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(fā)展。為保證井下帶式輸送機安全、穩(wěn)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(tài)特性明顯，張緊控制系統(tǒng)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(fā)生故障時，監(jiān)控系統(tǒng)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(xiàn)皮帶變頻自動張緊調節(jié)，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(tǒng)存在的故障率高、張緊調節(jié)滯后的問題，提出一種基于永磁同步變頻調速系統(tǒng)，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(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)，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(tǒng)帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)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(xiàn)了具有故障定位功能新型監(jiān)控系統(tǒng)。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(fā)生故障時，故障信息通過CAN總線通信傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)，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(wěn)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(tǒng)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(jié)。設定帶式輸送機穩(wěn)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(tài)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(lián)并與質量塊模型串聯(lián)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(tài)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(tài)矩陣（DMC）與PID聯(lián)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(wěn)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(tǒng)分別為PID控制、DMC控制以及DMC-PID控制時的理想狀態(tài)張緊力響應曲線，由圖2可知，當為PID控制時系統(tǒng)響應時間最快；為DMC-PID控制時系統(tǒng)跟隨性最好。

圖2 理想狀態(tài)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(tǒng)響應實時性、跟隨性、魯棒性等方面表現(xiàn)最優(yōu)。

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(tǒng)框圖見圖4所示，由監(jiān)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(xiàn)故障時，采取緊急補救措施。在故障識別-定位系統(tǒng)中設置2條CAN總線通信鏈路，1條為監(jiān)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(jiān)控主機、下位機、終端鏈路，專用于發(fā)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(tǒng)框圖

2.1 設備地址自動分配

監(jiān)控主機默認設備地址為0，由其主動向下位機發(fā)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(fā)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(jiān)控主機。如果某一個下位機接收設置地址自動分配幀出現(xiàn)數據校驗錯誤、解析錯誤時，該下位機向前一個下位機發(fā)送ACK幀，請求重新發(fā)送設備地址自動分配幀，如果該下位機發(fā)送3次ACK幀后，仍然出現(xiàn)接收到的地址自動分配幀錯誤，則向前一個下位機發(fā)送超時幀，并沿該CAN1通信鏈路傳送至監(jiān)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(xiàn)故障時，由下位機將故障信息經CAN2通信鏈路傳送至監(jiān)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(jiān)控主機接收到該故障信息幀并完成解析后，在監(jiān)控畫面實時顯示該時刻出現(xiàn)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(tǒng)測試

在實驗室搭建皮帶張緊模型容錯平臺，以PC機為監(jiān)控主機、沿線串聯(lián)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(jiān)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(fā)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(fā)生故障的下位機地址編號為3號，設備編號為2號，發(fā)生的故障代碼為07堆煤故障。監(jiān)控主機接收到該故障數據幀并完成解析后，在監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)進行仿真，仿真結果表明，DMC-PID控制系統(tǒng)在系統(tǒng)實時性、跟隨性以及魯棒性方面表現(xiàn)最優(yōu)。

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(tǒng)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。