地存储到数据库
中，以便以后对数据进行查询，统计，打印，此系统在 VC++ 集成环境下开发并编译通
过。
软件的主要功能为计量模块，统计模块，参数设置，管理和操作说明模块。系统主界面
如图 6 所示：
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图 6 系统主界面
main interface of system
计量模块
在模块的初始化函数中，通过创建线程来监控串行口状态[7]，当有数据时将数据读出，
并向计量模块发送消息，在消息的响应函数中将数据实时地显示出来并插入到数据库中，以
便以后统计。当无数据时，进入重叠操作状态，无限等待数据的到来。这样数据不仅准确地
显示在计量界面上，而且数据同时保存，以备统计！数据的采集如图 7 所示：
图 7 数据采集流程图
Fig. 7 flow chart of data collecting
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其中处理的数据包括重量，体积及品位：
比重的计算公式： ssvsfwmy iii */)1(*)( −−= （ ni ≤≤1 , n 为车厢数）
其中： iy ：第 i 节车厢矿石比重 im ：第 i 节车厢矿石毛重
iw ：第 i 节车厢车皮重量 SF：矿石的水分系数
iv ：第 i 节车厢矿石体积 SS：矿石的松散系数
每一节的品位为分段函数：（ ip 为第 i 节车厢矿石品位）
当 ≤iy 时， * −= ii yp ；
当 ≤< iy 时， * −= ii yp ；
当 >iy 时， * −= ii yp ；
计算总体品位时，我们采取加权平均法，加权平均方法，计算方法简单，且某列矿车的
品位变动不是太大，加权平均使计算更合理，准确！
∑= ii mpp *总 ;
∑= im总m ;
总总平均 mpp /= ;
矿石的松散系数，水分系数及品位线性函数的系数由系统管理员根据矿石的不同种类，
形状，颜色，含水量等因素综合考虑设定，此功能由参数设置模块完成！
统计模块
在统计模块中，我们可以对矿车的历史记录按时间，条件进行查询，此外本模块中还有
打印功能，当白班，中班，夜班某班结束时，需要对某班各矿车的产量，过衡时间，品位，
火车编号等信息进行打印时，点击相应功能按钮即可！
4 结论
本系统安装方便,在称重的过程中不必停车,不影响现行生产，实现了动态称重，提高矿
石运输效率。软件界面简洁,易于学习和操作，数据处理方便,具有自动存储和统计功能，方
便内部计量。此外本系统抗干扰能力强，稳定可靠。
[参考文献] (References)
[1] 周爱民，鲍爱华.我国有色矿山的主要技术成就与差距［A］. 第六届全国采矿学术会议论文集［C］. 北
京：<<中国矿业>>杂志社，1999，10.
[2] 吴宏伟，唐亮，孙棣华，等（et al）.高速公路车辆动态称重技术及误差分析 [期刊论文] -交通信息与
安全 2009(z1).
[3] 期刊论文 动态称重系统计量误差的动态校正 - 仪器仪表学报2001,22(3).
[4] MechaTronic WeighfeedersMechaTronic 称重馈入仪 [外文期刊] 《Bulk Solids Handling》, 1998.
[5] 关于物位计测量方法的研究 会议论文 2008年全国几何量精密测量技术学术交流会.
[6] Digitally driven 数字化称量系统在采矿业的应用 [外文期刊] <<Mine & Quarry>>,1999.
[7] 侯俊杰.深入浅出MFC 第二版 华中科技大学出版社 2001 年 1月.
