CN105022273A - 一种基于物联网的多级带式输送机协调控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的多级带式输送机协调控制系统，包括物料流状态激光采集装置、光电编码器、信号采集与处理模块、第一无线信号传输模块、第二无线信号传输模块、基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置、现场执行模块。本发明还公开了一种基于物联网的多级带式输送机协调控制方法，包括物料瞬时流量信号和带速信号采集；根据瞬时流量信号和带速信号采集计算各级带式输送机带速的改变量；通过现场执行模块对各级带式输送机带速进行控制。本发明结构简单、安装使用方便、可实施性强、自动化程度高、安全可靠，可以实现港口大型多级带式输送机系统带速的协调控制。

Description

一种基于物联网的多级带式输送机协调控制系统及方法

技术领域

本发明涉及传感与测控技术领域，具体涉及一种基于物联网的多级带式输送机协调控制系统，还涉及一种基于物联网的多级带式输送机协调控制方法

背景技术

散货港口主要是煤炭、矿石等能源及原材料港口，是现代港口主要类型之一，在国际航运市场中占有举足轻重的地位。根据散货输送的特点，带式输送机以其特有的远距离、高速度、自动化输送能力，成为散货港口物料输送最理想的设备。然而，随着我国货运码头规模与集约程度不断增高，带式输送机系统常常会出现因选配电机冗余度大、恒速运行而导致系统在空载和轻载情况时能耗浪费严重。

带式输送机只有当电动机转矩特性与负荷特性达到最优匹配时才可高效运行。因此，港口带式输送机调速控制是实现节能的关键。然而，目前还没有一套真正用于实际的大型带式输送机调速节能控制方法。尤其对于长距离、多级带式输送机系统而言，尤其需要一套专门用来监测和调控长距离、多级带式输送机协调控制装置，以便各级带式输送机及时根据相邻两级带式输送机运载情况，采取有效措施调整每级带式输送机运行速度，以达到降低散货码头带式输送机能耗和排放水平，有效提高装卸设备利用率和港口生产作业效率的目的。

物联网主要通过射频识别(RFID)、传感器、全球定位系统、移动电话等设备，按约定的协议，将物理世界和信息网络进行连接，使得它们在事件的处理中成为积极的参与者，体现了物理空间和信息空间的融合。通过将物联网技术应用于多级带式输送机协调控制决策，可以实现港口散货码头大型多级带式输送机系统智能化监控和管理，通过应用物联网等现代信息技术可以实现无障碍的远程管理、智能调控，从而加快智能化散料运输装备的推广应用，为交通运输行业乃至国家绿色循环低碳发展作出应有的贡献。我国散货码头货物运载量增大，但是市场上仍没有一套专门用来协调控制大型多级带式输送机带速设备出现，所以探索一种基于物联网感知技术的多级带式输送机协调控制决策系统和方法，并将其应用于大型多级带式输送机系统中，将有效优化多级带式输送机调速节能控制作业流程，提升多级带式输送机调速控制智能化水平，达到港口多级带式输送机系统作业最佳节能效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于物联网的多级带式输送机协调控制系统，还提供一种基于物联网的多级带式输送机协调控制方法。该系统结构简单、安装使用方便、可实施性强、自动化程度高、安全可靠，可以实现港口大型多级带式输送机系统带速的协调控制。

一种基于物联网的多级带式输送机协调控制系统，包括用于监测多级物料传输装置的物料瞬时流量的物料流状态激光采集装置，还包括

光电编码器、用于监测物料传输装置的传输皮带转速；

信号采集与处理模块，用于接收光电编码器发送的带式输送机带速信号和物料流状态激光采集装置采集的物料瞬时流量，并将带式输送机带速信号和物料瞬时流量传输给第一无线信号传输模块；

第一无线信号传输模块，用于将带式输送机带速信号和物料瞬时流量发送到第二无线信号传输模块；

第二无线信号传输模块，用于接收带式输送机带速信号和物料瞬时流量发送给基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置；

基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置，用于根据带式输送机带速信号和物料瞬时流量输出传输皮带转速改变值给现场执行模块；

现场执行模块，用于根据传输皮带转速改变值改变物料传输装置的传输皮带的转速。

所述各级带式输送机物料流状态激光采集装置与光电编码器的输出端与信号采集与处理模块相连，系统运行过程中，所述信号采集与处理模块不断将物料流状态激光采集装置检测的物料瞬时流量和光电编码器检测的带速信号采集、处理后，再无线传输至基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置。基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置根据当前级带式输送机一段采样周期内的物料瞬时流量值与设定值进行比较，即可决定是否启动调速控制决策判断程序，从而得到当前级及后续各级带式输送机带速控制信号。现场执行模块根据带速控制信号对多级带式输送机进行实时调速，并根据光电编码器反馈的带速信号进行实时调整。

所述信号采集与处理模块的输出端与第一无线信号传输模块相连，所述第一无线信号传输模块通过第一天线与第二无线信号传输模块的第二天线无线连接；第二无线信号传输模块的输出端与基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置相连。

所述信号采集与处理模块包括数据采集卡和智能控制器；所述的数据采集转换卡可以将物料流激光采集装置中激光扫描仪采集的物料瞬时流量传输至基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置中的主控计算机。同时可将光电编码器信号采集并发送至第一无线信号传输模块。

所述物料流激光采集装置包括辅助安装支架，所述辅助安装支架的中间固定安装有玻璃板，所述辅助安装支架的垂直高度及玻璃板水平位置可以调节；辅助安装支架中间玻璃板设置了用于固定激光扫描仪的四个螺栓孔，所述激光扫描仪垂直向下扫描输送带上物料流输送状态，所述激光扫描仪需要稳定的24V直流电源供电；激光扫描仪具有串行通信接口。

所述的基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置包括控制中心工控机、LCD显示屏和便携式移动终端；所述控制中心工控机接收信号采集与处理模块传输的物料流状态激光数据和带速信号；所述控制中心工控机与LCD显示屏连接；所述的便携式移动终端可通过无线方式访问控制中心工控机。

一种基于物联网的多级带式输送机协调控制方法，包括以下步骤：

步骤1、信号采集与处理模块将采集到的当前级带式输送机物料瞬时流量信号和采集到的当前级带式输送机带速信号通过第一无线信号传输模块和第二无线信号传输模块传输给基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置；

步骤2、基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置根据物料瞬时流量信号和带式输送机带速信号获得当前级的物料瞬时流量值和带式输送机带速值；

步骤3、当前级第i采样时刻物料瞬时流量q_iG小于物料流量设定值Q_G时，依次比较相邻后续采样时刻物料瞬时流量与物料流量设定值大小，若当前级带式输送机物料瞬时流量连续在第i+k个采样时刻小于物料流量设定值，而在第i+k+1个采样时刻物料瞬时流量大于物料流量设定值，则判断：

步骤3.1、当当前级带式输送机在从第i到第i+k时刻物料瞬时流量值{q_iG,q_(i+1)G,…,q_(i+k)G}小于物料流量设定值状态的持续时间长度小于设定的采样周期N倍时，N为整数，则当前级带式输送机和后各级带式输送机的传输改变量为0，

步骤3.2、当当前级带式输送在从第i到第i+k时刻物料瞬时流量值{q_iG,q_(i+1)G,…,q_(i+k)G}小于物料流量设定值状态的持续时间长度大于等于设定的采样周期N倍时，N为整数，则启动调速控制决策判断步骤，

调速控制决策判断步骤包括以下步骤：

步骤3.2.1、建立如下目标规划模型：

$max\frac{Q}{P_A}=\frac{\underset{l=1}{\overset{n}{\Σ}}3.6q_{lG}{v}_l}{\underset{l=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\θ}}_{1l}{v}_l+\underset{l=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\θ}}_{2l}{q}_{lG}{v}_l}$     公式1

其中θ_1l＝cfL_lg(q_lRc+q_lRu+2q_lBcosδ)/η₁η₂        公式5

θ_2l＝g(cfL_lcosδ+H)/η₁η₂           公式6

式中，P_A为带式输送机驱动滚筒所需功率，kW/h；

Q为带式输送机每小时输送物料量，t/h；

Q_max为带式输送机每小时能承受的最大输送物料量，t/h；

L为输送机总水平投影长度；

n为带式输送机全长分段数；

l为当前单位段；

H为带式输送机总垂直提升高度；

δ为倾斜角；

q_lB为当前第l单位段输送带质量，kg/m；

q_lRc为当前第l单位段承载边旋转托辊质量，kg/m；

q_lRu为当前第l单位段回程旋转托辊质量，kg/m；

f为模拟摩擦系数；

g为重力加速度；

c为与带式输送机长度系数；

q_lG为当前第l单位段输送物料每米质量，kg/m；

v_l为当前第l单位段带速；

Vmax为带式输送机满载下可承受的最大带速；

Vmin为带式输送机运输散料最小带速；

η₁为传动效率；

η₂为机械效率；

s.t.为约束条件，

步骤3.2.2、将第i到第i+k时刻物料瞬时流量{q_iG,q_(i+1)G,…,q_(i+k)G}带入公式1和3，通过求解公式1-6组合的目标规划模型，得到带速最优解V₁，

提取当前级带式输送机从第i到第i+k时刻的带速值{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，采用最小二乘法进行线性拟合，可以得出带速随时间变化一次线性曲线v＝Mi+b，

若M>1，则比较{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}序列中带速最大值max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}和最小值min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}与V₁间关系，若max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}<V₁，则当前级及后续带式输送机带速增加量为V₁-max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}；若min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}>V₁，则当前级及后续带式输送机带速减少量为max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}-V₁；若min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}≦V₁≦max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，则当前级及后续带式输送机带速减少量为max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}-V₁，

若M＝1，求取第i到第i+k时刻带速平均值判断当前级带式输送机带速值与V₁之间的大小关系，若则当前级及后续带式输送机带速减少量为若则当前级及后续带式输送机带速改变量为0；若则当前级及后续带式输送机带速增加量为

若M<1，则比较{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}序列中带速最大值max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}和最小值min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}与V₁间关系，若max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}<V₁，则当前级及后续带式输送机带速增加量为V₁-min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}；若min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}>V₁，则当前级及后续带式输送机带速减少量为min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}-V₁，若max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}≥V₁≥min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，则当前级及后续带式输送机带速增加量为V₁-min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，

步骤4、当当前级第i采样时刻物料瞬时流量q_iG大于物料流量设定值Q_G时，依次比较相邻后续采样时刻物料瞬时流量与物料流量设定值大小，若当前级带式输送机物料瞬时流量连续在第i+k个采样时刻大于物料流量设定值，而在第i+k+1个采样时刻物料瞬时流量小于物料流量设定值，则判断：

步骤4.1、当当前级带式输送机在从第i到第i+k时刻物料瞬时流量值{q_iG,q_(i+1)G,…,q_(i+k)G}大于物料流量设定值状态的持续时间长度小于设定的采样周期N倍时，N为整数，则当前级带式输送机和后各级带式输送机的带速改变量为0，

步骤4.2、当当前级带式输送机从第i到第i+k时刻物料瞬时流量{q_iG,q_(i+1)G,…,q_(i+k)G}大于物料流量设定值状态持续时间长度大于等于设定的采样周期N倍时，N为整数，则启动最大带速V_max控制步骤，

最大带速V_max控制步骤包括以下步骤：

步骤4.2.1、根据步骤3.2.1～步骤3.2.2中方法获得带速最优解V₁；

步骤4.2.2、提取当前级带式输送机从第i到第i+k时刻的带速值{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，采用最小二乘法进行线性拟合，可以得出带速随时间变化一次线性曲线v＝Mi+b，

若M>1，则比较{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}序列中带速最大值max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}和最小值min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}与带式输送机最大带速Vmax间关系，若max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}<V_max，则当前级及后续带式输送机带速增加量为V_max-max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}；若min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}>V_max，则当前级及后续带式输送机带速减少量为max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}-V_max，若min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}≦V_max≦max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，则当前级及后续带式输送机带速减少量为max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}-V_max，

若M＝1，求取第i到第i+k时刻带速平均值判断当前级带式输送机带速值与V₁之间的大小关系，若则当前级及后续带式输送机带速减少量为若 则当前级及后续带式输送机带速改变量为0；若则当前级及后续带式输送机带速增加量为

若M<1，则比较{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}序列中带速最大值max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}和最小值min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}与V_max间关系，若max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}<V_max，则当前级及后续带式输送机带速增加量为V_max-min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}；若min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}>V_max，则当前级及后续带式输送机带速减少量为min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}-V_max，若max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}≥V₁≥min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，则当前级及后续带式输送机带速增加量为V_max-min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，

步骤5、将各级的带式输送机带速对应的增减量进行叠加，获得各级带式输送机带速的改变量，

步骤6、现场执行模块7根据各级带式输送机带速的改变量对各级带式输送机进行实时调速。

如上所述的物料瞬时流量值为设置在带式输送机首部、中部和尾部的物料流状态激光采集装置采集物料瞬时流量值的平均值。

有益效果：本发明在于提供一种基于物联网感知技术的多级带式输送机协调控制决策系统，弥补国内尚无全自动大型多级带式输送机带速协调控制装置的现状。物料流激光采集装置分别安装于各级带式输送机输送带中部，信号采集与处理模块用于采集激光扫描仪和光电编码器输出的物料流状态激光数据和带速信号，并将所述物料流状态激光数据和带速信号进行滤波处理；信号采集与处理模块将滤波后的物料流状态激光数据通过以太网传输至基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置，同时将带速信号无线传输至基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置；系统运行过程中，所述信号采集与处理模块将不断将物料流状态激光采集装置检测的物料瞬时流量和光电编码器检测的带速信号采集、处理后，无线传输至基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置。基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置根据当前级带式输送机一段采样周期内的物料瞬时流量值与设定值进行比较，即可决定是否启动调速控制决策判断程序，从而得到当前级及后续各级带式输送机带速控制信号。现场执行模块根据带速控制信号对多级带式输送机进行实时调速，并根据光电编码器反馈的带速信号进行实时调整。从而有效优化多级带式输送机调速节能控制作业流程，提升多级带式输送机调速控制智能化水平，达到港口多级带式输送机系统作业最佳节能效果。该系统结构简单、安装使用方便、可实施性强、自动化程度高、安全可靠，可以实现港口大型多级带式输送机系统带速的协调控制。纵观国内现有的带式输送机调速控制领域的自动化系统和设备，本发明所提的设计目标尚无单位实现。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为一种基于物联网的多级带式输送机协调控制系统的结构示意图。

其中包括物料流状态激光采集装置、光电编码器、信号采集与处理模块、基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置、现场执行模块。

图2为本发明物料流状态激光采集装置的结构示意图。

图3为一种基于物联网的多级带式输送机协调控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：

实施例1：

一种基于物联网的多级带式输送机协调控制系统，包括用于监测多级物料传输装置的物料瞬时流量的物料流状态激光采集装置1，还包括

光电编码器2、用于监测物料传输装置的传输皮带转速；

信号采集与处理模块3，用于接收光电编码器2发送的带式输送机带速信号和物料流状态激光采集装置1采集的物料瞬时流量，并将带式输送机带速信号和物料瞬时流量传输给第一无线信号传输模块4；

第一无线信号传输模块4，用于将带式输送机带速信号和物料瞬时流量发送到第二无线信号传输模块5；

第二无线信号传输模块5，用于接收带式输送机带速信号和物料瞬时流量发送给基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置6；

基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置6，用于根据带式输送机带速信号和物料瞬时流量输出传输皮带转速改变值给现场执行模块7；

现场执行模块7，用于根据传输皮带转速改变值改变物料传输装置的传输皮带的转速。

如图1所示，针对每一级带式输送机包括：检测带式输送机物料流输送状态的物料流状态激光采集装置1、检测输送带运行速度的光电编码器2、信号采集与处理模块3、第一无线信号传输模块4、第二无线信号传输模块5、基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置6、现场执行模块7。

如图1所示，在大型多级带式输送机输送散料过程中，为协调控制相邻各级带式输送机有效实施带速运行控制技术，优化多级带式输送机调速节能控制作业流程，需要为每一级带式输送机安装物料流状态激光采集装置1和光电编码器2，所述物料流状态激光采集装置1中激光扫描仪垂直向下对准物料流，并确保物料流通方向垂直于激光扫描扇面，通过物料流状态激光采集装置1来检测当前级带式输送机输送带上的物料瞬时流量；当当前级带式输送机物料瞬时流量减少时，物料流状态激光采集装置采集的当前物料流截面面积就会减小；每级带式输送机需要布设三个物料流状态激光采集装置1，分别安装于输送带物料流下料段附近、中间段及与下一级带式输送机联接处附近的末尾段，提高检测当前级带式输送机物料瞬时流量的准确性。所述光电编码器2用于检测当前级带式输送机实时带速；当当前级带式输送机带速升高时，光电编码器检测的脉冲就会增多；所述光电编码器2可与当前级带式输送机驱动滚筒同轴联接，也可紧贴输送带下底面随输送带前进而同步旋转。物料流状态激光采集装置1与光电编码器2的输出端与信号采集与处理模块3相连，将物料流状态激光采集装置1和光电编码器2检测的物料流输送状态和带速信号采集并处理后无线传输至基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置6。

所述信号采集与处理模块3包括数据采集转换卡和智能控制器。所述信号采集与处理模块3的输出端与第一无线信号传输模块4相连，所述第一无线信号传输模块4通过第一天线与第二无线信号传输模块5的第二天线无线连接；第二无线信号传输模块5的输出端与基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置6相连。所述的信号采集与处理模块3(单片机、FPGA等)可将光电编码器2信号采集后转换为带速信息。所述的信号采集与处理模块3可将光电编码器2信号采集并发送至第一无线信号传输模块4。所述的信号采集与处理模块3的数据采集转换卡可以将物料流激光采集装置1中激光扫描仪与基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置6相连。通过将物料流状态激光采集装置1检测的物料流激光点云数据高速采集，并转换成RS422通信协议以便通过以太网高速传输至基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置6。

在线实时采集当前级带式输送机布设的三个物料流状态激光采集装置1检测值与光电编码器2检测值，同时存储同一采样时刻获取的三个物料瞬时流量值和带速值(采样周期大于激光采集周期和光电编码器采集周期)，将同一采样时刻对应的三个物料瞬时流量值求取平均得到当前级带式输送机该采样时刻的物料瞬时流量，

根据当前物料瞬时流量判断各级带式输送机的带速改变量。

所述的现场执行模块7根据带速改变量对当前级及其后续连接的各级带式输送机进行实时调速，并根据光电编码器2反馈的带速信号进行实时调整，可有效提升多级带式输送机调速控制智能化水平，达到港口多级带式输送机系统作业最佳节能效果。

所述物料流激光采集装置1包括辅助安装支架，所述辅助安装支架的中间固定安装有玻璃板，所述辅助安装支架的垂直高度及玻璃板水平位置可以调节；辅助安装支架中间玻璃板设置了用于固定激光扫描仪的四个螺栓孔，所述激光扫描仪输送带上物料流输送状态，所述激光扫描仪需要稳定的24V直流电源供电；激光扫描仪具有串行通信接口。

所述的基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置6包括控制中心工控机、LCD显示屏和便携式移动终端；所述控制中心工控机接收信号采集与处理模块传输的物料流状态激光数据和带速信号；所述控制中心工控机与LCD显示屏连接；所述的便携式移动终端可通过无线方式访问控制中心工控机。

港口或散货码头内大型多级带式输送机系统各级带式输送机都可以安装物料流状态激光采集装置1和光电编码器2，主要用于检测当前级带式输送机输送带上物料瞬时流量和输送带带速。每级带式输送机物料瞬时流量及带速均可通过相应的信号采集与处理模块3、第一无线信号传输模块4、第二无线信号传输模块5传输至基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置6内，基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置6可以根据各级带式输送机的地址编码进行相应的解码，能够有效提取当前各级带式输送机物料输送状态信息，实现多级带式输送机协调控制决策。现场执行模块7根据带速控制信号对多级带式输送机进行实时调速，并根据光电编码器反馈的带速信号进行实时调整。基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置6可以为控制中心工控机构成的监控管理系统，用于对多级带式输送机物料输送状态进行监控，实现基于物联网感知技术的多级带式输送机协调控制决策。

图2是本发明的基于物联网感知技术的多级带式输送机协调控制决策系统中，物料流状态激光采集装置的结构示意图。包括激光扫描仪、串口处理器、辅助安装支架、激光数据采集控制器、24V直流电源、料位检测开关、料位检测控制器。激光扫描仪为二维激光测距仪，由采集软件控制器控制激光扫描仪开始/停止采集，实现激光数据采集。物料检测开关信号与激光数据采集控制器相连，用于触发物料流轮廓截面激光点云数据采集。

图3为本发明的基于物联网感知技术的多级带式输送机协调控制决策系统的控制模块主程序流程图。

在本实施例中，采用SICK公司LMS511激光扫描测量系统作为物料流状态激光采集装置1，物料瞬时流量值通过串行通信接口输出后与信号采集与处理模块的数据采集转换卡MOXA Nport 6250模块连接，遵循Ethernet通讯协议，构建带有多个路由节点的各级带式输送机物料瞬时流量监控网络，传送物料瞬时流量参数。采用德国SEW光电编码器ES1T(OG72DN1024TTL)作为带速检测传感器，供电电压5V，输出5V TTL/RS-422信号，通过安装于各级带式输送机带速检测模块上的Si4432无线网络节点进行发送，再通过信号采集与处理模块的智能控制器控制Si4432无线网络节点进行信号收发，可确保信号在远距离传输时减少传输时延，提高数据传输的稳定性。

所述信号采集与处理模块3采用FPGA或单片机负责程序的存储、执行和数据处理，并通过移植uIP协议栈，实现嵌入式Web服务器，并以嵌入式Web服务器的方式连接Si4432无线网络和Internet，具有低成本、低功耗的特点。信号采集与处理模块3将Si4432无线网络节点传输过来的光电编码器采集数据转换为带速信息，在嵌入式Web页面服务器上进行显示。同时，无线发送至基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置中控制中心工控机。

所述的基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置6包括控制中心工控机、LCD显示屏和便携式移动终端；所述控制中心工控机接收信号采集与处理模块传输的物料流状态激光数据和带速信号。工控机接收到各级带式输送机物料瞬时流量及带速数据后，将各级带式输送机地址与相应物料瞬时流量及带速信息采用实时网络拓扑图显示；所述控制中心工控机与LCD显示屏连接。各级带式输送机物料瞬时流量、与同时刻的带速信号、时间采用实时三维曲线显示，并将采集数据按照预定的格式存储于网络数据库中，便于进行历史记录分析；所述的便携式移动终端可通过无线方式访问控制中心工控机。用户可以通过任意一台连接入网的PC机、手机等便携式移动终端访问控制中心工控机以查看散货码头各带式输送机的实时监测数据，并可根据需要发出各级带式输送机带速控制信号给现场执行模块7。

实施例2：

一种基于物联网的多级带式输送机协调控制方法，包括以下步骤：

步骤1、信号采集与处理模块3将采集到的当前级带式输送机物料瞬时流量信号和采集到的当前级带式输送机带速信号通过第一无线信号传输模块4和第二无线信号传输模块5传输给基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置6；

步骤2、基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置6根据物料瞬时流量信号和带式输送机带速信号获得当前级的物料瞬时流量值和带式输送机带速值；

步骤3、当前级第i采样时刻物料瞬时流量q_iG小于物料流量设定值Q_G时，依次比较相邻后续采样时刻物料瞬时流量与物料流量设定值大小，若当前级带式输送机物料瞬时流量连续在第i+k个采样时刻小于物料流量设定值，而在第i+k+1个采样时刻物料瞬时流量大于物料流量设定值，则判断：

步骤3.1、当当前级带式输送机在从第i到第i+k时刻物料瞬时流量值{q_iG,q_(i+1)G,…,q_(i+k)G}小于物料流量设定值状态的持续时间长度小于设定的采样周期N倍时，N为整数，则当前级带式输送机和后各级带式输送机的传输改变量为0，

步骤3.2、当当前级带式输送在从第i到第i+k时刻物料瞬时流量值{q_iG,q_(i+1)G,…,q_(i+k)G}小于物料流量设定值状态的持续时间长度大于等于设定的采样周期N倍时，N为整数，则启动调速控制决策判断步骤，

调速控制决策判断步骤包括以下步骤：

步骤3.2.1、建立如下目标规划模型：

$max\frac{Q}{P_A}=\frac{\underset{l=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}3.6q_{lG}{v}_l}{\underset{l=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&theta;}}_{1l}{v}_l+\underset{l=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&theta;}}_{2l}{q}_{lG}{v}_l}$        公式1

其中θ_1l＝cfL_lg(q_lRc+q_lRu+2q_lBcosδ)/η₁η₂          公式5

θ_2l＝g(cfL_lcosδ+H)/η₁η₂          公式6

式中，P_A为带式输送机驱动滚筒所需功率，kW/h；

Q为带式输送机每小时输送物料量，t/h；

Q_max为带式输送机每小时能承受的最大输送物料量，t/h；

L为输送机总水平投影长度；

n为带式输送机全长分段数；

l为当前单位段；

H为带式输送机总垂直提升高度；

δ为倾斜角；

q_lB为当前第l单位段输送带质量，kg/m；

q_lRc为当前第l单位段承载边旋转托辊质量，kg/m；

q_lRu为当前第l单位段回程旋转托辊质量，kg/m；

f为模拟摩擦系数；

g为重力加速度；

c为与带式输送机长度系数；

q_lG为当前第l单位段输送物料每米质量，kg/m；

v_l为当前第l单位段带速；

Vmax为带式输送机满载下可承受的最大带速；

Vmin为带式输送机运输散料最小带速；

η₁为传动效率；

η₂为机械效率；

s.t.为约束条件，

步骤3.2.2、将第i到第i+k时刻物料瞬时流量{q_iG,q_(i+1)G,…,q_(i+k)G}带入公式1和3，通过求解公式1-6组合的目标规划模型，得到带速最优解V₁，

提取当前级带式输送机从第i到第i+k时刻的带速值{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，采用最小二乘法进行线性拟合，可以得出带速随时间变化一次线性曲线v＝Mi+b，

若M>1，则比较{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}序列中带速最大值max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}和最小值min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}与V₁间关系，若max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}<V₁，则当前级及后续带式输送机带速增加量为V₁-max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}；若min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}>V₁，则当前级及后续带式输送机带速减少量为max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}-V₁；若min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}≦V₁≦max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，则当前级及后续带式输送机带速减少量为max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}-V₁，

若M＝1，求取第i到第i+k时刻带速平均值判断当前级带式输送机带速值与V₁之间的大小关系，若则当前级及后续带式输送机带速减少量为若则当前级及后续带式输送机带速改变量为0；若则当前级及后续带式输送机带速增加量为

若M<1，则比较{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}序列中带速最大值max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}和最小值min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}与V₁间关系，若max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}<V₁，则当前级及后续带式输送机带速增加量为V₁-min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}；若min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}>V₁，则当前级及后续带式输送机带速减少量为min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}-V₁，若max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}≥V₁≥min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，则当前级及后续带式输送机带速增加量为V₁-min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，

步骤4、当当前级第i采样时刻物料瞬时流量q_iG大于物料流量设定值Q_G时，依次比较相邻后续采样时刻物料瞬时流量与物料流量设定值大小，若当前级带式输送机物料瞬时流量连续在第i+k个采样时刻大于物料流量设定值，而在第i+k+1个采样时刻物料瞬时流量小于物料流量设定值，则判断：

步骤4.1、当当前级带式输送机在从第i到第i+k时刻物料瞬时流量值{q_iG,q_(i+1)G,…,q_(i+k)G}大于物料流量设定值状态的持续时间长度小于设定的采样周期N倍时，N为整数，则当前级带式输送机和后各级带式输送机的带速改变量为0，

步骤4.2、当当前级带式输送机从第i到第i+k时刻物料瞬时流量{q_iG,q_(i+1)G,…,q_(i+k)G}大于物料流量设定值状态持续时间长度大于等于设定的采样周期N倍时，N为整数，则启动最大带速V_max控制步骤，

最大带速V_max控制步骤包括以下步骤：

步骤4.2.1、根据步骤3.2.1～步骤3.2.2中方法获得带速最优解V₁；

步骤4.2.2、提取当前级带式输送机从第i到第i+k时刻的带速值{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，采用最小二乘法进行线性拟合，可以得出带速随时间变化一次线性曲线v＝Mi+b，

若M>1，则比较{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}序列中带速最大值max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}和最小值min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}与带式输送机最大带速Vmax间关系，若max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}<V_max，则当前级及后续带式输送机带速增加量为V_max-max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}；若min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}>V_max，则当前级及后续带式输送机带速减少量为max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}-V_max，若min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}≦V_max≦max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，则当前级及后续带式输送机带速减少量为max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}-V_max，

若M＝1，求取第i到第i+k时刻带速平均值判断当前级带式输送机带速值与V₁之间的大小关系，若则当前级及后续带式输送机带速减少量为若 则当前级及后续带式输送机带速改变量为0；若则当前级及后续带式输送机带速增加量为

若M<1，则比较{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}序列中带速最大值max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}和最小值min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}与V_max间关系，若max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}<V_max，则当前级及后续带式输送机带速增加量为V_max-min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}；若min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}>V_max，则当前级及后续带式输送机带速减少量为min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}-V_max，若max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}≥V₁≥min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，则当前级及后续带式输送机带速增加量为V_max-min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，

步骤5、将各级的带式输送机带速对应的增减量进行叠加，获得各级带式输送机带速的改变量，

步骤6、现场执行模块7根据各级带式输送机带速的改变量对各级带式输送机进行实时调速。

所述的物料瞬时流量值为设置在带式输送机首部、中部和尾部的物料流状态激光采集装置1采集物料瞬时流量值的平均值。

另外，用户可通过手机、笔记本等便携式移动终端访问基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置中控制中心工控机，当观察到物料装卸完毕或一段时间物料流量低于满载时，可根据自己实际经验判断并通过嵌入式Web网页手动发出的带速控制信号通过现场执行模块7进行带速控制。

所述现场执行模块7包括控制节点和变频器，可以根据接收到的控制信号做出响应，当接收到基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置6内的控制中心工控机输出带速控制信号后，现场执行模块7首先选通需要调速的带式输送机控制开关，再根据带速控制信号设定与当前需要调速的各级带式输送机驱动电动机相连的变频器输出频率，从而实现对多级带式输送机进行调速协调控制。

实施例3：

一种基于物联网的多级带式输送机协调控制方法，包括以下步骤：

步骤1、信号采集与处理模块3将采集到的当前级带式输送机物料瞬时流量信号和采集到的当前级带式输送机带速信号通过第一无线信号传输模块4和第二无线信号传输模块5传输给基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置6；

步骤2、基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置6根据物料瞬时流量信号和带式输送机带速信号获得当前级的物料瞬时流量值和带式输送机带速值；

步骤3、求取当前级带式输送机在设定时间间隔内的物料瞬时流量的平均值Q_a，

若Q_a大于等于设定流量范围最大值，则当前级带式输送机以及后续各级带式输送机的转速减少量为△V_m；△V_m为预设量；

若Q_a小于设定流量范围最大值且大于设定流量范围最小值，则当前级带式输送机以及后续各级带式输送机的转速改变量为0；

若Q_a小于等于设定流量范围最小值，则当前级带式输送机以及后续各级带式输送机的转速增加量为△V_m；

步骤4、将各级的带式输送机带速对应的增减量进行叠加，获得各级带式输送机带速的改变量，

步骤6、现场执行模块7根据各级带式输送机带速的改变量对各级带式输送机进行实时调速。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出的各种修改或等同替换页落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于物联网的多级带式输送机协调控制系统，包括用于监测多级物料传输装置的物料瞬时流量的物料流状态激光采集装置(1)，其特征在于，还包括

光电编码器(2)、用于监测物料传输装置的传输皮带转速；

信号采集与处理模块(3)，用于接收光电编码器(2)发送的带式输送机带速信号和物料流状态激光采集装置(1)采集的物料瞬时流量，并将带式输送机带速信号和物料瞬时流量传输给第一无线信号传输模块(4)；

第一无线信号传输模块(4)，用于将带式输送机带速信号和物料瞬时流量发送到第二无线信号传输模块(5)；

第二无线信号传输模块(5)，用于接收带式输送机带速信号和物料瞬时流量发送给基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置(6)；

基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置(6)，用于根据带式输送机带速信号和物料瞬时流量输出传输皮带转速改变值给现场执行模块(7)；

现场执行模块(7)，用于根据传输皮带转速改变值改变物料传输装置的传输皮带的转速。

2.一种基于物联网的多级带式输送机协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、信号采集与处理模块(3)将采集到的当前级带式输送机物料瞬时流量信号和采集到的当前级带式输送机带速信号通过第一无线信号传输模块(4)和第二无线信号传输模块(5)传输给基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置(6)；

步骤2、基于物联网的多级带式输送机协调控制管理装置(6)根据物料瞬时流量信号和带式输送机带速信号获得当前级的物料瞬时流量值和带式输送机带速值；

步骤3、当前级第i采样时刻物料瞬时流量q_iG小于物料流量设定值Q_G时，依次比较相邻后续采样时刻物料瞬时流量与物料流量设定值大小，若当前级带式输送机物料瞬时流量连续在第i+k个采样时刻小于物料流量设定值，而在第i+k+1个采样时刻物料瞬时流量大于物料流量设定值，则判断：

步骤3.1、当当前级带式输送机在从第i到第i+k时刻物料瞬时流量值{q_iG,q_(i+1)G,…,q_(i+k)G}小于物料流量设定值状态的持续时间长度小于设定的采样周期N倍时，N为整数，则当前级带式输送机和后各级带式输送机的传输改变量为0，

步骤3.2、当当前级带式输送在从第i到第i+k时刻物料瞬时流量值{q_iG,q_(i+1)G,…,q_(i+k)G}小于物料流量设定值状态的持续时间长度大于等于设定的采样周期N倍时，N为整数，则启动调速控制决策判断步骤，

调速控制决策判断步骤包括以下步骤：

步骤3.2.1、建立如下目标规划模型：

$max\frac{Q}{P_A}=\frac{\underset{l=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}3.6q_{lG}{v}_l}{\underset{l=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&theta;}}_{1l}{v}_l+\underset{l=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&theta;}}_{2l}{q}_{lG}{v}_l}$    公式1

其中θ_1l＝cfL_lg(q_lRc+q_lRu+2q_lB cosδ)/η₁η₂   公式5

θ_2l＝g(cfL_l cosδ+H)/η₁η₂   公式6

式中，P_A为带式输送机驱动滚筒所需功率，kW/h；

Q为带式输送机每小时输送物料量，t/h；

Q_max为带式输送机每小时能承受的最大输送物料量，t/h；

L为输送机总水平投影长度；

n为带式输送机全长分段数；

l为当前单位段；

H为带式输送机总垂直提升高度；

δ为倾斜角；

q_lB为当前第l单位段输送带质量，kg/m；

q_lRc为当前第l单位段承载边旋转托辊质量，kg/m；

q_lRu为当前第l单位段回程旋转托辊质量，kg/m；

f为模拟摩擦系数；

g为重力加速度；

c为与带式输送机长度系数；

q_lG为当前第l单位段输送物料每米质量，kg/m；

v_l为当前第l单位段带速；

Vmax为带式输送机满载下可承受的最大带速；

Vmin为带式输送机运输散料最小带速；

η₁为传动效率；

η₂为机械效率；

s.t.为约束条件，

步骤3.2.2、将第i到第i+k时刻物料瞬时流量{q_iG,q_(i+1)G,…,q_(i+k)G}带入公式1和3，通过求解公式1-6组合的目标规划模型，得到带速最优解V₁，

提取当前级带式输送机从第i到第i+k时刻的带速值{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，采用最小二乘法进行线性拟合，可以得出带速随时间变化一次线性曲线v＝Mi+b，

若M>1，则比较{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}序列中带速最大值max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}和最小值min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}与V₁间关系，若max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}<V₁，则当前级及后续带式输送机带速增加量为V₁-max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}；若min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}>V₁，则当前级及后续带式输送机带速减少量为max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}-V₁；若min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}≦V₁≦max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，则当前级及后续带式输送机带速减少量为max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}-V₁，

若M＝1，求取第i到第i+k时刻带速平均值判断当前级带式输送机带速值与V₁之间的大小关系，若则当前级及后续带式输送机带速减少量为若则当前级及后续带式输送机带速改变量为0；若则当前级及后续带式输送机带速增加量为

若M<1，则比较{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}序列中带速最大值max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}和最小值min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}与V₁间关系，若max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}<V₁，则当前级及后续带式输送机带速增加量为V₁-min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}；若min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}>V₁，则当前级及后续带式输送机带速减少量为min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}-V₁，若max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}≥V₁≥min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，则当前级及后续带式输送机带速增加量为V₁-min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，

步骤4、当当前级第i采样时刻物料瞬时流量q_iG大于物料流量设定值Q_G时，依次比较相邻后续采样时刻物料瞬时流量与物料流量设定值大小，若当前级带式输送机物料瞬时流量连续在第i+k个采样时刻大于物料流量设定值，而在第i+k+1个采样时刻物料瞬时流量小于物料流量设定值，则判断：

步骤4.1、当当前级带式输送机在从第i到第i+k时刻物料瞬时流量值{q_iG,q_(i+1)G,…,q_(i+k)G}大于物料流量设定值状态的持续时间长度小于设定的采样周期N倍时，N为整数，则当前级带式输送机和后各级带式输送机的带速改变量为0，

步骤4.2、当当前级带式输送机从第i到第i+k时刻物料瞬时流量{q_iG,q_(i+1)G,…,q_(i+k)G}大于物料流量设定值状态持续时间长度大于等于设定的采样周期N倍时，N为整数，则启动最大带速V_max控制步骤，

最大带速V_max控制步骤包括以下步骤：

步骤4.2.1、根据步骤3.2.1～步骤3.2.2中方法获得带速最优解V₁；

步骤4.2.2、提取当前级带式输送机从第i到第i+k时刻的带速值{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，采用最小二乘法进行线性拟合，可以得出带速随时间变化一次线性曲线v＝Mi+b，

若M>1，则比较{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}序列中带速最大值max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}和最小值min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}与带式输送机最大带速Vmax间关系，若max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}<V_max，则当前级及后续带式输送机带速增加量为V_max-max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}；若min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}>V_max，则当前级及后续带式输送机带速减少量为max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}-V_max，若min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}≦V_max≦max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，则当前级及后续带式输送机带速减少量为max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}-V_max，

若M＝1，求取第i到第i+k时刻带速平均值判断当前级带式输送机带速值与V₁之间的大小关系，若则当前级及后续带式输送机带速减少量为若 则当前级及后续带式输送机带速改变量为0；若则当前级及后续带式输送机带速增加量为

若M<1，则比较{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}序列中带速最大值max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}和最小值min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}与V_max间关系，若max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}<V_max，则当前级及后续带式输送机带速增加量为V_max-min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}；若min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}>V_max，则当前级及后续带式输送机带速减少量为min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}-V_max，若max{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}≥V₁≥min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，则当前级及后续带式输送机带速增加量为V_max-min{v_i,v_(i+1),…,v_(i+k)}，

步骤5、将各级的带式输送机带速对应的增减量进行叠加，获得各级带式输送机带速的改变量，

步骤6、现场执行模块7根据各级带式输送机带速的改变量对各级带式输送机进行实时调速。

3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的多级带式输送机协调控制方法，其特征在于，所述的物料瞬时流量值为设置在带式输送机首部、中部和尾部的物料流状态激光采集装置(1)采集物料瞬时流量值的平均值。