基于DMC-PID的皮帶張緊技術研究

杜 佳

（山西西山煤電股份有限公司設備租賃分公司，山西 太原030006）

0 引言

帶式輸送機是煤礦井下關鍵輸送設備，隨著井下智能化開采水平的不斷提高，帶式輸送機逐漸向長距離、高帶速、大運量方向發展。為保證井下帶式輸送機安全、穩定、長時間運行，皮帶張緊控制技術以及故障識別-定位技術顯得尤為重要[1]。帶式輸送機在高帶速、高運量工況下，帶速動態特性明顯，張緊控制系統必須保證對張緊裝置控制的實時性和有效性，否則張緊力過松，會造成打滑、淤帶；張緊力過緊，會造成斷帶；另一方面，當帶式輸送機發生故障時，監控系統需保證能及時對故障進行識別、定位并提示該故障的一般解決方法。如董二景[2]等以山東華豐煤礦大傾角帶式輸送機為例，研究啟動/制動控制原理、超速和打滑保護等關鍵技術，以適應最大傾角為-31°的特殊工況。劉利飛[3]基于PLC及變頻控制技術設計帶式輸送機自動張緊裝置，設計“緊帶”、“松帶”以及“保持”3種控制模式，實現皮帶變頻自動張緊調節，同時將多余能力回饋至電網。楊俊宙[4]等針對帶式輸送機張緊裝置的液壓系統存在的故障率高、張緊調節滯后的問題，提出一種基于永磁同步變頻調速系統，控制張緊絞車的轉速和轉向，進而完成帶式輸送機的自動張緊；同時建立該控制系統的數學仿真模型完成不同工況的仿真試驗，結果表明，在加快張緊響應速度的同時，故障率明顯減少。劉露露[5]基于CAN總線通信技術研究了帶式輸送機監控系統，增強了跑偏數據、一氧化碳濃度、煙霧濃度、堆煤信號、輸送帶速度等核心參數傳送的實時性和準確性，同時延長了數據通信距離。李宏偉[6]以及孫進生[7]等針對傳統帶式輸送機監控系統故障定位困難、可靠性差的問題，基于RS485和CAN總線技術設計并實現了具有故障定位功能新型監控系統。通過RS485總線技術分配并接收安裝于帶式輸送機機身的設備地址、編號以及位置信息。當設備發生故障時，故障信息通過CAN總線通信傳輸至監控系統，故障信息中包含了設備的的地址、編號、位置以及故障編碼信息，可準確的進行故障識別和故障定位。針對煤礦井下帶式輸送機變頻張緊控制技術和故障識別-定位技術進行研究，進一步增強帶式輸送機工作的可靠性、穩定性并減少由于故障引起的停機時間，提高帶式輸送機的工作效率。

1 皮帶變頻張緊模型分析

帶式輸送機變頻張緊控制原理見圖1所示，控制系統按照采樣頻率采集張力傳感器數據，經AD轉換并邏輯處理后控制變頻器，進而驅動永磁同步電機按照設定速度控制張緊小車運動，完成對帶式輸送機皮帶張緊力的自適應調節。設定帶式輸送機穩定運行時張緊力為，啟動時張緊力為：變頻器運行頻率設定為40 Hz，張緊小車運行速度為0.2 m/s；停機時張緊力為：正常運行時實時張緊力可在間動態變化，變頻器運行頻率設定為10 Hz，張緊小車運行速度為0.05 m/s。

圖1 帶式輸送機變頻張緊控制原理

基于有限元思想，將帶式輸送機劃分為各由彈性元件與阻尼元件并聯并與質量塊模型串聯組成模型單元，則其動力學模型可由式1表示：

式中：[M]為單元質量矩陣；[C]為單元阻尼矩陣；[K]為單元剛度矩陣；F（t）為激勵矩陣。

以某礦綜采工作面用帶式輸送機為例，其核心參數見表1。

表1 某礦綜采工作面用帶式輸送機核心參數

帶式輸送機張緊裝置的傳遞函數由式2表示[8]：

式（2）傳遞函數的狀態方程由式3、式4表示：

根據式2~4，建立帶式輸送機基于動態矩陣（DMC）與PID聯合控制的預測模型[8]，并完成模型仿真。設定0 s時張緊裝置啟動；45 s時輸送機啟動；245 s時，輸送機張力達到穩定值；415 s時輸送機自移機尾動作；435 s時自移機尾動作結束；600 s仿真結束。圖2為輸送機控制系統分別為PID控制、DMC控制以及DMC-PID控制時的理想狀態張緊力響應曲線，由圖2可知，當為PID控制時系統響應時間最快；為DMC-PID控制時系統跟隨性最好。

圖2 理想狀態時帶式輸送機張緊力響應

圖3 所示為有延時影響時帶式輸送機張緊力響應曲線，PID控制模式振蕩明顯，跟隨性較差，而采用DMC-PID控制模式時，在系統響應實時性、跟隨性、魯棒性等方面表現最優。

圖3 有延時影響時帶式輸送機張緊力響應

2 模型算法容錯機制

帶式輸送機皮帶變頻張緊技術模型算法容錯機制系統框圖見圖4所示，由監控主機、急停開關、擴音電話、個下位機以及終端組成。在帶式輸送機機身每隔l米距離設置1臺下位機，并與跑偏、速度、溫度、煙霧等保護傳感器連接，按照頻率采集傳感器數據，同時與電機、灑水設備連接，以備帶式輸送機出現故障時，采取緊急補救措施。在故障識別-定位系統中設置2條CAN總線通信鏈路，1條為監控主機、急停開關、擴音電話、下位機以及終端鏈路，用于分配標識地址；另1條為監控主機、下位機、終端鏈路，專用于發送故障數據。

圖4 皮帶變頻張緊技術模型算法容錯機制系統框圖

2.1 設備地址自動分配

監控主機默認設備地址為0，由其主動向下位機發送設備地址自動分配幀，設備地址由1開始分配。下位機接收到設備地址自動分配幀后，對接收的數據進行校驗和解析，并自動將設備地址號加1并打包成設備地址自動分配幀發送至下一個下位機，直至下位機獲取設備地址后，將該沿線的設備數量和設置地址數傳送給終端[9-10]，由終端經CAN2通信線傳送至監控主機。如果某一個下位機接收設置地址自動分配幀出現數據校驗錯誤、解析錯誤時，該下位機向前一個下位機發送ACK幀，請求重新發送設備地址自動分配幀，如果該下位機發送3次ACK幀后，仍然出現接收到的地址自動分配幀錯誤，則向前一個下位機發送超時幀，并沿該CAN1通信鏈路傳送至監控主機，在該超時幀中包含通信設備故障地址。

2.2 故障容錯機制

帶式輸送機運行出現故障時，由下位機將故障信息經CAN2通信鏈路傳送至監控主機，在該故障信息中包含下位機地址、故障設備地址以及故障編號[11-12]。監控主機接收到該故障信息幀并完成解析后，在監控畫面實時顯示該時刻出現故障的下位機地址、故障設備地址、故障編號信息，方便技術和操作人員及時定位故障，并根據故障編號獲取解決該故障的一般處理方法，減少帶式輸送機的停機時間。

2.3 系統測試

在實驗室搭建皮帶張緊模型容錯平臺，以PC機為監控主機、沿線串聯布置急停開關6臺、擴音電話1臺、下位機6臺以及終端1個。下位機連接的外部元器件見圖4所示。監控主機完成設備地址自動分配后，認為設定下位機3的跑偏故障、堆煤故障以及煙霧故障，由CAN分析儀采集到的數據如圖5所示。幀ID為283的數據幀中03表示發生故障的下位機地址編號，為3號下位機；02表示傳感器設備編號，為2號設備，01表示故障代碼，為跑偏故障；030207表示發生故障的下位機地址編號為3號，設備編號為2號，發生的故障代碼為07堆煤故障。監控主機接收到該故障數據幀并完成解析后，在監控畫面進行實時顯示并進行語音報警。

圖5 帶式輸送機故障識別-定位系統測試數據

3 結論

1）基于仿真軟件對皮帶變頻張緊3種控制系統進行仿真，仿真結果表明，DMC-PID控制系統在系統實時性、跟隨性以及魯棒性方面表現最優。

2）基于雙CAN總線通信設計的皮帶變頻張緊模型容錯機制，進行完整、全面的系統測試，測試結果表明，該模型容錯機制定位故障明晰、準確，可滿足帶式輸送機實際生產需求。