一种基于料层厚度检测的带式输送机变速节能控制系统的制作方法

本发明涉及散装物料输送，具体是指一种基于料层厚度检测的带式输送机变速节能控制系统。

背景技术：

1、带式输送机是矿山、港口、电力、化工、建材、粮食等行业中应用最广泛的散装物料运输设备，具有运输距离长、运输能力大、运行可靠、维护方便等优点。然而，传统带式输送机普遍采用恒速运行模式，无论实际物料输送量多少，驱动电机始终以额定转速运行，这种运行方式在物料输送量波动较大的工况下会造成严重的能源浪费。

2、为解决恒速运行的能耗问题，近年来出现了多种基于料层厚度检测的变速节能控制系统。现有技术通常采用超声波传感器或单个激光雷达传感器在输送带进料端进行单点料层厚度检测，根据检测到的料层厚度估算输送量，进而通过变频器调节输送带运行速度。然而，现有技术存在以下难以克服的缺陷：

3、1、单点检测精度低且误差大：仅在进料端进行单点检测，无法反映物料在整个输送带上的分布情况，单点检测结果与实际平均输送量偏差大，导致调速不准确，节能效果大打折扣；

4、2、未考虑料层均匀度影响：现有系统只关注平均料层厚度，完全忽略了料层分布的均匀度；当料层分布极不均匀时，按照平均料层厚度调速会导致在料层较厚的位置出现物料堆积、物料溢出事故，或在料层较薄的位置出现输送带跑偏、打滑等问题，严重影响系统运行安全；

5、3、控制响应滞后严重：传统系统根据当前检测到的料层厚度进行实时调速，没有考虑物料在输送带上的传输时间；当上游给料量发生突变时，物料需要经过一定时间才能到达检测点，系统无法提前做出响应，导致调速滞后，既影响节能效果，又容易引发安全事故；

6、4、缺乏上下游协同控制：现有系统大多只对单台输送机进行独立控制，没有与上游给料机和下游输送机建立联动机制；当上游给料量突然增加或下游输送机出现故障时，无法及时调整本输送机的运行状态，极易导致全线物料堆积事故。

7、因此，亟需一种能够解决上述问题的高精度、高可靠性的带式输送机变速节能控制系统。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

2、根据本发明实施例的基于料层厚度检测的带式输送机变速节能控制系统，包括：

3、多段式料层厚度检测阵列，由沿输送带长度方向布置的至少三组激光雷达传感器组成，分别位于所述输送带的进料端、中段和出料端，用于实时采集不同位置的物料截面点云数据；

4、主控制器，与所述多段式料层厚度检测阵列通信连接，用于接收所述物料截面点云数据，计算料层厚度分布、料层均匀度系数和瞬时输送量，并基于能耗-效率双目标优化模型生成最优带速指令；

5、变频驱动单元，与所述主控制器通信连接，用于根据所述最优带速指令驱动所述输送带运行；

6、上下游协同控制单元，与所述主控制器通信连接，用于实现与上游给料机和下游输送机的联动控制；

7、能耗监测单元，与所述主控制器通信连接，用于实时监测系统的能耗数据，并将能耗数据反馈给所述主控制器以优化所述能耗-效率双目标优化模型。

8、进一步地，所述多段式料层厚度检测阵列还包括至少一组辅助激光雷达传感器，布置在所述输送带的转弯处或托辊间距大于预设值的位置，用于检测特殊位置的料层厚度变化。

9、进一步地，所述主控制器包括：

10、数据预处理模块，用于对每组激光雷达传感器采集的点云数据进行去噪、坐标变换和背景分割处理；

11、输送量计算模块，用于基于预处理后的点云数据计算每个检测位置的物料截面积和瞬时输送量；

12、均匀度计算模块，用于计算不同检测位置之间的料层厚度差异，得到料层均匀度系数；

13、带速优化模块，用于基于所述瞬时输送量和料层均匀度系数，结合能耗-效率双目标优化模型生成初始最优带速指令；

14、带速修正模块，用于根据料层均匀度系数对初始最优带速指令进行修正，得到最终带速指令并发送给所述变频驱动单元；

15、异常处理模块，用于当检测到料层厚度超过第一预设阈值时，发出报警信号并向所述变频驱动单元发送降速指令；当检测到料层均匀度系数低于第二预设阈值时，向所述上游给料机发送给料调节信号；当检测到所述输送带空载运行时间超过第三预设阈值时，向所述变频驱动单元发送停机指令。

16、进一步地，所述激光雷达传感器为二维激光雷达，扫描频率不低于10hz，角度分辨率不低于0.1°，扫描平面垂直于所述输送带的运行方向。

17、进一步地，所述均匀度计算模块采用以下公式计算料层均匀度系数：

18、

19、其中，为料层均匀度系数，为检测位置数量，为第个检测位置的平均料层厚度，为所有检测位置的平均料层厚度。

20、进一步地，所述带速优化模块采用的能耗-效率双目标优化模型的目标函数为：

21、

22、其中，为目标函数值，为系统实际功率，为系统额定功率，为实际输送量，为系统额定输送量，为权重系数，取值范围为0.6-0.8。

23、进一步地，所述带速修正模块采用以下公式对初始最优带速进行修正：

24、

25、其中，为修正后的带速，为基于瞬时输送量计算的初始带速，为修正系数，取值范围为0.1-0.3，为料层均匀度系数。

26、进一步地，所述上下游协同控制单元还用于基于所述上游给料机的给料量信号预测未来预设时间段内所述输送带的进料量，并将预测结果发送给所述主控制器，使所述主控制器能够提前调整所述输送带的运行速度。

27、一种基于料层厚度检测的带式输送机变速节能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

28、s1：通过沿所述输送带长度方向依次布置的至少三组激光雷达传感器，实时采集所述输送带进料端、中段和出料端不同位置的物料截面点云数据；

29、s2：对每组激光雷达传感器采集的点云数据进行去噪、坐标变换和背景分割预处理；

30、s3：基于预处理后的点云数据，计算每个检测位置的物料截面积和瞬时输送量；

31、s4：计算不同检测位置之间的料层厚度差异，得到料层均匀度系数；

32、s5：基于所述瞬时输送量和料层均匀度系数，结合能耗-效率双目标优化模型生成初始最优带速指令；

33、s6：根据料层均匀度系数对初始最优带速指令进行修正，得到最终带速指令；

34、s7：根据最终带速指令通过所述变频驱动单元驱动所述输送带运行；

35、s8：接收所述上游给料机的给料量信号和运行状态信号，基于上游给料量信号预测未来预设时间段内的进料量，并根据预测结果提前调整所述输送带的运行速度；

36、s9：向所述下游输送机发送本输送机的出料量信号和运行状态信号，使所述下游输送机能够提前调整运行速度；

37、s10：实时监测系统的能耗数据，并将能耗数据反馈给所述主控制器以优化能耗-效率双目标优化模型。

38、本发明与现有技术相比的优点在于：

39、1、采用沿输送带长度方向布置的多组激光雷达传感器，能够实时检测物料在进料端、中段和出料端的分布情况，通过多点数据融合计算平均输送量，降低输送量计算误差，为精准调速奠定了基础；

40、2、首次提出料层均匀度系数的量化计算方法，并将其纳入带速优化模型；当料层分布不均匀时，自动适当降低带速，在保证输送效率的同时，有效避免了物料堆积、物料溢出和输送带跑偏等安全事故；

41、3、通过接收上游给料机的给料量信号，提前预测未来一段时间内的进料量，并根据预测结果提前调整输送带速度，进一步提高了节能效果和系统稳定性；

42、4、采用能耗-效率双目标优化模型，能够根据实际工况自动调整权重系数，在最大限度降低能耗的同时保证输送效率；

43、5、内置异常处理模块，能够实时监测料层过厚、料层分布不均匀和空载运行等异常情况，并自动采取相应的处理措施，提高了系统的安全性和可靠性。