長距離連續(xù)皮帶機(jī)自適應(yīng)控制及技術(shù)改造研究

宋慶陽

（山西晉煤太鋼能源有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033207）

1 項目簡介

某礦井現(xiàn)有連續(xù)皮帶機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 某礦井現(xiàn)有連續(xù)皮帶機(jī)主要參數(shù)表

連續(xù)皮帶機(jī)的優(yōu)勢在于能夠同掘進(jìn)過程相適應(yīng)，隨著掘進(jìn)的深入進(jìn)行遷移，節(jié)約了時間成本，提升了掘進(jìn)效率。為了加強(qiáng)皮帶機(jī)的運(yùn)輸距離，更好地提升設(shè)備的掘進(jìn)效率，本文提出一種端部+中部主驅(qū)動、中部輔助多點驅(qū)動的驅(qū)動形式，能夠適當(dāng)降低皮帶機(jī)工作過程中所需的最大張力以及輸送帶的強(qiáng)度指標(biāo)。端部和中部的主驅(qū)動均由變頻電機(jī)負(fù)責(zé)，端部中部各布置2臺，功率均為315kW；中部的輔助驅(qū)動由變頻電機(jī)負(fù)責(zé)，共計1 臺，功率為110kW。變頻器的型號均為ATV960系列。

2 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分有：控制系統(tǒng)以及視頻監(jiān)視系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)的主要組成部分有：端部主站、中部分站、機(jī)尾掘進(jìn)機(jī)聯(lián)絡(luò)分站、工業(yè)平板電腦、操作軟件、工控機(jī)以及遠(yuǎn)程控制面板等；視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分包括：監(jiān)控設(shè)備、交換機(jī)、硬盤錄像機(jī)、顯示屏等。系統(tǒng)通過以太網(wǎng)實現(xiàn)相互之間的通訊，確保了視頻信息以及數(shù)據(jù)信息能夠通過同一個控制面板進(jìn)行操控?？刂葡到y(tǒng)內(nèi)置的遠(yuǎn)程控制裝置能夠?qū)崿F(xiàn)操作人員對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)運(yùn)行過程中一旦出現(xiàn)問題，就會發(fā)出報警信號，相關(guān)人員收到信號后即可對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程技術(shù)維修。

3 測力裝置

測力裝置的主要組成部分包括：壓帶滾筒、托帶滾筒以及測試機(jī)架，其中托帶滾筒集成有傳感器，能夠進(jìn)行受力的測量，壓帶滾筒起到輔助測量的作用，提升受力測量的準(zhǔn)確性，中間驅(qū)動測力裝置如圖2所示。

不考慮滾筒旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的阻力，能夠得出以下公式：

由式（1）、式（2）得：

式（3）中，G、t、L、D1、D2、H均為常數(shù)，只有N的數(shù)值會發(fā)生改變。懸臂梁上繼承的測力傳感器接收到力覺信號后，轉(zhuǎn)化為mV信號并傳輸至放大器模塊，放大器模塊將信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電流值后傳輸至中部分站控制器，控制器即可獲取張力T的數(shù)值。

4 多點之間通信偵聽

為了解決多點驅(qū)動下各個控制器間的通訊問題，本文采用通信偵聽的方式，通訊偵聽系統(tǒng)的原理示意圖如圖3所示，系統(tǒng)的主要組成部分包括：主控制通信模塊、從控制通信模塊以及通信光纜。通信光纜的主要作用是負(fù)責(zé)通信模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。

要想實現(xiàn)通信模塊間的信息傳輸，需要建立相同間隔頻率的累加器，將控制器CPU時鐘的頻率設(shè)定為基準(zhǔn)頻率，間隔頻率取基準(zhǔn)頻率的整數(shù)倍；間隔時間在規(guī)定指標(biāo)內(nèi)，將累加器的數(shù)值加1，通信模塊之間將累加的最終值當(dāng)作傳輸信號傳輸至對方的輸入模塊；一旦發(fā)現(xiàn)n個間隔頻率內(nèi)，傳輸?shù)臄?shù)值始終不發(fā)生變化，說明出現(xiàn)了通信掉線故障，需要進(jìn)行停機(jī)維修。

比方說:輸入模塊主要組成部分包括：心跳接收信號以及通信建立信號；中間模塊主要組成部分包括：心跳對比信號、通信中斷信號以及掉線計數(shù)信號；輸出模塊主要組成部分包括：通信掉線信號。各個控制器之間能夠相互獲取對方的數(shù)據(jù)，相互間的通信未實現(xiàn)時，輸入模塊通信初值為0；通信實現(xiàn)后，通信值增加至1。建立相同間隔頻率的累加器確?？刂破髦g的數(shù)據(jù)傳遞，將最終的累計值當(dāng)作心跳信號傳輸至接收端。只要接收信號和對比信號的數(shù)值不相同，就將對比信號的數(shù)值轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮招盘柕臄?shù)值，掉線計數(shù)次數(shù)歸零;一旦發(fā)現(xiàn)二者間的數(shù)值一致，則說明出現(xiàn)了通信掉線的情況，該狀態(tài)下通信建立不為0，掉線計數(shù)次數(shù)加1，如果下一個間隔頻率期間二者的數(shù)值仍然相等，在此基礎(chǔ)上掉線計數(shù)次數(shù)繼續(xù)加1，循環(huán)往復(fù)該過程直至掉線計數(shù)數(shù)值超過5，此時通信中斷數(shù)值為1，系統(tǒng)發(fā)出故障報警，控制系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)，直到系統(tǒng)修理完畢后，通信恢復(fù)正常，掉線計數(shù)器重新歸零。間隔頻率通常在0.5～2ms之間，單次間隔間的計數(shù)次數(shù)通常在3～10之間，故障診斷的實時性和設(shè)定數(shù)值的大小呈反比關(guān)系[1]。

實際操作過程中，具體步驟如下：

（1）確保主控制通信模塊以及從控制通信模塊相互間的數(shù)據(jù)傳遞;

（2）單次循環(huán)后控制器通信模塊周期加1，將增加后的數(shù)值發(fā)送至控制器輸入變量模塊;

（3）單次循環(huán)過程中輸入變量模塊數(shù)據(jù)發(fā)送至中間變量模塊;

（4）將兩次循環(huán)過程中的輸入變量模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，一旦發(fā)現(xiàn)二者的數(shù)值相等，將掉線計數(shù)的次數(shù)進(jìn)行加1處理;

（5）重復(fù)步驟4，一旦掉線計數(shù)數(shù)值超過5，由控制器發(fā)出掉線的信號，系統(tǒng)停機(jī)。

依照上述設(shè)想設(shè)計一種多點驅(qū)動皮帶機(jī)控制系統(tǒng)，在控制主站控制器和控制從站控制器間布置通信偵聽裝置，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷。實際操作過程中需要保證通信掉線監(jiān)測系統(tǒng)的正常運(yùn)行，避免掉線故障對通信產(chǎn)生影響，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 控制策略

項目前期端部2臺主電機(jī)呈對稱布置的形式，將變頻器規(guī)定為主機(jī)和從機(jī)，二者均通過速度進(jìn)行控制。一旦主機(jī)負(fù)載增加，內(nèi)部轉(zhuǎn)矩也隨之增加，主機(jī)的速度適當(dāng)降低；從機(jī)適當(dāng)增加，從機(jī)負(fù)載增加，從機(jī)速度適當(dāng)降低，通過這一過程的不斷作用，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的平衡和功率的穩(wěn)定。

項目后期，中間驅(qū)動站加入工作提升了整個系統(tǒng)的復(fù)雜程度。此時應(yīng)當(dāng)進(jìn)行不同工況的討論，包括：空載、滿載以及半載，半載過程中輸送帶上料位置不定。隨著掘進(jìn)的深入，中間驅(qū)動的功率也在不斷提升，由尾部驅(qū)動逐漸變?yōu)橹饕?qū)動。本文設(shè)計一種多點控制的方式，能夠確保各個驅(qū)動電機(jī)之間的平衡穩(wěn)定，通過張力實現(xiàn)協(xié)同控制:一旦中間驅(qū)動張力數(shù)值超過9200N，給予中間驅(qū)動0.5m/s2的加速度;一旦中間驅(qū)動張力不足4300N，給予中間驅(qū)動-0.5m/s2的加速度；張力處于兩者之間時，驅(qū)動加速度為0m/s2。

端部驅(qū)動電機(jī)依照既定的速度曲線進(jìn)行加速；直到中間驅(qū)動位置的張力達(dá)到既定要求，中間驅(qū)動電機(jī)開始進(jìn)行加速度大小為0.5m/s2的加速運(yùn)動，加速過程中中間驅(qū)動部張力仍然處于增加狀態(tài)；直到4s 后中間驅(qū)動部速度同端部驅(qū)動速度數(shù)值相等，此時中間驅(qū)動部張力達(dá)到最大值；中間驅(qū)動部仍然處于加速狀態(tài)，但是張力逐漸降低。6s 后張力不足9200N，中間驅(qū)動部電機(jī)速度約為0.5m/s，該狀態(tài)下中間驅(qū)動速度超過頭部速度，在張力達(dá)到4300N前始終處于減速狀態(tài)，加速度大小始終為-0.5m/s2，直到中間驅(qū)動部的速度和端部速度相一致，張力下降至最小值3670N，低于既定的4300N，中間驅(qū)動部電機(jī)仍然處于減速狀態(tài)，但是中間驅(qū)動部的張力逐漸增大，張力增大到4300N時，中間驅(qū)動電機(jī)速度不在發(fā)生變化，該狀態(tài)下中間驅(qū)動部速度低于端部驅(qū)動速度；中間驅(qū)動部進(jìn)行加速運(yùn)動，張力不斷增大至9200N，超過9200N 后中間驅(qū)動電機(jī)繼續(xù)處于加速狀態(tài)，后續(xù)循環(huán)過程同上述一致。連續(xù)皮帶機(jī)按照S 曲線加速至3.15m/s 的過程通過上述循環(huán)方式不斷調(diào)節(jié)，保證中間驅(qū)動部張力始終處于4300～9200N之間，確保了中間驅(qū)動部張力始終處于合理范圍內(nèi)，輸送帶以及相應(yīng)組成零部件受力始終處于合理范圍內(nèi)[2]。

6 校核帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸

經(jīng)過有關(guān)的理論計算得知，卸載滾筒位置所受的張力的最大值在帶式輸送機(jī)之前的滾筒允許的力合理范圍之上，所以要改造其卸載滾筒的具體位置。當(dāng)輸送機(jī)所選取的型號是PVC2000S，并且工況穩(wěn)定時，其安全系數(shù)是8.7。

當(dāng)帶式輸送機(jī)一直運(yùn)輸?shù)?900m 位置時，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，輸送機(jī)所承受張力之和是263.4kN，用鋼絲繩來張緊張緊裝置，而且數(shù)量是4 根，這4 根鋼絲繩中任意一根所承受的張緊力平均是65.85kN。之前的液壓油缸所具有的張緊措施被用于輸送機(jī)，當(dāng)是這種狀態(tài)時，1根鋼絲繩所承受的最大張力是40kN，所以被布置到輸送機(jī)張緊裝置中的鋼絲繩無法符合使用到現(xiàn)場的有關(guān)需求，那么就要再次進(jìn)行選擇。

7 技術(shù)改造輸送機(jī)

經(jīng)過校核輸送機(jī)的運(yùn)輸，得知以下幾項都無法符合其帶式輸送機(jī)運(yùn)輸距離比較長所需要的條件，包括張緊裝置中的鋼絲繩所具有的強(qiáng)度、卸載滾筒位置所具有的強(qiáng)度、功率等。所以，要技術(shù)改造上面所講的無法使運(yùn)輸更加安全的有關(guān)內(nèi)容。

（1）當(dāng)技術(shù)改造其滾筒的輸出軸時，可以把電動機(jī)的數(shù)量增加1臺。適當(dāng)?shù)厮U(kuò)巷道斷面，而且巷道斷面是在機(jī)頭的位置，留出充足的空間來檢修與安全驅(qū)動裝置。針對下載架與卸載滾筒來相應(yīng)地進(jìn)行加固與補(bǔ)強(qiáng)，使卸載架與卸載滾筒的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

（2）改造其張緊裝置，固有液壓油缸被張緊絞車所取代，而且張緊絞車是被變頻所控制。選取張緊絞車的措施可以按照帶式輸送機(jī)所具有的張緊力來準(zhǔn)確控制張緊力。而且選擇張緊絞車措施有較強(qiáng)的非靜止的反應(yīng)能力，能夠在不長的時間中，按照不斷改變的輸送機(jī)的帶張力來調(diào)整張緊力。在要對輸送機(jī)進(jìn)行重載開啟時，由于變頻器對張緊絞車進(jìn)行控制，所以就會快速地進(jìn)行收帶，防止在進(jìn)行開啟時有打滑現(xiàn)象出現(xiàn)在輸送機(jī)帶中；當(dāng)重載急停過程中，張緊絞車會被變頻器所控制，進(jìn)而迅速放帶，使輸送帶的張力的釋放更加均勻，防止在運(yùn)輸時發(fā)生惡性事故。當(dāng)輸送機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時，輸送帶所具有的張緊力會被變頻器進(jìn)行控制，而且控制的是合理的范圍中，防止頻繁的輸送機(jī)帶的張緊力，而導(dǎo)致輸送機(jī)發(fā)生無法穩(wěn)定運(yùn)行的事故。

（3）改造張緊裝置中的張緊鋼絲繩。在之前的張緊鋼絲繩具有較低的張緊力，在現(xiàn)場使用時不符合使用需求。按照校核其最終結(jié)果，調(diào)整了新張緊裝置中的張緊鋼絲繩的直徑，用22mm 取代16mm，進(jìn)而能夠使鋼絲繩更加可靠。

（4）優(yōu)化帶式輸送機(jī)中的PLC控制系統(tǒng)，進(jìn)而能夠平衡多機(jī)驅(qū)動帶式輸送機(jī)所具有的功率。把PID控制回路布置到帶式輸送機(jī)的控制程序內(nèi)，數(shù)量不止1個，使輸送機(jī)的驅(qū)動電機(jī)的負(fù)載更加均衡。從驅(qū)動功率控制PID、主驅(qū)動壓力控制及加速度控制構(gòu)成了PID 控制回路。在多機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)內(nèi)選定1臺當(dāng)作主驅(qū)動電機(jī)，把速度傳感器布置到輸出軸處，來監(jiān)測輸出軸在運(yùn)行時的速度，把監(jiān)測出來的值作為基礎(chǔ)，來對帶式輸送機(jī)所具有的加速度進(jìn)行控制；并且主驅(qū)動控制PID能夠使輸送機(jī)全速運(yùn)行時所需要的離合壓力得到滿足；能夠把電機(jī)正常運(yùn)行的功率和主驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行匹配的是從驅(qū)動功率控制PID，進(jìn)而使功率更加平衡。根據(jù)實際使用發(fā)現(xiàn)，在PID進(jìn)行控制之后，就會平衡從驅(qū)動電機(jī)與主驅(qū)動電機(jī)的功率，而且控制功率的差值小于2%。

8 分析技術(shù)改造帶式輸送機(jī)的效果

改造該運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)技術(shù)所使用的時間是15d，正式使用的時間是在2021 年3 月，停止使用的時間是2021 年8 月。在使用現(xiàn)場的狀況中發(fā)現(xiàn)，從整體上看，帶式輸送機(jī)具有較好的運(yùn)行狀態(tài)，能夠使綜采工作面高效運(yùn)輸煤炭的希求得到滿足[3]。

當(dāng)改造該運(yùn)輸巷對帶式輸送機(jī)的技術(shù)之后，采煤中煤炭可以由帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)讲蓞^(qū)的運(yùn)輸巷，而且?guī)捷斔蜋C(jī)的數(shù)量是1條，無需搭接地溝帶式輸送機(jī)來進(jìn)行運(yùn)輸。該技術(shù)的優(yōu)點是節(jié)省維護(hù)費(fèi)用，大概是860萬。

該項目從2021 年3 月運(yùn)行至今，該方案下礦井的整體掘進(jìn)效率較高，但是由于滾筒直徑的限制，端部主驅(qū)動功率、中部主驅(qū)動功率會存在一定的波動，但是能夠保證主驅(qū)動速度大致協(xié)調(diào)一致。隨著掘進(jìn)深度的增加，自適應(yīng)控制系統(tǒng)能夠達(dá)到連續(xù)皮帶機(jī)不斷延伸的目標(biāo)，運(yùn)行穩(wěn)定高效。