CN113895909B - 考虑物料种类和物料量的带式输送机柔性调速控制方法 - Google Patents

考虑物料种类和物料量的带式输送机柔性调速控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了考虑物料种类和物料量的带式输送机柔性调速控制方法，分别在输送带空载和载料情况下通过激光扫描仪对带式输送机进行扫描，计算物料流截面积和物料瞬时流量，根据物料瞬时流量发送调节反馈信号输送到输送带的电机的变频调速控制器，计算带式输送机的电机所需功率，根据带式输送机的电机所需功率以及调节反馈信号调节输送带的电机速度。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，可以实现对带式输送机带速进行柔性调节，减少了能源的浪费。

Description

考虑物料种类和物料量的带式输送机柔性调速控制方法
技术领域
本发明涉及带式输送机节能控制领域，具体涉及考虑物料种类和物料量的带式输送机柔性调速控制方法。
背景技术
带式输送机广泛应用于各行业，如建材、化工、电力、冶金、煤矿炭、粮食等行业，适用于水平或倾斜输送粉状、粒状和小块状物料，如煤矿、灰、渣、水泥、粮食等。但其驱动功率通常依据最大运输量和固定输送物进行配置，且无论空载或轻载均为恒速运行，从而导致系统长期处于“大马拉小车”状态，能耗浪费严重。为降低带式输送机运行能耗目前主要采用变频调速和智能调速两种方式。其中变频调速主要依据煤量调节带式输送机初始带速，之后恒速运行。此种控制简单，但因人为控制而导致控制精度差。智能调速主要根据煤量与带速间关系自动调节带速，实现自适应控制，但算法较为复杂，且仅考虑煤流量来调节速度。实际运输过程中，带式输送机会运输多种类型的散料，而不同物料的运输特性各不相同。当恒定的发动机功率在传输不同的物料时，可能会出现撒料，“大马拉小车”等浪费资源的情况。但是检测物料种类所需的算法较为复杂，影响工作效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供考虑物料种类和物料量的带式输送机柔性调速控制方法。本方法综合输送量和物料种类两因素调节输送机带速，以达到更加理想的控制效果，并在本方法中结合5G技术来实现数据的传输功能。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
考虑物料种类和物料量的带式输送机柔性调速控制方法，包括以下步骤：
步骤1、分别在输送带空载和载料情况下，在单位时间T内的第t个扫描帧，激光扫描仪在同一扫描平面上的各个扫描方向测量激光扫描仪的扫描中心与扫描方向对应的扫描点的距离数据L1(t)～Ln(t)，n为在同一扫描帧获得的距离的总数；
步骤2、计算载料时输送带上第k个单位时间T内第t个扫描帧对应的物料流截面积ΔSk(t)；计算第k个单位时间T内物料瞬时流量q(kT)；将第k个单位时间T内物料瞬时流量q(kT)与预先设定的最大输送量qm(T)进行比较，根据比较结果发送调节反馈信号输送到输送带的电机的变频调速控制器；计算带式输送机的电机所需功率Ph(t)；
步骤3、根据带式输送机的电机所需功率Ph(t)以及调节反馈信号调节输送带的电机速度。
如上所述的步骤2中物料流截面积ΔSk(t)通过以下步骤获得：
步骤2.1，基于以下公式计算输送带空载时第k个单位时间T内第t个扫描帧对应的各个扫描点与激光扫描仪的扫描中心所包络的扇形面积Sk(t)，
Figure BDA0003315377260000021
其中，θ为激光扫描仪的扫描方向的角度分辨率；Li(t)为输送带空载时，第t个扫描帧对应的第i个扫描点与激光扫描仪的扫描中心间的距离数据；Li+1(t)为输送带空载时，第t个扫描帧对应的第i+1个扫描点与激光扫描仪的扫描中心之间的距离数据；k为第k个单位时间。
步骤2.2，基于以下公式计算输送带载料时第k个单位时间T内第t个扫描帧对应的各个扫描点与激光扫描仪的扫描中心所包络的扇形面积S′k(t)，
Figure BDA0003315377260000022
其中，L′i(t)输送带载料时，第t个扫描帧对应的第i个扫描点与激光扫描仪的扫描中心之间的距离数据；L′i+1(t)输送带载料时，第t个扫描帧对应的第i+1个扫描点与激光扫描仪的扫描中心之间的距离数据。
步骤2.3，计算载料时输送带上第k个单位时间T内第t个扫描帧对应的物料流截面积ΔSk(t)＝Sk(t)-S′k(t)。
如上所述的步骤2中物料瞬时流量q(kT)通过以下步骤获得：
Figure BDA0003315377260000023
其中，f为激光测距仪的扫描频率；ρ为物料流密度；v(t)为第t个扫描帧对应的输送带带速。
如上所述的步骤2中根据比较结果发送调节反馈信号输送到输送带的电机的变频调速控制器包括以下步骤：
将第k个单位时间T内物料瞬时流量q(kT)与预先设定的最大输送量qm(T)进行比较。
当q(kT)≤0.8qm(T)，将速度调节信号作为调节反馈信号输送到变频调速控制器；
当q(kT)≥qm(T)，将预警信号作为调节反馈信号输送到变频调速控制器；
当0.8qm(T)＜q(kT)＜qm(T)，将正常不改变信号作为调节反馈信号输送到变频调速控制器。
如上所述的步骤2中计算带式输送机的电机所需功率Ph(t)包括以下步骤：
步骤2.6，当返回速度调节信号到变频调速控制器后计算带式输送机1小时输送物料重量Q(3600T)＝3600T·β·q(kT)·γ·ω；
式中，β为带式输送机运输倾角；γ为输送物料的散集容重；ω为运行阻力系数；T为单位时间，单位为s；
步骤2.7，计算带式输送机的电机所需功率Ph(t)
Ph(t)＝λ1*v(t)+λ2*Q(3600T)*v(t)
式中，λ1，λ2为系数，具体计算为：
λ1＝K1K2CωLg(q′+q″+2q0 cosβ)
λ2＝K1K2(CωLgcosβ+Hg)
其中，K1为电动机功率系数；K2为电动机启动方式系数；C为主要阻力和附加阻力相关的系数；ω为运行阻力系数，L为带式输送机沿物料传输方向输送带长度；g为重力加速度；q′为单位长度带式输送机上托辊转动部分重量；q″为单位长度带式输送机下托辊转动部分重量；q0为单位长度输送带重量；Q(3600T)为带式输送机1小时输送物料重量；H为带式输送机的卸料段与装料段间的高差；β为带式输送机的运输倾角。
如上所述的步骤3包括以下步骤
当调节反馈信号为速度调节信号，则将带式输送带运行速度按照Harrison正弦加速度曲线的软启动控制方式调速至带式输送机的电机调节速度n(t)；
带式输送机的电机调节速度n(t)基于以下公式：
Figure BDA0003315377260000031
式中，n(t)-输送带运行速度随时间变化值；
H-带式输送机的卸料段与装料段间的高差；
C-主要阻力和附加阻力相关的系数；
r-托辊阻力系数；
L-带式输送机沿物料传输方向输送带长度；
Gm-输送带滚筒的重量；
M-规定的带式输送机启动时间。
当调节反馈信号为预警信号，则调节带式输送机的电机速度至设定安全值；
当调节反馈信号为正常不改变信号，则不需要调节带式输送机的电机的速度大小。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益处：
本发明是依据输送量和输送物料种类两个因素柔性调节带式输送机带速，达到更加理想的调节效果。
本发明利用5G技术能够更加快速、稳定的实现信息传输和计算。
附图说明
图1为系统网络通讯示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种考虑物料种类和物料量的带式输送机柔性调速控制装置，包括激光扫描仪、图像传感器、速度传感器、5G传输装置、边缘计算服务器、云计算服务器和变频控制器。
激光扫描仪，可以采用SICK公司LMS111-10100，扫描频率设置25Hz，角分辨率0.25°。
图像传感器，可以采用海康威视DS-2CD4024F-SDI型数字摄像机，用于采集输送物料图像，并将图像通过5G传输装置传输到云计算服务器。
速度传感器，可以采用DH-SA输送带速度检测器。
5G传输装置，用于当检测到设备接入时，向接入设备分配IP，并进行数据的传输。
激光扫描仪和速度传感器将采集到的物料截面扫描数据及带速通过5G传输装置传输到边缘计算服务器。
边缘计算服务器，将计算好的驱动带式输送机的电机所需功率Ph(t)传输给变频控制端。
云计算服务器，进行图像识别工作(可利用海杜普Hadoop进行处理)并将识别结果传输给变频控制端。
海杜普Hadoop中各个节点和主机以及单机所使用的计算机具有相同的配置：内存为8GB、DDR3 1 333MHz、1T硬盘以及Intel 15 4950的CPU。Ubuntu 14.10操作系统，clipse-jeejuno-SR2版本以及Hadoop 1.0.0版本IDE平台，JDK1.7.0-07环境下执行Java。
变频控制器，通过“交-直-交”变频系统转换，变频控制器根据云计算服务器和边缘计算服务器传输的数据对带式输送机的驱动功率进行调节。
带式输送机可以采用两个电机驱动，即包括第一电机和第二电机，其中第一电机起主控制作用，而第二电机受变频控制器控制，第一电机和第二电机始终保持同步运转。为了确保对第一电机和第二电机的运转速度进行精准控制，利用速度传感器对第一电机和第二电机进行监控，将转速误差控制在0.8％以内。
一种考虑物料种类和物料量的带式输送机柔性调速控制方法，包括以下步骤：
步骤1，输送带空载时，在单位时间T(单位为s)内的第t个扫描帧，激光扫描仪在同一扫描平面上的各个扫描方向测量激光扫描仪的扫描中心与扫描方向对应的扫描点的距离数据L1(t)，L2(t)，......，Ln(t)，n为在同一扫描帧获得的距离的总数，
输送带载料时，在单位时间T(单位为s)内的第t个扫描帧，激光扫描仪在同一扫描平面上的各个扫描方向测量激光扫描仪的扫描中心与扫描方向对应的扫描点的距离数据L′1(t)，L′2(t)，......，L′n(t)，扫描平面垂直于传送带的传送方向，输送带空载时，各个扫描方向对应的扫描点位于输送带上，输送带载料时，各个扫描方向对应的扫描点位于输送带上的物料上。将输送带空载时和输送带载料时，获得的每一个扫描帧的各个距离数据传输给边缘计算服务器。
步骤2，边缘计算服务器获取激光扫描仪采集的空载和载料的距离数据并执行运算过程获得。
步骤2.1，边缘计算服务器计算输送带空载时第k个单位时间T(单位为s)内第t个扫描帧对应的各个扫描点与激光扫描仪的扫描中心所包络的扇形面积Sk(t)，
Figure BDA0003315377260000051
其中，θ为激光扫描仪的扫描方向的角度分辨率；Li(t)为输送带空载时，第i个扫描帧对应的第i个扫描点与激光扫描仪的扫描中心间的距离数据；Li+1(t)为输送带空载时，第t个扫描帧对应的第i+1个扫描点与激光扫描仪的扫描中心之间的距离数据；k为第k个单位时间。
步骤2.2，边缘计算服务器计算输送带载料时第k个单位时间T(单位为s)内第t个扫描帧对应的各个扫描点与激光扫描仪的扫描中心所包络的扇形面积S′k(t)，
Figure BDA0003315377260000052
其中，θ为激光扫描仪的扫描方向的角度分辨率；L′i(t)输送带载料时，第t个扫描帧对应的第i个扫描点与激光扫描仪的扫描中心之间的距离数据；L′i+1(t)输送带载料时，第t个扫描帧对应的第i+1个扫描点与激光扫描仪的扫描中心之间的距离数据。
步骤2.3，边缘计算服务器计算载料时输送带上第k个单位时间T(单位为s)内第t个扫描帧对应的物料流截面积ΔSk(t)。
ΔSk(t)＝Sk(t)-S′k(t) 公式(3)
步骤2.4，根据激光扫描仪的扫描频率f，激光扫描仪每单位时间内相邻两个扫描帧的间隔时间是1/f，计算第k个单位时间T(单位为s)内物料瞬时流量q(kT)为
Figure BDA0003315377260000053
其中，f为激光测距仪的扫描频率；ρ为物料流密度；v(t)为第t个扫描帧对应的输送带带速。
步骤2.5，将第k个单位时间T(单位为s)内物料瞬时流量q(kT)与预先设定的最大输送量qm(T)进行比较。
当q(kT)≤0.8qm(T)，将速度调节信号1作为调节反馈信号输送到变频调速控制器；
当q(kT)≥qm(T)，将预警信号2作为调节反馈信号输送到变频调速控制器；
当0.8qm(T)＜q(kT)＜qm(T)，将正常不改变信号3作为调节反馈信号输送到变频调速控制器；
步骤2.6，当返回速度调节信号1后并进行下述过程，计算带式输送机1小时输送物料重量(输送能力)Q(3600T)为
Q(3600T)＝3600T·β·q(kT)·γ·ω 公式(5)
式中，β为带式输送机运输倾角；γ为输送物料的散集容重；ω为运行阻力系数；T为单位时间，单位为s。
其中，输送物料的散集容重γ通过以下步骤获得：
步骤2.6.1，图像传感器获取输送物料图像，并通过5G传输装置传输给云计算服务器。
步骤2.6.2，云计算服务器根据物料图像进行图像识别出物料种类。例如中国农业科学院作物科学研究所推出的基于图像识别小麦品种的分类。
步骤2.6.3，将当前识别的物料种类与工作预设物料种类进行对比。
如果当前物料种类与工作预设物料种类相同时，则输送物料的散集容重γ为工作预设物料种类对应的散集容重；
如果当前物料种类与工作预设物料种类不同时，云计算服务器根据识别出的物料类型，从已知的物料散集容重数据库中获取对应的当前识别的物料种类的散集容重r′作为输送物料的散集容重γ，并发送给边缘计算服务器；
步骤2.7计算带式输送机的驱动电机所需功率Ph(t)
Ph(t)＝λ1*v(t)+λ2*Q(3600T)*v(t) 公式(6)
式中，λ1，λ2为系数，具体计算为：
λ1＝K1K2CωLg(q′+q″+2q0 cosβ) 公式(7)
λ2＝K1K2(CωLgcosβ+Hg) 公式(8)
式(7)～(8)中，K1为电动机功率系数(常数)；K2为电动机启动方式系数(常数)；C为主要阻力和附加阻力相关的系数(FH+FN＝CFH，其中FH为主要阻力，FN为附加阻力)；ω为运行阻力系数，L为带式输送机沿物料传输方向输送带长度；g为重力加速度；q′为单位长度(米)带式输送机上托辊转动部分重量；q′为单位长度(米)带式输送机下托辊转动部分重量；q0为单位长度(米)输送带重量；Q(3600T)为带式输送机1小时输送物料重量(输送能力)；H为带式输送机的卸料段与装料段间的高差；β为带式输送机的运输倾角。
步骤3，变频调速控制端接收边缘服务器传输的驱动带式输送机的电机所需功率Ph(t)以及调节反馈信号调节输送带的电机速度；
当调节反馈信号为速度调节信号1，则执行将输送带运行速度按照Harrison正弦加速度曲线的软启动控制方式调速至带式输送机的电机调节速度n(t)；
电机调节速度n(t)基于以下公式：
Figure BDA0003315377260000071
式中，n(t)-输送带运行速度随时间变化值，m/s；
H-带式输送机的卸料段与装料段间的高差，m；
C-主要阻力和附加阻力相关的系数；
r-托辊阻力系数；
L-带式输送机沿物料传输方向输送带长度，m；
Gm-输送带滚筒(旋转部件)的重量，kg/m；
M-规定的带式输送机启动时间，s。
当调节反馈信号为预警信号2，则启动保护措施，调节电机速度至设定安全值；
当调节反馈信号为正常不改变信号3，则不需要调节电机的速度大小。
所述速度传感器、激光扫描仪和边缘计算服务器是固定周期内工作，采集数据并计算所需带式输送机驱动功率。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.考虑物料种类和物料量的带式输送机柔性调速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、分别在输送带空载和载料情况下，在单位时间T内的第t个扫描帧，激光扫描仪在同一扫描平面上的各个扫描方向测量激光扫描仪的扫描中心与扫描方向对应的扫描点的距离数据L1(t)～Ln(t)，n为在同一扫描帧获得的距离的总数；
步骤2、计算载料时输送带上第k个单位时间T内第t个扫描帧对应的物料流截面积△Sk(t)；计算第k个单位时间T内物料瞬时流量q(kT)；将第k个单位时间T内物料瞬时流量q(kT)与预先设定的最大输送量qm(T)进行比较，根据比较结果发送调节反馈信号输送到输送带的电机的变频调速控制器；计算带式输送机的电机所需功率Ph(t)；
步骤3、根据带式输送机的电机所需功率Ph(t)以及调节反馈信号调节输送带的电机速度，
所述的步骤2中物料流截面积△Sk(t)通过以下步骤获得：
步骤2.1，基于以下公式计算输送带空载时第k个单位时间T内第t个扫描帧对应的各个扫描点与激光扫描仪的扫描中心所包络的扇形面积Sk(t)，
Figure FDA0003978147530000011
其中，θ为激光扫描仪的扫描方向的角度分辨率；Li(t)为输送带空载时，第t个扫描帧对应的第i个扫描点与激光扫描仪的扫描中心间的距离数据；Li+1(t)为输送带空载时，第t个扫描帧对应的第i+1个扫描点与激光扫描仪的扫描中心之间的距离数据；k为第k个单位时间，
步骤2.2，基于以下公式计算输送带载料时第k个单位时间T内第t个扫描帧对应的各个扫描点与激光扫描仪的扫描中心所包络的扇形面积S′k(t)，
Figure FDA0003978147530000012
其中，L′i(t)输送带载料时，第t个扫描帧对应的第i个扫描点与激光扫描仪的扫描中心之间的距离数据；L′i+1(t)输送带载料时，第t个扫描帧对应的第i+1个扫描点与激光扫描仪的扫描中心之间的距离数据，
步骤2.3，计算载料时输送带上第k个单位时间T内第t个扫描帧对应的物料流截面积ΔSk(t)＝Sk(t)-Sk′(t)，
所述的步骤2中物料瞬时流量q(kT)通过以下步骤获得：
Figure FDA0003978147530000013
其中，f为激光测距仪的扫描频率；ρ为物料流密度；v(t)为第t个扫描帧对应的输送带带速，
所述的步骤2中根据比较结果发送调节反馈信号输送到输送带的电机的变频调速控制器包括以下步骤：
将第k个单位时间T内物料瞬时流量q(kT)与预先设定的最大输送量qm(T)进行比较，
当q(kT)≤0.8qm(T)，将速度调节信号作为调节反馈信号输送到变频调速控制器；
当q(kT)≥qm(T)，将预警信号作为调节反馈信号输送到变频调速控制器；
当0.8qm(T)＜q(kT)＜qm(T)，将正常不改变信号作为调节反馈信号输送到变频调速控制器，
所述的步骤2中计算带式输送机的电机所需功率Ph(t)包括以下步骤：
步骤2.6，当返回速度调节信号到变频调速控制器后计算带式输送机1小时输送物料重量Q(3600T)＝3600T·β·q(kT)·γ·ω；
式中，β为带式输送机运输倾角；γ为输送物料的散集容重；ω为运行阻力系数；T为单位时间，单位为s；
步骤2.7，计算带式输送机的电机所需功率Ph(t)
Ph(t)＝λ1*v(t)+λ2*Q(3600T)*v(t)
式中，λ1，λ2为系数，具体计算为：
λ1＝K1K2CωLg(q′+q″+2q0cosβ)
λ2＝K1K2(CωLgcosβ+Hg)
其中，K1为电动机功率系数；K2为电动机启动方式系数；C为主要阻力和附加阻力相关的系数；ω为运行阻力系数，L为带式输送机沿物料传输方向输送带长度；g为重力加速度；q′为单位长度带式输送机上托辊转动部分重量；q″为单位长度带式输送机下托辊转动部分重量；q0为单位长度输送带重量；Q(3600T)为带式输送机1小时输送物料重量；H为带式输送机的卸料段与装料段间的高差；β为带式输送机的运输倾角，
所述的步骤3包括以下步骤
当调节反馈信号为速度调节信号，则将带式输送带运行速度按照Harrison正弦加速度曲线的软启动控制方式调速至带式输送机的电机调节速度n(t)；
带式输送机的电机调节速度n(t)基于以下公式：
Figure FDA0003978147530000021
式中，n(t)—输送带运行速度随时间变化值；
H—带式输送机的卸料段与装料段间的高差；
C—主要阻力和附加阻力相关的系数；
r—托辊阻力系数；
L—带式输送机沿物料传输方向输送带长度；
Gm—输送带滚筒的重量；
M—规定的带式输送机启动时间，
当调节反馈信号为预警信号，则调节带式输送机的电机速度至设定安全值；
当调节反馈信号为正常不改变信号，则不需要调节带式输送机的电机的速度大小。
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Application publication date: 20220107

Assignee: Wuhan Hengwang Port and Channel Engineering Consulting Service Co.,Ltd.

Assignor: WUHAN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023420000193

Denomination of invention: A Flexible Speed Control Method for Belt Conveyors Considering Material Types and Quantity

Granted publication date: 20230207

License type: Common License

Record date: 20230621