CN101898681A - 皮带机负载预测控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种皮带机负载预测控制方法，包括级联上级皮带机和下级皮带机，其中，所述负载预测控制方法包括如下步骤：检测上级皮带机的各电机的转速和运行电流，通过计算得到上级皮带机的实时运输量；检测下级皮带机的各电机的转速和运行电流，通过计算得到下级皮带机的实时运输量；比较上级皮带机的实时运输量和下级皮带机的实时运输量，如果超出预设的负载变化阈值，则根据上级皮带机的实时运输量调整设定下级皮带机的各电机的转速值。本发明提供的皮带机负载预测控制方法，能够对皮带机负载进行预测控制，控制简单且准确，从而降低能耗，节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种负载预测控制方法，尤其涉及一种皮带机负载预测控制方法。
背景技术
皮带传输***是保证现代煤矿高产、高效的主要设备。由于煤矿的特殊生产条件，皮带运输***的运煤量是不均匀的，在轻载或无负载时，皮带运输机***的高速运行对机械传动***的磨损浪费较为严重，同时电能消耗也比低速运行时大得多。
目前国内煤矿皮带运输***绝大部分电机***经常工作于满电压、满速度，但不是满载运行，也有部分时间空载运行，皮带运输机实现调速运行后,由于煤矿皮带机的运输特点和安全需要，皮带机仍然保持在恒转速运行状态，并没有对皮带机的运行速度进行实时调节，使变频器的使用效果大打折扣。因此对皮带机转速进行实时调节，转速实现根据负载情况预测控制尤其重要。
如井下采矿区皮带传输机由于受环境条件的限制，普遍存在着欠载运行的现象，能源浪费非常严重。偶尔也出现皮带机过煤量较大，形成堆煤现象。因此皮带传输机合理地运行方式是按过煤量的大小调节皮带传输机的运行速度，使得煤量大时速度快、过煤量小时速度慢，以便能够使得***在安全平稳运行的情况下，达到最大的能源利用率。
煤矿皮带机一般都为皮带群，一个主煤流运输***往往由几条皮带机以及给煤机和刮板机组成，而一个坑口由几个主煤流运输***组成。从采区到坑口的运输工作要经过几级甚至十几级皮带机才能完成。因此，有必要对皮带机负载进行预测控制，实现皮带机的安全、平稳和高效运行的目的。
《电气应用》2006年第25卷第9期《矿用井下皮带运输机智能控制***》中提出的是采用前级皮带机的电流信号作为控制参数。对于恒速运行皮带机***，电机运行电流可以反映皮带机的运输量，但对于变频调速皮带机***电流只能反映上级皮带机的转矩，不能表示皮带机的运输量。因此，该文献中提到的控制方式仅适合于上级皮带机为恒速运行模式的皮带机变频调速预测控制，预测控制不够准确。此外，该文献中提到的电流是通过采集直接将电流采集信号连接到控制装置，连接线路复杂。
发明内容
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为单主动滚筒的皮带机张力分析示意图。
请参见图1，皮带机一般包括通过皮带相连的主动滚筒1和从动滚筒2，皮带上设置有托辊4，为了调整皮带松紧，皮带机还可以设有张紧滚筒3。
1）皮带牵引力的计算
F=FZ2-FZ1=（Ft1…+Ftn）+Fx (2)
根据力学基本原理有：
Ft1…+Ftn=μ（Mg+MPg）COSθ （3）
Fx= MgSINθ (4)
式中： Ft1 为第一个托辊的摩擦力，Ftn为第n个托辊的摩擦力，Fx为 物料的下滑力。
F=μ（Mg+MPJg）COSθ+ MgSINθ （5）
式中： M为物料的总质量，MpJ为紧边皮带总质量，μ为皮带和托辊间的摩擦系数，θ为皮带机的倾斜角，g为重力加速度。
2） 电机转矩的计算
皮带机一般采用三相异步电动机拖动，因此下面以三相异步电动机拖动的皮带机为例说明。
驱动电机的驱动转矩为：
Td= (μCOSθ+SINθ) Mg D/2 /i +Ts （6）
式中：i为皮带机传动比，Ts为皮带机空载转矩，D为主动滚筒直径。
由于变频器的作用,电机在任何转速情况下,电机转差率变化不大,因此根据电机的转矩公式:
式中：Tm为电机输出机械转矩，Pm为电机输入电功率。
可知,在电机效率变化不大的情况下,电机的输出转矩和电机的输入电流成正比,电机的转矩和电机的输入电压的平方成正比,在电机变频运行时,由于变频器向电机供电保持
基本不变，电机运行的功率因数也变化不大，因此电机的输出机械转矩于电机的输入电流成正比例关系，因此可以通过检测电机的输入电流来计算电机的输出机械转矩:
（8）
式中：Tme为电机输出额定机械转矩，Ie为电机额定电流。
3）皮带机实时运输量的计算
由上述分析可知，在皮带机运行过程中通过检测皮带机的输入电流和电机的运行转速即可得到皮带机的转矩，通过转矩可知皮带机的煤层厚度，计算方法如下：
由式（6）可知
Mg=（Td- Ts）/( (μCOSθ+SINθ) D/2 /i) （9）
皮带机的空载转矩可通过检测皮带机空载运行功率的方法得到。皮带机的负载转矩应等于电机的输出转矩。
因此将（8）代入（9）式可以得到：
Mg=（I/IeTme- Ts）/ ( (μCOSθ+SINθ) D/2 /i) （10）
电机的额定转矩可通过电机基本参数或电机型式试验数据得到。
以上（10）式已经计算出皮带机上物料重量，这时单位长度的煤的质量即可得到，即：
ρ= Mg/L=（I/IeTme- Ts）/( (μCOSθ+SINθ) D/2 /i) /L （11）
式中：ρ为单位长度物料重量，L为 皮带机长度。
皮带机实时运输量为：
MgV=πD2n/i2（I/IeTme- Ts）/ (μCOSθ+SINθ) /L （12）
式中：n为电机转速，Mgv为 皮带机实时运输量。
图2为本发明皮带机负载预测控制工作原理示意图。
请参见图2，要实现皮带机的负载预测控制，满足根据负载情况实时调节皮带机运行速度的要求，只要能保证下级皮带机6和上级皮带机5的实时运输量相等即可，实际应用中为了保证安全，一般将下级皮带机6的运输能力略大于上级皮带机的运输能力5即可；若上级皮带机为两个或两个以上，只需要使皮带机的运输能力略大于上级所有皮带机的运输能力和即可。
若皮带机为多电机驱动，则可根据皮带机的每个电机的运行电流和转速，根据（12）式的计算方法对皮带机的运输量进行计算，计算结果之和就是皮带机的实时运输量。
由于皮带机的实时运输量与电机的运行转速和运行电流有关,通过对皮带机实行恒转矩控制,控制的负载转矩给定值可以设定, 为了更好的实现节能效果,一般设定负载转矩给定值应尽量大,这样才能尽可能的降低皮带机运行转速,提高皮带机能效，但设定时为了安全，一般要留有一定的余量。
在实际负载预测控制运行过程中，由于上级皮带机的负载增加是从皮带机的前端开始首先增加，而下级皮带机的负载增加会有一个滞后的过程。因此根据皮带机的长度和运行速度，只需要将下级皮带机的转速增加延时一定的时间；同样，当负载减少需要转速降低时也延时同样的时间。
具体的延时时间为：
t=L/(πDn/i) (13)
延时时间是用上级皮带机的参数进行计算，实际运行中由于电机转速实时变化但转速不会突变，因此只需要根据实时转速计算结果进行延时控制即可满足要求。
皮带机自动根据负载情况调整转速，最大可能的降低了皮带机的运行转速，减少了皮带机的损耗，提高了皮带机的能效，延长了皮带机的寿命。用户反映良好。
同样的方法可实现皮带群的预测控制，在负载变化到来前对皮带机进行预测转速给定，结合皮带机的恒转矩控制，实现皮带群的平稳运行条件下的节能控制，避免单纯采用恒转矩控制引起的皮带机瞬时过载、转矩突变引起的断带等事故的发生。
上级皮带机可以通过通讯方式直接向下级皮带机传送上级皮带机的实时运输量(适合于皮带群组一同改造)或电机运行电流和电机转速(适合于只改造一台皮带机的情况)。若多级皮带机级联则各级皮带机算各级皮带机的运输量后传输到下一级,但由于改造时不一定将所有的皮带机一同改造,所以也可以将上级皮带机的电机运行电流和电机转速传输到下级皮带机,由改造的皮带机控制***进行运输量计算,这样不用修改上级皮带机的控制程序。通讯方式可以采用工业上常用的串口、工业以太网、现场总线、无线通讯等方式。
上述的皮带机负载预测控制方法，其中，所述下级皮带机可采用变频方式进行电机转速调节。控制时可根据安全和其它规定设定下级皮带机的电机允许长期运行的最大转矩,控制***保持转矩恒定在该值情况下控制电机运行转速,保证***安全和留有安全规定应有的余量。
图3为本发明皮带机负载预测控制流程图。
请参见图3，本发明提供的皮带机负载预测控制方法，包括级联的上级皮带机和下级皮带机，其中，所述负载预测控制方法包括如下步骤：
步骤S301：检测上级皮带机的各电机的转速和运行电流，通过计算得到上级皮带机的实时运输量；
步骤S302：检测下级皮带机的各电机的转速和运行电流，通过计算得到下级皮带机的实时运输量；
步骤S303：比较上级皮带机的实时运输量和下级皮带机的实时运输量，如果超出预设的负载变化阈值则进入步骤S304，否则返回步骤S301进行循环控制；
步骤S304：根据上级皮带机的实时运输量调整设定下级皮带机的各电机的转速值。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
Claims (5)
1.一种皮带机负载预测控制方法，包括级联上级皮带机和下级皮带机，其特征在于，所述负载预测控制方法包括如下步骤：
检测上级皮带机的各电机的转速和运行电流，通过计算得到上级皮带机的实时运输量；
检测下级皮带机的各电机的转速和运行电流，通过计算得到下级皮带机的实时运输量；
比较上级皮带机的实时运输量和下级皮带机的实时运输量，如果超出预设的负载变化阈值，则根据上级皮带机的实时运输量调整设定下级皮带机的各电机的转速值；
各级皮带机实时运输量和电机转速的计算公式如下：
MgV=πD2n/i2（I/IeTme- Ts）/ (μCOSθ+SINθ) /L；
其中，Mgv为皮带机实时运输量，D为电机主动滚筒直径，n为电机转速，i为皮带机传动比，I为电机运行电流，Ie为电机额定电流，Tme为电机输出额定机械转矩，Ts为皮带机空载转矩，θ为皮带机的倾斜角，μ皮带和托辊间的摩擦系数，L为皮带机长度。
2.如权利要求1所述的皮带机负载预测控制方法，其特征在于，所述下级皮带机延时一段时间调整设定下级皮带机的各电机的转速值，延时时间计算公式如下：t=L/(πDn/i)，其中，t为延时时间，L为上级皮带机长度，D为上级皮带机电机主动滚筒直径，n为上级皮带机电机转速，i为上级皮带机传动比。
3.如权利要求1或2所述的皮带机负载预测控制方法，其特征在于，所述上级皮带机通过通讯方式直接向下级皮带机传送上级皮带机的实时运输量。
4.如权利要求1或2所述的皮带机负载预测控制方法，其特征在于，所述上级皮带机通过通讯方式向下级皮带机传送上级皮带机的电机运行电流和电机转速，由下级皮带机计算上级皮带机的实时运输量。
5.如权利要求1或2所述的皮带机负载预测控制方法，其特征在于，所述下级皮带机采用变频方式进行电机转速调节。
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