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原文传递智能调速带式输送机张力协同控制系统及控制方法

专利名称：	智能调速带式输送机张力协同控制系统及控制方法
摘要：	本发明公开了一种智能调速带式输送机张力协同控制系统及控制方法，控制系统包括数据采集与处理装置、信号转换与传输装置、输送带张力协同控制装置。通讯模块采用无线传输提高了数据快速性，实时性。工控机和移动终端同时监控控制中心系统提高系统可靠性。本发明采取高度模块化设计可以极大提高系统的可维护性和可移植性。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖北;42
申请人：	武汉科技大学
发明人：	曾飞;章生;徐慧思;严诚;黄书伟;汪琪
专利状态：	有效
申请日期：	2019-08-13T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-18T00:00:00+0800
申请号：	CN201910742570.0
公开号：	CN110342209A
代理机构：	南通市永通专利事务所(普通合伙)
代理人：	葛雷
分类号：	B65G43/02(2006.01);B;B65;B65G;B65G43
申请人地址：	430081 湖北省武汉市和平大道947号
主权项：	1.一种智能调速带式输送机张力协同控制系统，其特征是：包括数据采集与处理装置、信号转换与传输装置、输送带张力协同控制装置；所述数据采集与处理装置包含光电编码器、物料流量激光采集装置、张力传感器、数据处理模块；光电编码器采集输送带运行速度；物料流量激光采集装置通过激光扫描仪采集物料流截面积；张力传感器采集输送带张力信号；数据处理模块根据光电编码器采集的带速信号、物料流量激光采集装置采集的物料流截面积信号，计算出带式输送机单位时间物料体积流量；智能调速带式输送机的节能系统通过判断Δt时间内物料流量变化量生成变频调速信号；数据采集模块与信号转换与传输装置连接，将光电编码器采集的带速信号、张力传感器采集输送带张力信号、单位时间物料体积流量信号发送到信号转换与传输装置中的信号转换模块；所述信号转换与传输装置包含信号转换模块和信号传输模块；信号转换模块接收来自数据采集与处理装置中光电编码器采集的带速信号、张力传感器采集输送带张力信号、单位时间物料体积流量信号，进行放大、转换、降噪等操作，先通过前置放大电路将信号放大，再由信号滤波电路、信号隔离电路进行降噪滤波操作，最后通过A/D转换电路将模拟信号转化为数字信号；信号处理完成后通过信号传输模块上的Si4432无线网络节点进行发送，再通过输送带张力协同控制装置内的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；同时移动终端接收相应的信号，用于实时监控以及紧急调控；所述输送带张力协同控制装置包括张力协同控制模块、张力控制执行模块；张力协同控制模块接收到光电编码器采集的带速信号、单位时间物料体积流量以及节能系统的变频调速信号，根据张力协同控制模块中的张力协同控制系统预估此时给定的变频调速信号下物料流量变化所引起的输送带张力值是否符合安全值；若预估张力值在安全值内则控制变频器变频调速；若预估张力值超出安全值则发出张力调节信号至张力控制执行模块，用于实时调节输送带张力值；张力控制执行模块接收到张力调节信号后，控制执行装置实现输送带的张紧。 2.根据权利要求1所述的智能调速带式输送机张力协同控制系统，其特征是：所述的物料流量激光采集装置、光电编码器与数据处理模块相连接，系统运行过程中，所述数据处理模块不断将物料流量采集装置检测的物料流截面积和光电编码器检测的带速信号采集、处理成单位时间物料体积流量，通过信号转换与传输装置中的信号传输模块传输给输送带张力协同控制装置和移动终端；输送带张力协同控制装置中的张力协同控制模块根据当前带式输送机一段采样周期内的物料流量值与上一段周期内的物料流量值比较，若两组数值差值超过预设范围值，开始运行张力协同控制程序，通过该程序判断节能系统即将进行的变频调速动作是否会导致输送带张力发生突变，以此避免对张力突变对输送带的损伤；张力控制执行模块根据张力协同控制程序发出的张力控制信号对输送带进行实时张力调控，并根据张力传感器反馈的张力信号进行实时调整。 3.根据权利要求1所述的智能调速带式输送机张力协同控制系统，其特征是：所述数据处理模块，其输出端与信号转换模块相连，信号转换模块与信号传输模块相连；信号传输模块通过无线网络节点将处理过的信号传输给输送带张力协同控制装置和移动终端，移动终端与输送带张力协同控制装置之间通过无线连接。 4.根据权利要求1所述的智能调速带式输送机张力协同控制系统，其特征是：所述数据处理模块包括数据存储卡和智能处理器；所述的数据存储卡用于对物料流量激光采集装置采集的物料流截面积、光电编码器采集的输送带带速以及张力传感器采集的输送带张力进行即时存储；同时智能处理器对物料流截面积和输送带带速进行运算处理，计算单位时间物料体积流量；再将单位时间物料体积流量信号、输送带带速信号、输送带张力信号传输给信号转换与传输装置中的信号转换模块进行信号处理，再通过无线传输模块进行信号无线传输，传输给输送带张力协同控制装置和移动终端。 5.根据权利要求1所述的智能调速带式输送机张力协同控制系统，其特征是：所述物料流量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。 6.根据权利要求1所述的智能调速带式输送机张力协同控制系统，其特征是：所述的输送带张力协同控制装置包括张力协同控制模块和张力控制执行模块；所述张力协同控制模块包括工控机、显示屏；所述张力控制执行模块包括ARM控制器、PLC控制器、电动缸；所述工控机接收信号传输模块传输的单位时间物料体积流量信号、输送带带速信号、输送带张力信号；所述工控机与显示屏连接；所述PLC控制器上端连接工控机，接收工控机的调控指令，下端连接电动缸，执行张紧动作。 7.一种采用权利要求1所述的智能调速带式输送机张力协同控制系统的智能调速带式输送机张力协同控制方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1：在传输物料的情况下，通过物料流量激光采集装置获得单位时间T内每一帧物料瞬时截面积；通过光电编码器获得输送带的单位时间T的每一帧瞬时带速；通过张力传感器获得输送带实时张力；数据采集与处理模块将获得的单位时间T内的每一帧物料瞬时截面积、单位时间T的每一帧瞬时带速和输送带张力通过串行通信接口与数据处理模块中的数据存储卡连接，对获得的数据进行即时存储，数据存储卡与数据处理模块中的智能处理器连接，智能处理器实时将获得的数据进行处理；通过对单位时间T内的每一帧物料瞬时截面积进行叠加求平均值，获得单位时间T内t时刻的平均物料截面积S(t)；通过对输送带单位时间T内t时刻的每一帧瞬时带速进行叠加求平均值，获得t时刻平均带速v(t)；再通过对单位时间T内t时刻的平均物料截面积S(t)和平均带速v(t)进行乘积获得单位时间T内t时刻物料体积流量q(t)；步骤2：输送带张力协同控制装置接收单位时间T内t时刻的物料体积流量q(t)和输送带带速信号v(t)；输送带张力协同控制模块将单位时间T内t时刻的物料流量q(t)输入到智能调速带式输送机的节能系统，节能系统计算t时刻物料体积流量q(t)与t+1～t+i连续i个时刻物料体积流量q(t+1)～q(t+i)间差值的绝对值{│Δq(t)│，│Δq(t+1)│,…│Δq(t+i)│}，若连续i个单位时间T的{│Δq(t+1)│,…│Δq(t+i)│}值均超出规定范围值│Δqmax│则启动节能系统预测最优带速；步骤3：启动节能系统预测最优带速；计算从t时刻起i+1个单位时间物料体积流量平均值kg/m；根据节能控制目标，建立如下目标规划模型，预测第t+i+1最优带速v(t+i+1)，m/s：其中θ1＝cfLg(qRc+qRu+2qBcosδ)/η1η2 公式4 θ2＝g(cfL cosδ+H)/η1η2 公式5 式中，PA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； Qmax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； H为带式输送机总垂直提升高度； δ为倾斜角； qB为单位长度输送带质量，kg/m； qRc为单位长度承载边旋转托辊质量，kg/m； qRu为单位长度回程旋转托辊质量，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； 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4：输送带张力协同控制系统判断步骤包括以下步骤：步骤4.1、将单位时间T内t时刻起i+1个单位时间物料体积流量平均值转换为单位距离(1米)物料质量单位kg/m，建立转换公式：式中，ρ—物料密度，kg/m3；T—单位时间，s；步骤4.2、行波法求解输送带张力值：建立行波法波动方程通解U(x,t)＝f1(x+jt)+f2(x-jt)，(f1,f2为任意形式函数)，带式输送机在变速或受到冲击力作用，输送带的变形、应力、速度、加速度等分别以速度j1,j2沿承载分支和回程传播；波动方程的解由f1,f2两部分叠加而成，令带式输送机速度为v(x,t)＝v1(x,t)+v2(x,t)，张力为St(x,t)＝St1(x,t)+St2(x,t)；则有：v1(x,t)＝jf1′(x+jt)，v2(x,t)＝-jf2′(x-jt)； St1(x,t)＝EAf1′(x+jt)，St2(x,t)＝EAf2′(x-jt) 对于回程侧设置自动张紧装置的带式输送机，此时回程侧顺波被拉紧装置吸收，系统只有逆波传播；当只有逆波时，根据可变形为St1(x,t)＝jM(t)v1(x,t)；由于节能系统给定调速速度v(t+i+1)，令v1(x,t+i+1)＝v(t+i+1)；M(t)为承载分支单位长度的分布质量可由动张力计算公式得到t+i+1时刻输送带动张力St1(x,t+i+1)，单位N 式中，E—输送带弹性模量； A—输送带面积；m2 j—弹性波传播速度，m/s； M(t)—承载分支单位长度的分布质量，kg/m； m1—承载分支托辊旋转部分单位长度质量，kg/m； m2—输送带单位长度质量，kg/m； —单位距离(1米)物料质量，kg/m； v(t+i+1)—节能系统给定调速速度，m/s；步骤4.3、输送带张力协同控制系统接收的单位距离物料质量以及节能系统生成的节能调速速度v(t+i+1)信号，通过行波法动张力计算公式，预计算出节能调速速度v(t+i+1)下的输送带动张力St1(x,t+i+1)；步骤5、预计算的输送带动张力St1(x,t+i+1)进入ARM控制器里的比较程序与预设输送带张力安全范围值(Sta～Stb)进行比较；若预计算的输送带动张力St1(x,t+i+1)在安全范围内则发出指令信号驱动变频器执行节能变频调速；若预计算张力值在安全范围外，当预计算的输送带动张力St1(x,t+i+1)大于预设输送带张力安全范围(Sta～Stb)值最大值Stb，则由ARM控制器里的张力调节程序计算出张力调节值ΔSt，并向PLC控制器发出调节指令，控制电动缸的伸出使得皮带松弛减小张力；在启动电动缸调节输送带张力值之前，输送带张力协同控制系统记录当前张力传感器的输送带张力值S0，电动缸实现张力调控后，张力传感器实时传输输送带张力值St，与开始调节前的输送带张力值St0做差值比较，当调节值即St0-St＝ΔSt时，立即停止张力调节，输送带张力协同控制系统程序驱动变频器执行节能变频调速；当预计算的输送带动张力St1(x,t+i+1)小于预设输送带张力安全范围值最小值Sta，则由ARM控制器里的张力调节程序计算出张力调节值ΔSt，并向PLC控制器发出调节指令，控制电动缸的回缩使得皮带张紧增大张力；在启动电动缸调节输送带张力值之前，输送带张力协同控制系统记录当前张力传感器的输送带张力值St0，电动缸实现张力调控后，张力传感器实时传输输送带张力值St，与开始调节前的输送带张力值St0做差值比较，当调节值即St-St0＝ΔSt时，立即停止张力调节，输送带张力协同控制系统程序驱动变频器执行节能变频调速。
所属类别：	发明专利