專利名稱：皮帶機(jī)負(fù)載預(yù)測(cè)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種負(fù)載預(yù)測(cè)控制方法，尤其涉及一種皮帶機(jī)負(fù)載預(yù)測(cè)控制方法。
背景技術(shù)：
皮帶傳輸系統(tǒng)是保證現(xiàn)代煤礦高產(chǎn)、高效的主要設(shè)備。由于煤礦的特殊生產(chǎn)條件， 皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)煤量是不均勻的，在輕載或無(wú)負(fù)載時(shí)，皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)的高速運(yùn)行對(duì)機(jī) 械傳動(dòng)系統(tǒng)的磨損浪費(fèi)較為嚴(yán)重，同時(shí)電能消耗也比低速運(yùn)行時(shí)大得多。目前國(guó)內(nèi)煤礦皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)絕大部分電機(jī)系統(tǒng)經(jīng)常工作于滿電壓、滿速度，但不 是滿載運(yùn)行，也有部分時(shí)間空載運(yùn)行，皮帶運(yùn)輸機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行后，由于煤礦皮帶機(jī)的運(yùn) 輸特點(diǎn)和安全需要，皮帶機(jī)仍然保持在恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)，并沒(méi)有對(duì)皮帶機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使變頻器的使用效果大打折扣。因此對(duì)皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)根據(jù) 負(fù)載情況預(yù)測(cè)控制尤其重要。如井下采礦區(qū)皮帶傳輸機(jī)由于受環(huán)境條件的限制，普遍存在著欠載運(yùn)行的現(xiàn)象， 能源浪費(fèi)非常嚴(yán)重。偶爾也出現(xiàn)皮帶機(jī)過(guò)煤量較大，形成堆煤現(xiàn)象。因此皮帶傳輸機(jī)合理 地運(yùn)行方式是按過(guò)煤量的大小調(diào)節(jié)皮帶傳輸機(jī)的運(yùn)行速度，使得煤量大時(shí)速度快、過(guò)煤量 小時(shí)速度慢，以便能夠使得系統(tǒng)在安全平穩(wěn)運(yùn)行的情況下，達(dá)到最大的能源利用率。煤礦皮帶機(jī)一般都為皮帶群，一個(gè)主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)往往由幾條皮帶機(jī)以及給煤機(jī) 和刮板機(jī)組成，而一個(gè)坑口由幾個(gè)主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)組成。從采區(qū)到坑口的運(yùn)輸工作要經(jīng)過(guò) 幾級(jí)甚至十幾級(jí)皮帶機(jī)才能完成。因此，有必要對(duì)皮帶機(jī)負(fù)載進(jìn)行預(yù)測(cè)控制，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的 安全、平穩(wěn)和高效運(yùn)行的目的?！峨姎鈶?yīng)用》2006年第25卷第9期《礦用井下皮帶運(yùn)輸機(jī)智能控制系統(tǒng)》中提出 的是采用前級(jí)皮帶機(jī)的電流信號(hào)作為控制參數(shù)。對(duì)于恒速運(yùn)行皮帶機(jī)系統(tǒng)，電機(jī)運(yùn)行電流 可以反映皮帶機(jī)的運(yùn)輸量，但對(duì)于變頻調(diào)速皮帶機(jī)系統(tǒng)電流只能反映上級(jí)皮帶機(jī)的轉(zhuǎn)矩， 不能表示皮帶機(jī)的運(yùn)輸量。因此，該文獻(xiàn)中提到的控制方式僅適合于上級(jí)皮帶機(jī)為恒速運(yùn) 行模式的皮帶機(jī)變頻調(diào)速預(yù)測(cè)控制，預(yù)測(cè)控制不夠準(zhǔn)確。此外，該文獻(xiàn)中提到的電流是通過(guò) 采集直接將電流采集信號(hào)連接到控制裝置，連接線路復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
圖1為單主動(dòng)滾筒的皮帶機(jī)張力分析示意圖。請(qǐng)參見(jiàn)圖1，皮帶機(jī)一般包括通過(guò)皮帶相連的主動(dòng)滾筒1和從動(dòng)滾筒2，皮帶上設(shè) 置有托輥4，為了調(diào)整皮帶松緊，皮帶機(jī)還可以設(shè)有張緊滾筒3。1)皮帶牽引力的計(jì)算 F=Fz2-Fzi= (Ftl-+Ftn) +Fx(2) 根據(jù)力學(xué)基本原理有
Fti-+Ftn= y (Mg+Mpg) COS θ (3)
式中Ftl為第一個(gè)托輥的摩擦力，F(xiàn)tn為第η個(gè)托輥的摩擦力，&為物料的下滑力。F=U (Mg+Mpjg) COS θ + MgSIN θ(5)
式中M為物料的總質(zhì)量，Mrf為緊邊皮帶總質(zhì)量，μ為皮帶和托輥間的摩擦系數(shù)，θ 為皮帶機(jī)的傾斜角，g為重力加速度。2)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
皮帶機(jī)一般采用三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，因此下面以三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的皮帶機(jī) 為例說(shuō)明。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為
Td= (μ COS θ +SIN θ ) Mg D/2 /i +Ts(6)
式中i為皮帶機(jī)傳動(dòng)比，Ts為皮帶機(jī)空載轉(zhuǎn)矩，D為主動(dòng)滾筒直徑。由于變頻器的作用，電機(jī)在任何轉(zhuǎn)速情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)差率變化不大，因此根據(jù)電 機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式
式中Tm為電機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩，Pm為電機(jī)輸入電功率。可知，在電機(jī)效率變化不大的情況下，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的輸入電流成正 比，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的輸入電壓的平方成正比，在電機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，由于變頻器向電機(jī)
供電保持U/f基本不變，電機(jī)運(yùn)行的功率因數(shù)也變化不大，因此電機(jī)的輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩于
電機(jī)的輸入電流成正比例關(guān)系，因此可以通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的輸入電流來(lái)計(jì)算電機(jī)的輸出機(jī)械
轉(zhuǎn)矩
Tm=YTm,(8)
式中TM為電機(jī)輸出額定機(jī)械轉(zhuǎn)矩，Ie為電機(jī)額定電流。3)皮帶機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)輸量的計(jì)算
由上述分析可知，在皮帶機(jī)運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)檢測(cè)皮帶機(jī)的輸入電流和電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速 即可得到皮帶機(jī)的轉(zhuǎn)矩，通過(guò)轉(zhuǎn)矩可知皮帶機(jī)的煤層厚度，計(jì)算方法如下 由式(6)可知
Mg= (Td- Ts) /( (μ COS θ+SINe) D/2 /i) (9)
皮帶機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩可通過(guò)檢測(cè)皮帶機(jī)空載運(yùn)行功率的方法得到。皮帶機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng) 等于電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。因此將(8)代入(9)式可以得到
Mg= (I/IeTme- Ts)/ ( (μ COS θ+SIN θ) D/2 /i) (10) 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩可通過(guò)電機(jī)基本參數(shù)或電機(jī)型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到。以上(10)式已經(jīng)計(jì)算出皮帶機(jī)上物料重量，這時(shí)單位長(zhǎng)度的煤的質(zhì)量即可得到， 即
P= Mg/L= (I/IeTme- Ts)/( (μ COS θ+SIN θ) D/2 /i) /L (11)
4式中P為單位長(zhǎng)度物料重量，L為皮帶機(jī)長(zhǎng)度。皮帶機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)輸量為
MgV= π D2n/i2 (I/IeTme- Ts)/ (μ COS θ+SIN θ) /L (12) 式中η為電機(jī)轉(zhuǎn)速，Mgv為皮帶機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)輸量。圖2為本發(fā)明皮帶機(jī)負(fù)載預(yù)測(cè)控制工作原理示意圖。請(qǐng)參見(jiàn)圖2，要實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的負(fù)載預(yù)測(cè)控制，滿足根據(jù)負(fù)載情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)皮帶機(jī)運(yùn) 行速度的要求，只要能保證下級(jí)皮帶機(jī)6和上級(jí)皮帶機(jī)5的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量相等即可，實(shí)際應(yīng)用 中為了保證安全，一般將下級(jí)皮帶機(jī)6的運(yùn)輸能力略大于上級(jí)皮帶機(jī)的運(yùn)輸能力5即可；若 上級(jí)皮帶機(jī)為兩個(gè)或兩個(gè)以上，只需要使皮帶機(jī)的運(yùn)輸能力略大于上級(jí)所有皮帶機(jī)的運(yùn)輸 能力和即可。若皮帶機(jī)為多電機(jī)驅(qū)動(dòng)，則可根據(jù)皮帶機(jī)的每個(gè)電機(jī)的運(yùn)行電流和轉(zhuǎn)速，根據(jù) (12)式的計(jì)算方法對(duì)皮帶機(jī)的運(yùn)輸量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果之和就是皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量。由于皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量與電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速和運(yùn)行電流有關(guān)，通過(guò)對(duì)皮帶機(jī)實(shí) 行恒轉(zhuǎn)矩控制，控制的負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定值可以設(shè)定，為了更好的實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，一般設(shè)定負(fù) 載轉(zhuǎn)矩給定值應(yīng)盡量大，這樣才能盡可能的降低皮帶機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，提高皮帶機(jī)能效，但設(shè) 定時(shí)為了安全，一般要留有一定的余量。在實(shí)際負(fù)載預(yù)測(cè)控制運(yùn)行過(guò)程中，由于上級(jí)皮帶機(jī)的負(fù)載增加是從皮帶機(jī)的前端 開始首先增加，而下級(jí)皮帶機(jī)的負(fù)載增加會(huì)有一個(gè)滯后的過(guò)程。因此根據(jù)皮帶機(jī)的長(zhǎng)度和 運(yùn)行速度，只需要將下級(jí)皮帶機(jī)的轉(zhuǎn)速增加延時(shí)一定的時(shí)間；同樣，當(dāng)負(fù)載減少需要轉(zhuǎn)速降 低時(shí)也延時(shí)同樣的時(shí)間。具體的延時(shí)時(shí)間為 t=L/(JiDn/i)(13)
延時(shí)時(shí)間是用上級(jí)皮帶機(jī)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際運(yùn)行中由于電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)變化但轉(zhuǎn)速 不會(huì)突變，因此只需要根據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果進(jìn)行延時(shí)控制即可滿足要求。皮帶機(jī)自動(dòng)根據(jù)負(fù)載情況調(diào)整轉(zhuǎn)速，最大可能的降低了皮帶機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，減少 了皮帶機(jī)的損耗，提高了皮帶機(jī)的能效，延長(zhǎng)了皮帶機(jī)的壽命。用戶反映良好。同樣的方法可實(shí)現(xiàn)皮帶群的預(yù)測(cè)控制，在負(fù)載變化到來(lái)前對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)速 給定，結(jié)合皮帶機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩控制，實(shí)現(xiàn)皮帶群的平穩(wěn)運(yùn)行條件下的節(jié)能控制，避免單純采用 恒轉(zhuǎn)矩控制引起的皮帶機(jī)瞬時(shí)過(guò)載、轉(zhuǎn)矩突變引起的斷帶等事故的發(fā)生。上級(jí)皮帶機(jī)可以通過(guò)通訊方式直接向下級(jí)皮帶機(jī)傳送上級(jí)皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量 (適合于皮帶群組一同改造)或電機(jī)運(yùn)行電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速(適合于只改造一臺(tái)皮帶機(jī)的情 況)。若多級(jí)皮帶機(jī)級(jí)聯(lián)則各級(jí)皮帶機(jī)算各級(jí)皮帶機(jī)的運(yùn)輸量后傳輸?shù)较乱患?jí)，但由于改 造時(shí)不一定將所有的皮帶機(jī)一同改造，所以也可以將上級(jí)皮帶機(jī)的電機(jī)運(yùn)行電流和電機(jī) 轉(zhuǎn)速傳輸?shù)较录?jí)皮帶機(jī)，由改造的皮帶機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)輸量計(jì)算，這樣不用修改上級(jí)皮 帶機(jī)的控制程序。通訊方式可以采用工業(yè)上常用的串口、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線、無(wú)線通訊 等方式。上述的皮帶機(jī)負(fù)載預(yù)測(cè)控制方法，其中，所述下級(jí)皮帶機(jī)可采用變頻方式進(jìn)行電 機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)?？刂茣r(shí)可根據(jù)安全和其它規(guī)定設(shè)定下級(jí)皮帶機(jī)的電機(jī)允許長(zhǎng)期運(yùn)行的最大轉(zhuǎn) 矩，控制系統(tǒng)保持轉(zhuǎn)矩恒定在該值情況下控制電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，保證系統(tǒng)安全和留有安全規(guī)定應(yīng)有的余量。圖3為本發(fā)明皮帶機(jī)負(fù)載預(yù)測(cè)控制流程圖。請(qǐng)參見(jiàn)圖3，本發(fā)明提供的皮帶機(jī)負(fù)載預(yù)測(cè)控制方法，包括級(jí)聯(lián)的上級(jí)皮帶機(jī)和下 級(jí)皮帶機(jī)，其中，所述負(fù)載預(yù)測(cè)控制方法包括如下步驟
步驟S301 檢測(cè)上級(jí)皮帶機(jī)的各電機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行電流，通過(guò)計(jì)算得到上級(jí)皮帶機(jī)的 實(shí)時(shí)運(yùn)輸量；
步驟S302 檢測(cè)下級(jí)皮帶機(jī)的各電機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行電流，通過(guò)計(jì)算得到下級(jí)皮帶機(jī)的 實(shí)時(shí)運(yùn)輸量；
步驟S303 比較上級(jí)皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量和下級(jí)皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量，如果超出預(yù)設(shè) 的負(fù)載變化閾值則進(jìn)入步驟S304，否則返回步驟S301進(jìn)行循環(huán)控制；
步驟S304 根據(jù)上級(jí)皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量調(diào)整設(shè)定下級(jí)皮帶機(jī)的各電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技 術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的修改和完善，因此本發(fā)明的保護(hù)范 圍當(dāng)以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種皮帶機(jī)負(fù)載預(yù)測(cè)控制方法，包括級(jí)聯(lián)上級(jí)皮帶機(jī)和下級(jí)皮帶機(jī)，其特征在于，所述負(fù)載預(yù)測(cè)控制方法包括如下步驟檢測(cè)上級(jí)皮帶機(jī)的各電機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行電流，通過(guò)計(jì)算得到上級(jí)皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量；檢測(cè)下級(jí)皮帶機(jī)的各電機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行電流，通過(guò)計(jì)算得到下級(jí)皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量；比較上級(jí)皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量和下級(jí)皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量，如果超出預(yù)設(shè)的負(fù)載變化閾值，則根據(jù)上級(jí)皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量調(diào)整設(shè)定下級(jí)皮帶機(jī)的各電機(jī)的轉(zhuǎn)速值；各級(jí)皮帶機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)輸量和電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式如下MgV=πD2n/i2(I/IeTme Ts)/ (μCOSθ+SINθ) /L；其中，Mgv為皮帶機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)輸量，D為電機(jī)主動(dòng)滾筒直徑，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，i為皮帶機(jī)傳動(dòng)比，I為電機(jī)運(yùn)行電流，Ie為電機(jī)額定電流，Tme為電機(jī)輸出額定機(jī)械轉(zhuǎn)矩，Ts為皮帶機(jī)空載轉(zhuǎn)矩，θ為皮帶機(jī)的傾斜角，μ皮帶和托輥間的摩擦系數(shù)，L為皮帶機(jī)長(zhǎng)度。
2.如權(quán)利要求1所述的皮帶機(jī)負(fù)載預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，所述下級(jí)皮帶機(jī)延時(shí) 一段時(shí)間調(diào)整設(shè)定下級(jí)皮帶機(jī)的各電機(jī)的轉(zhuǎn)速值，延時(shí)時(shí)間計(jì)算公式如下t=L/( π Dn/i)， 其中，t為延時(shí)時(shí)間，L為上級(jí)皮帶機(jī)長(zhǎng)度，D為上級(jí)皮帶機(jī)電機(jī)主動(dòng)滾筒直徑，η為上級(jí)皮 帶機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，i為上級(jí)皮帶機(jī)傳動(dòng)比。
3.如權(quán)利要求1或2所述的皮帶機(jī)負(fù)載預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，所述上級(jí)皮帶機(jī)通 過(guò)通訊方式直接向下級(jí)皮帶機(jī)傳送上級(jí)皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量。
4.如權(quán)利要求1或2所述的皮帶機(jī)負(fù)載預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，所述上級(jí)皮帶機(jī)通 過(guò)通訊方式向下級(jí)皮帶機(jī)傳送上級(jí)皮帶機(jī)的電機(jī)運(yùn)行電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速，由下級(jí)皮帶機(jī)計(jì)算 上級(jí)皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量。
5.如權(quán)利要求1或2所述的皮帶機(jī)負(fù)載預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，所述下級(jí)皮帶機(jī)采 用變頻方式進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種皮帶機(jī)負(fù)載預(yù)測(cè)控制方法，包括級(jí)聯(lián)上級(jí)皮帶機(jī)和下級(jí)皮帶機(jī)，其中，所述負(fù)載預(yù)測(cè)控制方法包括如下步驟檢測(cè)上級(jí)皮帶機(jī)的各電機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行電流，通過(guò)計(jì)算得到上級(jí)皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量；檢測(cè)下級(jí)皮帶機(jī)的各電機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行電流，通過(guò)計(jì)算得到下級(jí)皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量；比較上級(jí)皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量和下級(jí)皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量，如果超出預(yù)設(shè)的負(fù)載變化閾值，則根據(jù)上級(jí)皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量調(diào)整設(shè)定下級(jí)皮帶機(jī)的各電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。本發(fā)明提供的皮帶機(jī)負(fù)載預(yù)測(cè)控制方法，能夠?qū)ζC(jī)負(fù)載進(jìn)行預(yù)測(cè)控制，控制簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確，從而降低能耗，節(jié)約成本。
文檔編號(hào)B65G43/00GK101898681SQ20101025880
公開日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者馮東升, 張金輝, 陳偉華 申請(qǐng)人:上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司;上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司;上海電器科學(xué)研究院