CN113285420B - 一种基于电流的皮带机纵联差动保护方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电流的皮带机纵联差动保护方法及系统，用于皮带机运行时对其进行保护，方法包括：周期性采集皮带机的电流值；判断皮带机是否为空载运行，若是则通过空载保护步骤对皮带机进行保护，否则通过负载保护步骤对皮带机进行保护。与现有技术相比，本发明具有准确性高、可靠性高、安全性好和及时性强等优点。

Description

一种基于电流的皮带机纵联差动保护方法及系统

技术领域

本发明涉及一种输煤皮带机保护技术，尤其是涉及一种基于电流的皮带机纵联差动保护方法及系统。

背景技术

目前，输煤皮带机的外保护主要是拉绳保护、跑偏保护、打滑保护和堵煤保护等。拉绳保护动作于巡检人员在现场发现异常而手动紧急停车；跑偏保护检测到胶带位置发生偏移而动作；打滑保护检测到从动滚筒转速偏低而动作；堵煤保护监测到落煤管内煤位过高而动作。虽然皮带机电动机有过电流保护，但该保护的设计目的是保护电动机绕组不至于过热而烧损。

在实际运行条件下，以上诸多外保护存在的问题主要如下：

1.外保护元件和信号传输线路繁多，既增加了平时巡检维护工作量，也由于输煤皮带机所处环境多为潮湿、多灰环境，外保护元件易发生缺陷而发生拒动和误动，而外保护拒动会导致皮带机故障扩大，外保护误动会导致皮带机无法正常运行。

2.输煤皮带机的外保护不能动作于皮带机易发生的胶带撕裂、漏煤等故障，而为修复此类故障所花费的人力、物力、时间都相当大，增加运维成本，同时由于皮带机长时间故障抢修停役而无法加仓导致发电机组原煤仓无煤而被迫停发电机组，极大地威胁系统安全。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于电流的皮带机纵联差动保护方法及系统，准确性高，可靠性高，安全性好，及时性强。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于电流的皮带机纵联差动保护方法，用于皮带机运行时对其进行保护，包括：

周期性采集皮带机的电流值；

判断皮带机是否为空载运行，若是则通过空载保护步骤对皮带机进行保护，否则通过负载保护步骤对皮带机进行保护；

其中，所述的空载保护步骤包括：

将连续采集的第一设定数量的电流值打包为一组电流时序数据；

计算电流数据差值百分比n，计算公式为：

其中，I(i)为最新生成的一组电流时序数据中的第i个电流值，I₀(i)为上一组生成的电流时序数据中第i个电流值；

判断n是否大于第一设定值，若是则执行第一保护子步骤，否则判定该皮带机正常运行，并更新I(i)；

所述的负载保护步骤包括：

判断是否满足以下不等式：

I₁(t)-I₁(t-T₁)＞k(I₂(t)-I₂(t-T₂))

其中，I₁(t)为上级皮带机在t时刻的电流值，T₁为上级皮带机的带速周期，I₂(t)为下级皮带机在t时刻的电流值，T₂为下级皮带机的带速周期，k为可靠系数；

若是则执行第二保护子步骤，否则判定下级皮带机正常运行。

进一步地，根据以下公式更新I(i)：

I(i)＝0.95I₀(i)+0.05I(i)

由于皮带机本身存在缓慢的老化过程，其空载电流特性在缓慢变化，考虑到测量误差等因素，因此将最新生成的一组电流时序数据5％的权重更新上一组生成的电流时序数据，并作为下一次比对用的历史电流时序数据。

进一步地，所述的皮带机的电流值的采集过程包括：

周期性采集皮带机的电流有效值，取一时间段内连续采集的第二设定数量的电流有效值的平均值，作为皮带机在该时间段的电流值。

进一步地，所述的第一保护子步骤包括：

判断n是否大于第二设定值，所述的第二设定值大于第一设定值，若是则说明皮带机本身有严重缺陷，控制皮带机跳闸，否则发出警报，提醒工作人员注意。

进一步地，所述的第二保护子步骤包括：

控制皮带机跳闸或发出警报。

一种基于电流的皮带机纵联差动保护系统，包括空载判定模块、电流采集模块、空载保护模块和负载保护模块；

所述的电流采集模块周期性采集并存储皮带机的电流值；

所述的空载判定模块判断皮带机是否为空载运行，若是则空载保护模块通过空载保护步骤对皮带机进行保护，否则负载保护模块通过负载保护步骤对皮带机进行保护；

所述的空载保护模块包括数据打包单元、差值计算单元、第一保护单元和数据更新单元，所述的空载保护步骤包括：

所述的数据打包单元将连续采集的第一设定数量的电流值打包为一组电流时序数据；

所述的差值计算单元计算电流数据差值百分比n，计算公式为：

其中，I(i)为最新生成的一组电流时序数据中的第i个电流值，I₀(i)为上一组生成的电流时序数据中第i个电流值；

所述的第一保护单元判断n是否大于第一设定值，若是则执行第一保护子步骤，否则判定该皮带机正常运行，且数据更新单元更新I(i)；

所述的负载保护模块包括平衡判断单元和第二保护单元，所述的负载保护步骤包括：

所述的平衡判断单元判断是否满足以下不等式：

I₁(t)-I₁(t-T₁)＞k(I₂(t)-I₂(t-T₂))

其中，I₁(t)为上级皮带机在t时刻的电流值，T₁为上级皮带机的带速周期，I₂(t)为下级皮带机在t时刻的电流值，T₂为下级皮带机的带速周期，k为可靠系数；

若是则第二保护单元执行第二保护子步骤，否则判定下级皮带机正常运行。

进一步地，所述的数据更新单元根据以下公式更新I(i)：

I(i)＝0.95I₀(i)+0.05I(i)

由于皮带机本身存在缓慢的老化过程，其空载电流特性在缓慢变化，考虑到测量误差等因素，因此将最新生成的一组电流时序数据5％的权重更新上一组生成的电流时序数据，并作为下一次比对用的历史电流时序数据。

进一步地，所述的电流采集模块采集电流值的过程包括：

所述的电流采集模块周期性采集皮带机的电流有效值，取一时间段内连续采集的第二设定数量的电流有效值的平均值，作为皮带机在该时间段的电流值。

进一步地，所述的第一保护子步骤包括：

所述的第一保护单元判断n是否大于第二设定值，所述的第二设定值大于第一设定值，若是则说明皮带机本身有严重缺陷，控制皮带机跳闸，否则发出警报，提醒工作人员注意。

进一步地，所述的第二保护子步骤包括：

所述的第二保护单元控制皮带机跳闸或发出警报。

与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

(1)本发明周期性采集皮带机的电流值，将连续采集的第一设定数量的电流值打包为一组电流时序数据，根据皮带机自身的最新电流时序数据和历史电流时序数据的差值百分比来判断是否保护动作跳闸，准确性和可靠性高，本身具有缺陷的皮带机的驱动电动机是带动空皮带启动时，能够在极短时间内采取保护措施，避免了缺陷的扩大，安全性好；

(2)本发明周期性采集皮带机的电流值，根据上级皮带机的实时电流数据来整定下级皮带机的保护动作值，提高了保护精度，当皮带机发生漏煤、胶带撕裂、胶带跑偏和落煤管堵煤等异常情况，下级皮带机电流减小，此时负载保护步骤可快速发现以上故障情况，并及时发出警报或停止皮带机，避免故障扩大，安全性好；

(3)本发明将最新生成的一组电流时序数据5％的权重更新上一组生成的电流时序数据，并作为下一次比对用的历史电流时序数据，由于皮带机老化，导致皮带机启动电流特性曲线发生变化，通过不断更新历史电流时序数据，提高了计算结果的准确性和可靠性。

(4)本发明根据电流数据差值百分比的大小进行分级响应，电流数据差值百分比介于第一设定值和第二设定值之间时，发出警报，提醒工作人员注意，电流数据差值百分比大于第二设定值时，说明皮带机本身有严重缺陷，控制皮带机跳闸，安全性好。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为皮带机电动机保护装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种基于电流的皮带机纵联差动保护方法，用于皮带机运行时对其进行保护，如图2，保护方法基于皮带机电动机保护装置，皮带机电动机保护装置包括电流互感器、电流变送器、PLC、上位计算机和皮带机电动机上的接触器，电流互感器串于输煤系统的各个皮带机电动机动力回路，电流互感器采集皮带机的电流有效值，输送至电流变送器，电流变送器转换生成4-20mA电流信号，并送入PLC模拟量输入端，将皮带机的接触器的副接点信号送入PLC开关量输入端，作为PLC判断皮带机电动机运行状态的数据，PLC向上位计算机发送警报，工作人员通过上位计算机查看警报，PLC发出跳闸指令，跳闸指令通过开关量输出端经隔离中继接入接触器跳闸回路。

皮带机通常都是空载启动，皮带机空载启动即皮带机在其胶带面上无任何物料的条件下启动，此时皮带机的驱动电动机是带空皮带启动，经过皮带机启动时间后皮带机负载运行，电动机的启动电流曲线是固定的一条曲线，若实际运行过程中发现启动电流曲线与这条固定的启动电流曲线发生偏差，且偏差值超过一定限值，即可判断皮带机存在故障，通过PLC向上位计算机发出警告，或通过PLC向接触器发送跳闸指令，使得皮带机电动机动力回路断开，皮带机停止，避免故障扩大；

基于上述原理，如图1，保护方法包括：

1)判断PLC是否收到接触器的合闸信号，若是则执行步骤2)，否则重复步骤1)；

2)以接收到合闸信号的下一个周期为计时起点，开始计时，采集并记录各个周期的电流值；

3)执行空载保护步骤；

4)判断PLC是否收到接触器的跳闸信号，若是则结束，否则执行步骤5)；

5)判断计时时长是否大于皮带机启动时间，若是则执行步骤6)，否则执行步骤3)

6)执行负载保护步骤；

7)判断PLC是否收到接触器的跳闸信号，若是则结束，否则执行步骤6)。

步骤3)所述的空载保护步骤包括：

31)将连续采集的第一设定数量的电流值打包为一组电流时序数据；

32)计算电流数据差值百分比n，计算公式为：

其中，I(i)为最新生成的一组电流时序数据中的第i个电流值，I₀(i)为上一组生成的电流时序数据中第i个电流值；

33)判断n是否大于5％，若是则执行步骤34)，否则判定该皮带机正常运行，并根据以下公式更新I(i)：

I(i)＝0.95I₀(i)+0.05I(i) (2)

34)判断n是否大于20％，若是则说明皮带机本身有严重缺陷，控制皮带机跳闸，否则发出警报，提醒工作人员注意。

其中，空载电流值即空载下的皮带机的电流值，一般取5分钟能满足启动过程完毕且皮带机空载，5分钟即300秒，可产生300个电流值，因此步骤31)中的第一设定数量设为300。

步骤6)所述的负载保护步骤包括：

判断是否满足以下不等式：

I₁(t)-I₁(t-T₁)＞k(I₂(t)-I₂(t-T₂)) (3)

其中，I₁(t)为上级皮带机在t时刻的电流值，T₁为上级皮带机的带速周期，I₂(t)为下级皮带机在t时刻的电流值，T₂为下级皮带机的带速周期，k为可靠系数；

若是则判定下级皮带机正常运行，否则控制皮带机跳闸或发出警报。

在正常状态下，皮带机的时序煤流完全取决于上级皮带机的时序煤流，虽然皮带机电动机固有的机械特性曲线不是线性的，但在皮带机正常煤流负载的条件下，在机械特性曲线上的小区间内，曲线非常近似于直线，故可用直线段代替，因此负载运行的皮带机电流与皮带机胶带面上的煤炭总量具有线性函数关系，而胶带的带速是基本恒定的，带速周期满足以下公式：

因此皮带机胶带面上的当前煤炭总量是上级落煤管从现在上溯至皮带机的一个带速周期的煤流累积，正常情况下上下级皮带机电动机的负载电流值应满足公式(5)。

I₁(t)-I₁(t-T₁)＝k(I₂(t)-I₂(t-T₂)) (5)

因此当满足不等式(3)时，表明下级皮带机出现故障。

由于皮带机本身存在缓慢的老化过程，其空载电流特性在缓慢变化，考虑到测量误差等因素，因此通过公式(2)，将最新生成的一组电流时序数据5％的权重更新上一组生成的电流时序数据，并作为下一次比对用的历史电流时序数据。

皮带机实际的启动电流曲线是一条连续的曲线，而PLC只能处理离散数据，考虑到随机干扰对电流信号的影响，皮带机的电流值的采集过程包括：

周期性采集皮带机的电流有效值，取一时间段内连续采集的第二设定数量的电流有效值的平均值，作为皮带机在该时间段的电流值。

本实施例中，采样周期的采样周期为10ms，因此1s内可采集到100个电流有效值，取这100个电流有效值的平均值，作为皮带机在该秒的电流值。

空载保护步骤能够在皮带机的启动阶段对皮带进行保护，根据皮带机自身的最新电流时序数据和历史电流时序数据的差值百分比来判断是否保护动作跳闸，准确性和可靠性高，对于本身具有缺陷的皮带机，能够在极短时间内保护动作跳闸，避免了缺陷的扩大。

将电动机电流信号通过电流互感器和电流变送器输入PLC，将取自接触器的电动机运行信号输入PLC，PLC比较上下级电动机电流后给出相应的动作信号，接触器为保护的动作的执行元件，动作于跳闸，不等式(3)根据上级皮带机的实时电流数据来整定下级皮带机的保护动作值，通过比较上下级电动机电流后给出相应的动作信号，提高了保护精度，当皮带机正常运行时满足公式(5)，当皮带机发生漏煤、胶带撕裂、胶带跑偏和落煤管堵煤等异常情况，下级皮带机电流减小，此时不等式(3)成立，因此通过不等式(3)均快速发现以上故障情况，并及时发出警报或停止皮带机，避免故障扩大。

本实施例提出的保护方法基于皮带机电动机保护装置，无需对皮带机电动机保护装置的硬件作任何变更，只需修改PLC控制程序即可实现，成本低，操作简便。

实施例2

一种基于电流的皮带机纵联差动保护系统，包括空载判定模块、电流采集模块、空载保护模块和负载保护模块；

电流采集模块周期性采集并存储皮带机的电流值；

空载判定模块判断皮带机是否为空载运行，若是则空载保护模块通过空载保护步骤对皮带机进行保护，否则负载保护模块通过负载保护步骤对皮带机进行保护；

空载保护模块包括数据打包单元、差值计算单元、第一保护单元和数据更新单元，空载保护步骤包括：

数据打包单元将连续采集的设定数量的电流值打包为一组电流时序数据；

差值计算单元计算电流数据差值百分比n，计算公式为：

其中，I(i)为最新生成的一组电流时序数据中的第i个电流值，I₀(i)为上一组生成的电流时序数据中第i个电流值；

第一保护单元判断n是否大于5％，若是则执行第一保护子步骤，否则判定该皮带机正常运行，且数据更新单元更新I(i)；

第一保护子步骤包括：

第一保护单元判断n是否大于20％，若是则说明皮带机本身有严重缺陷，控制皮带机跳闸，否则发出警报，提醒工作人员注意。

负载保护模块包括平衡判断单元和第二保护单元，负载保护步骤包括：

平衡判断单元判断是否满足以下不等式：

I₁(t)-I₁(t-T₁)＞k(I₂(t)-I₂(t-T₂)) (7)

其中，I₁(t)为上级皮带机在t时刻的电流值，T₁为上级皮带机的带速周期，I₂(t)为下级皮带机在t时刻的电流值，T₂为下级皮带机的带速周期，k为可靠系数；

若是则第二保护单元控制皮带机跳闸或发出警报，否则判定下级皮带机正常运行。

在正常状态下，皮带机的时序煤流完全取决于上级皮带机的时序煤流，虽然皮带机电动机固有的机械特性曲线不是线性的，但在皮带机正常煤流负载的条件下，在机械特性曲线上的小区间内，曲线非常近似于直线，故可用直线段代替，因此负载运行的皮带机电流与皮带机胶带面上的煤炭总量具有线性函数关系，而胶带的带速是基本恒定的，带速周期满足以下公式：

因此皮带机胶带面上的当前煤炭总量是上级落煤管从现在上溯至皮带机的一个带速周期的煤流累积，正常情况下上下级皮带机电动机的负载电流值应满足公式(9)。

I₁(t)-I₁(t-T₁)＝k(I₂(t)-I₂(t-T₂)) (9)

因此当满足不等式(7)时，表明下级皮带机出现故障。

数据更新单元根据以下公式更新I(i)：

I(i)＝0.95I₀(i)+0.05I(i) (10)

由于皮带机本身存在缓慢的老化过程，其空载电流特性在缓慢变化，考虑到测量误差等因素，因此通过公式(8)，将最新生成的一组电流时序数据5％的权重更新上一组生成的电流时序数据，并作为下一次比对用的历史电流时序数据。

电流采集模块采集电流值的过程包括：

电流采集模块周期性采集皮带机的电流有效值，取一时间段内连续采集的第二设定数量的电流有效值的平均值，作为皮带机在该时间段的电流值。

本实施例中，采样周期的采样周期为10ms，因此1s内可采集到100个电流有效值，取这100个电流有效值的平均值，作为皮带机在该秒的电流值。

实施例1和实施例2提出了一种基于电流的皮带机纵联差动保护方法及系统，空载保护步骤能够在皮带机的启动阶段对皮带进行保护，根据皮带机自身的最新电流时序数据和历史电流时序数据的差值百分比来判断是否保护动作跳闸，准确性和可靠性高，对于本身具有缺陷的皮带机，能够在极短时间内保护动作跳闸，避免了缺陷的扩大；

负载保护步骤通过比较上下级电动机电流后给出相应的动作信号，提高了保护精度，当皮带机发生漏煤、胶带撕裂、胶带跑偏和落煤管堵煤等异常情况，下级皮带机电流减小，可快速发现以上故障情况，并及时发出警报或停止皮带机，避免故障扩大。

本实施例提出的保护方法基于皮带机电动机保护装置，无需对皮带机电动机保护装置的硬件作任何变更，只需修改PLC控制程序即可实现，成本低，操作简便。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于电流的皮带机纵联差动保护方法，用于皮带机运行时对其进行保护，其特征在于，包括：

周期性采集皮带机的电流值；

判断皮带机是否为空载运行，若是则通过空载保护步骤对皮带机进行保护，否则通过负载保护步骤对皮带机进行保护；

其中，所述的空载保护步骤包括：

将连续采集的第一设定数量的电流值打包为一组电流时序数据；

计算电流数据差值百分比n，计算公式为：

其中，I(i)为最新生成的一组电流时序数据中的第i个电流值，I₀(i)为上一组生成的电流时序数据中第i个电流值；

判断n是否大于第一设定值，若是则执行第一保护子步骤，否则判定该皮带机正常运行，并更新I(i)；

所述的负载保护步骤包括：

判断是否满足以下不等式：

I₁(t)-I₁(t-T₁)＞k(I₂(t)-I₂(t-T₂))

其中，I₁(t)为上级皮带机在t时刻的电流值，T₁为上级皮带机的带速周期，I₂(t)为下级皮带机在t时刻的电流值，T₂为下级皮带机的带速周期，k为可靠系数；

若是则执行第二保护子步骤，否则判定下级皮带机正常运行。

2.根据权利要求1所述的一种基于电流的皮带机纵联差动保护方法，其特征在于，根据以下公式更新I(i)：

I(i)＝0.95I₀(i)+0.05I(i)。

3.根据权利要求1所述的一种基于电流的皮带机纵联差动保护方法，其特征在于，所述的皮带机的电流值的采集过程包括：

周期性采集皮带机的电流有效值，取一时间段内连续采集的第二设定数量的电流有效值的平均值，作为皮带机在该时间段的电流值。

4.根据权利要求1所述的一种基于电流的皮带机纵联差动保护方法，其特征在于，所述的第一保护子步骤包括：

判断n是否大于第二设定值，所述的第二设定值大于第一设定值，若是则控制皮带机跳闸，否则发出警报。

5.根据权利要求1所述的一种基于电流的皮带机纵联差动保护方法，其特征在于，所述的第二保护子步骤包括：

控制皮带机跳闸或发出警报。

6.一种基于电流的皮带机纵联差动保护系统，其特征在于，包括空载判定模块、电流采集模块、空载保护模块和负载保护模块；

所述的电流采集模块周期性采集并存储皮带机的电流值；

所述的空载判定模块判断皮带机是否为空载运行，若是则空载保护模块通过空载保护步骤对皮带机进行保护，否则负载保护模块通过负载保护步骤对皮带机进行保护；

所述的空载保护模块包括数据打包单元、差值计算单元、第一保护单元和数据更新单元，所述的空载保护步骤包括：

所述的数据打包单元将连续采集的第一设定数量的电流值打包为一组电流时序数据；

所述的差值计算单元计算电流数据差值百分比n，计算公式为：

其中，I(i)为最新生成的一组电流时序数据中的第i个电流值，I₀(i)为上一组生成的电流时序数据中第i个电流值；

所述的第一保护单元判断n是否大于第一设定值，若是则执行第一保护子步骤，否则判定该皮带机正常运行，且数据更新单元更新I(i)；

所述的负载保护模块包括平衡判断单元和第二保护单元，所述的负载保护步骤包括：

所述的平衡判断单元判断是否满足以下不等式：

I₁(t)-I₁(t-T₁)＞k(I₂(t)-I₂(t-T₂))

其中，I₁(t)为上级皮带机在t时刻的电流值，T₁为上级皮带机的带速周期，I₂(t)为下级皮带机在t时刻的电流值，T₂为下级皮带机的带速周期，k为可靠系数；

若是则第二保护单元执行第二保护子步骤，否则判定下级皮带机正常运行。

7.根据权利要求6所述的一种基于电流的皮带机纵联差动保护系统，其特征在于，所述的数据更新单元根据以下公式更新I(i)：

I(i)＝0.95I₀(i)+0.05I(i)。

8.根据权利要求6所述的一种基于电流的皮带机纵联差动保护系统，其特征在于，所述的电流采集模块采集电流值的过程包括：

所述的电流采集模块周期性采集皮带机的电流有效值，取一时间段内连续采集的第二设定数量的电流有效值的平均值，作为皮带机在该时间段的电流值。

9.根据权利要求6所述的一种基于电流的皮带机纵联差动保护系统，其特征在于，所述的第一保护子步骤包括：

所述的第一保护单元判断n是否大于第二设定值，所述的第二设定值大于第一设定值，若是则控制皮带机跳闸，否则发出警报。

10.根据权利要求6所述的一种基于电流的皮带机纵联差动保护系统，其特征在于，所述的第二保护子步骤包括：

所述的第二保护单元控制皮带机跳闸或发出警报。

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