基于DMC-PID的皮帶張緊技術(shù)研究

杜 佳

（山西西山煤電股份有限公司設(shè)備租賃分公司，山西 太原030006）

0 引言

帶式輸送機(jī)是煤礦井下關(guān)鍵輸送設(shè)備，隨著井下智能化開采水平的不斷提高，帶式輸送機(jī)逐漸向長距離、高帶速、大運(yùn)量方向發(fā)展。為保證井下帶式輸送機(jī)安全、穩(wěn)定、長時間運(yùn)行，皮帶張緊控制技術(shù)以及故障識別-定位技術(shù)顯得尤為重要[1]。帶式輸送機(jī)在高帶速、高運(yùn)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(shí)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(dāng)帶式輸送機(jī)發(fā)生故障時，監(jiān)控系統(tǒng)需保證能及時對故障進(jìn)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(jī)為例，研究啟動/制動控制原理、超速和打滑保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，以適應(yīng)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(shù)設(shè)計帶式輸送機(jī)自動張緊裝置，設(shè)計“緊帶”、“松帶”以及“保持”3種控制模式，實(shí)現(xiàn)皮帶變頻自動張緊調(diào)節(jié)，同時將多余能力回饋至電網(wǎng)。楊俊宙[4]等針對帶式輸送機(jī)張緊裝置的液壓系統(tǒng)存在的故障率高、張緊調(diào)節(jié)滯后的問題，提出一種基于永磁同步變頻調(diào)速系統(tǒng)，控制張緊絞車的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，進(jìn)而完成帶式輸送機(jī)的自動張緊；同時建立該控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真模型完成不同工況的仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明，在加快張緊響應(yīng)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(shù)研究了帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，增強(qiáng)了跑偏數(shù)據(jù)、一氧化碳濃度、煙霧濃度、堆煤信號、輸送帶速度等核心參數(shù)傳送的實(shí)時性和準(zhǔn)確性，同時延長了數(shù)據(jù)通信距離。李宏偉[6]以及孫進(jìn)生[7]等針對傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)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(shù)設(shè)計并實(shí)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(shù)分配并接收安裝于帶式輸送機(jī)機(jī)身的設(shè)備地址、編號以及位置信息。當(dāng)設(shè)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(shè)備的的地址、編號、位置以及故障編碼信息，可準(zhǔn)確的進(jìn)行故障識別和故障定位。針對煤礦井下帶式輸送機(jī)變頻張緊控制技術(shù)和故障識別-定位技術(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)一步增強(qiáng)帶式輸送機(jī)工作的可靠性、穩(wěn)定性并減少由于故障引起的停機(jī)時間，提高帶式輸送機(jī)的工作效率。

1 皮帶變頻張緊模型分析

帶式輸送機(jī)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(shù)據(jù)，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換并邏輯處理后控制變頻器，進(jìn)而驅(qū)動永磁同步電機(jī)按照設(shè)定速度控制張緊小車運(yùn)動，完成對帶式輸送機(jī)皮帶張緊力的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。設(shè)定帶式輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時張緊力為，啟動時張緊力為：變頻器運(yùn)行頻率設(shè)定為40 Hz，張緊小車運(yùn)行速度為0.2 m/s；停機(jī)時張緊力為：正常運(yùn)行時實(shí)時張緊力可在間動態(tài)變化，變頻器運(yùn)行頻率設(shè)定為10 Hz，張緊小車運(yùn)行速度為0.05 m/s。

圖1 帶式輸送機(jī)變頻張緊控制原理

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

式中：[M]為單元質(zhì)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(jī)為例，其核心參數(shù)見表1。

表1 某礦綜采工作面用帶式輸送機(jī)核心參數(shù)

帶式輸送機(jī)張緊裝置的傳遞函數(shù)由式2表示[8]：

式（2）傳遞函數(shù)的狀態(tài)方程由式3、式4表示：

根據(jù)式2~4，建立帶式輸送機(jī)基于動態(tài)矩陣（DMC）與PID聯(lián)合控制的預(yù)測模型[8]，并完成模型仿真。設(shè)定0 s時張緊裝置啟動；45 s時輸送機(jī)啟動；245 s時，輸送機(jī)張力達(dá)到穩(wěn)定值；415 s時輸送機(jī)自移機(jī)尾動作；435 s時自移機(jī)尾動作結(jié)束；600 s仿真結(jié)束。圖2為輸送機(jī)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(yīng)曲線，由圖2可知，當(dāng)為PID控制時系統(tǒng)響應(yīng)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(jī)張緊力響應(yīng)

圖3 所示為有延時影響時帶式輸送機(jī)張緊力響應(yīng)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(yīng)實(shí)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(jī)張緊力響應(yīng)

2 模型算法容錯機(jī)制

帶式輸送機(jī)皮帶變頻張緊技術(shù)模型算法容錯機(jī)制系統(tǒng)框圖見圖4所示，由監(jiān)控主機(jī)、急停開關(guān)、擴(kuò)音電話、個下位機(jī)以及終端組成。在帶式輸送機(jī)機(jī)身每隔l米距離設(shè)置1臺下位機(jī)，并與跑偏、速度、溫度、煙霧等保護(hù)傳感器連接，按照頻率采集傳感器數(shù)據(jù)，同時與電機(jī)、灑水設(shè)備連接，以備帶式輸送機(jī)出現(xiàn)故障時，采取緊急補(bǔ)救措施。在故障識別-定位系統(tǒng)中設(shè)置2條CAN總線通信鏈路，1條為監(jiān)控主機(jī)、急停開關(guān)、擴(kuò)音電話、下位機(jī)以及終端鏈路，用于分配標(biāo)識地址；另1條為監(jiān)控主機(jī)、下位機(jī)、終端鏈路，專用于發(fā)送故障數(shù)據(jù)。

圖4 皮帶變頻張緊技術(shù)模型算法容錯機(jī)制系統(tǒng)框圖

2.1 設(shè)備地址自動分配

監(jiān)控主機(jī)默認(rèn)設(shè)備地址為0，由其主動向下位機(jī)發(fā)送設(shè)備地址自動分配幀，設(shè)備地址由1開始分配。下位機(jī)接收到設(shè)備地址自動分配幀后，對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和解析，并自動將設(shè)備地址號加1并打包成設(shè)備地址自動分配幀發(fā)送至下一個下位機(jī)，直至下位機(jī)獲取設(shè)備地址后，將該沿線的設(shè)備數(shù)量和設(shè)置地址數(shù)傳送給終端[9-10]，由終端經(jīng)CAN2通信線傳送至監(jiān)控主機(jī)。如果某一個下位機(jī)接收設(shè)置地址自動分配幀出現(xiàn)數(shù)據(jù)校驗(yàn)錯誤、解析錯誤時，該下位機(jī)向前一個下位機(jī)發(fā)送ACK幀，請求重新發(fā)送設(shè)備地址自動分配幀，如果該下位機(jī)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(jī)發(fā)送超時幀，并沿該CAN1通信鏈路傳送至監(jiān)控主機(jī)，在該超時幀中包含通信設(shè)備故障地址。

2.2 故障容錯機(jī)制

帶式輸送機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)故障時，由下位機(jī)將故障信息經(jīng)CAN2通信鏈路傳送至監(jiān)控主機(jī)，在該故障信息中包含下位機(jī)地址、故障設(shè)備地址以及故障編號[11-12]。監(jiān)控主機(jī)接收到該故障信息幀并完成解析后，在監(jiān)控畫面實(shí)時顯示該時刻出現(xiàn)故障的下位機(jī)地址、故障設(shè)備地址、故障編號信息，方便技術(shù)和操作人員及時定位故障，并根據(jù)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(jī)的停機(jī)時間。

2.3 系統(tǒng)測試

在實(shí)驗(yàn)室搭建皮帶張緊模型容錯平臺，以PC機(jī)為監(jiān)控主機(jī)、沿線串聯(lián)布置急停開關(guān)6臺、擴(kuò)音電話1臺、下位機(jī)6臺以及終端1個。下位機(jī)連接的外部元器件見圖4所示。監(jiān)控主機(jī)完成設(shè)備地址自動分配后，認(rèn)為設(shè)定下位機(jī)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(shù)據(jù)如圖5所示。幀ID為283的數(shù)據(jù)幀中03表示發(fā)生故障的下位機(jī)地址編號，為3號下位機(jī)；02表示傳感器設(shè)備編號，為2號設(shè)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(jī)地址編號為3號，設(shè)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(jī)接收到該故障數(shù)據(jù)幀并完成解析后，在監(jiān)控畫面進(jìn)行實(shí)時顯示并進(jìn)行語音報警。

圖5 帶式輸送機(jī)故障識別-定位系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

1）基于仿真軟件對皮帶變頻張緊3種控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，DMC-PID控制系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)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(shè)計的皮帶變頻張緊模型容錯機(jī)制，進(jìn)行完整、全面的系統(tǒng)測試，測試結(jié)果表明，該模型容錯機(jī)制定位故障明晰、準(zhǔn)確，可滿足帶式輸送機(jī)實(shí)際生產(chǎn)需求。