長(zhǎng)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(yáng)

（山西晉煤太鋼能源有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033207）

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)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(shì)在于能夠同掘進(jìn)過(guò)程相適應(yīng)，隨著掘進(jìn)的深入進(jìn)行遷移，節(jié)約了時(shí)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(dòng)、中部輔助多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)形式，能夠適當(dāng)降低皮帶機(jī)工作過(guò)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(dòng)均由變頻電機(jī)負(fù)責(zé)，端部中部各布置2臺(tái)，功率均為315kW；中部的輔助驅(qū)動(dòng)由變頻電機(jī)負(fù)責(zé)，共計(jì)1 臺(tái)，功率為110kW。變頻器的型號(hào)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。控制系統(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(guò)以太網(wǎng)實(shí)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(guò)同一個(gè)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(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中一旦出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，相關(guān)人員收到信號(hào)后即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程技術(shù)維修。

3 測(cè)力裝置

測(cè)力裝置的主要組成部分包括：壓帶滾筒、托帶滾筒以及測(cè)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(cè)量，壓帶滾筒起到輔助測(cè)量的作用，提升受力測(cè)量的準(zhǔn)確性，中間驅(qū)動(dòng)測(cè)力裝置如圖2所示。

不考慮滾筒旋轉(zhuǎn)過(guò)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(huì)發(fā)生改變。懸臂梁上繼承的測(cè)力傳感器接收到力覺(jué)信號(hào)后，轉(zhuǎn)化為mV信號(hào)并傳輸至放大器模塊，放大器模塊將信號(hào)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(diǎn)之間通信偵聽(tīng)

為了解決多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)下各個(gè)控制器間的通訊問(wèn)題，本文采用通信偵聽(tīng)的方式，通訊偵聽(tīng)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(shí)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(shí)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(shí)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(hào)傳輸至對(duì)方的輸入模塊；一旦發(fā)現(xiàn)n個(gè)間隔頻率內(nèi)，傳輸?shù)臄?shù)值始終不發(fā)生變化，說(shuō)明出現(xiàn)了通信掉線故障，需要進(jìn)行停機(jī)維修。

比方說(shuō):輸入模塊主要組成部分包括：心跳接收信號(hào)以及通信建立信號(hào)；中間模塊主要組成部分包括：心跳對(duì)比信號(hào)、通信中斷信號(hào)以及掉線計(jì)數(shù)信號(hào)；輸出模塊主要組成部分包括：通信掉線信號(hào)。各個(gè)控制器之間能夠相互獲取對(duì)方的數(shù)據(jù)，相互間的通信未實(shí)現(xiàn)時(shí)，輸入模塊通信初值為0；通信實(shí)現(xiàn)后，通信值增加至1。建立相同間隔頻率的累加器確保控制器之間的數(shù)據(jù)傳遞，將最終的累計(jì)值當(dāng)作心跳信號(hào)傳輸至接收端。只要接收信號(hào)和對(duì)比信號(hào)的數(shù)值不相同，就將對(duì)比信號(hào)的數(shù)值轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮招盘?hào)的數(shù)值，掉線計(jì)數(shù)次數(shù)歸零;一旦發(fā)現(xiàn)二者間的數(shù)值一致，則說(shuō)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(jì)數(shù)次數(shù)加1，如果下一個(gè)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(jì)數(shù)次數(shù)繼續(xù)加1，循環(huán)往復(fù)該過(guò)程直至掉線計(jì)數(shù)數(shù)值超過(guò)5，此時(shí)通信中斷數(shù)值為1，系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)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(jì)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(jì)數(shù)次數(shù)通常在3～10之間，故障診斷的實(shí)時(shí)性和設(shè)定數(shù)值的大小呈反比關(guān)系[1]。

實(shí)際操作過(guò)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(guò)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(guò)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(jì)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(jì)數(shù)數(shù)值超過(guò)5，由控制器發(fā)出掉線的信號(hào)，系統(tǒng)停機(jī)。

依照上述設(shè)想設(shè)計(jì)一種多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)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(tīng)裝置，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作便捷。實(shí)際操作過(guò)程中需要保證通信掉線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，避免掉線故障對(duì)通信產(chǎn)生影響，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 控制策略

項(xiàng)目前期端部2臺(tái)主電機(jī)呈對(duì)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(guò)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(guò)這一過(guò)程的不斷作用，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的平衡和功率的穩(wěn)定。

項(xiàng)目后期，中間驅(qū)動(dòng)站加入工作提升了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度。此時(shí)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(guò)程中輸送帶上料位置不定。隨著掘進(jìn)的深入，中間驅(qū)動(dòng)的功率也在不斷提升，由尾部驅(qū)動(dòng)逐漸變?yōu)橹饕?qū)動(dòng)。本文設(shè)計(jì)一種多點(diǎn)控制的方式，能夠確保各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的平衡穩(wěn)定，通過(guò)張力實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制:一旦中間驅(qū)動(dòng)張力數(shù)值超過(guò)9200N，給予中間驅(qū)動(dòng)0.5m/s2的加速度;一旦中間驅(qū)動(dòng)張力不足4300N，給予中間驅(qū)動(dòng)-0.5m/s2的加速度；張力處于兩者之間時(shí)，驅(qū)動(dòng)加速度為0m/s2。

端部驅(qū)動(dòng)電機(jī)依照既定的速度曲線進(jìn)行加速；直到中間驅(qū)動(dòng)位置的張力達(dá)到既定要求，中間驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始進(jìn)行加速度大小為0.5m/s2的加速運(yùn)動(dòng)，加速過(guò)程中中間驅(qū)動(dòng)部張力仍然處于增加狀態(tài)；直到4s 后中間驅(qū)動(dòng)部速度同端部驅(qū)動(dòng)速度數(shù)值相等，此時(shí)中間驅(qū)動(dòng)部張力達(dá)到最大值；中間驅(qū)動(dòng)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(dòng)部電機(jī)速度約為0.5m/s，該狀態(tài)下中間驅(qū)動(dòng)速度超過(guò)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(dòng)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(dòng)部電機(jī)仍然處于減速狀態(tài)，但是中間驅(qū)動(dòng)部的張力逐漸增大，張力增大到4300N時(shí)，中間驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度不在發(fā)生變化，該狀態(tài)下中間驅(qū)動(dòng)部速度低于端部驅(qū)動(dòng)速度；中間驅(qū)動(dòng)部進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)，張力不斷增大至9200N，超過(guò)9200N 后中間驅(qū)動(dòng)電機(jī)繼續(xù)處于加速狀態(tài)，后續(xù)循環(huán)過(guò)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(guò)程通過(guò)上述循環(huán)方式不斷調(diào)節(jié)，保證中間驅(qū)動(dòng)部張力始終處于4300～9200N之間，確保了中間驅(qū)動(dòng)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(guò)有關(guān)的理論計(jì)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(hào)是PVC2000S，并且工況穩(wěn)定時(shí)，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(shí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，輸送機(jī)所承受張力之和是263.4kN，用鋼絲繩來(lái)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(shí)，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(wú)法符合使用到現(xiàn)場(chǎng)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(guò)校核輸送機(jī)的運(yùn)輸，得知以下幾項(xiàng)都無(wú)法符合其帶式輸送機(jī)運(yùn)輸距離比較長(zhǎng)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(wú)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(shí)，可以把電動(dòng)機(jī)的數(shù)量增加1臺(tái)。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(lái)檢修與安全驅(qū)動(dòng)裝置。針對(duì)下載架與卸載滾筒來(lái)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(lái)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(zhǎng)的時(shí)間中，按照不斷改變的輸送機(jī)的帶張力來(lái)調(diào)整張緊力。在要對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行重載開(kāi)啟時(shí)，由于變頻器對(duì)張緊絞車進(jìn)行控制，所以就會(huì)快速地進(jìn)行收帶，防止在進(jìn)行開(kāi)啟時(shí)有打滑現(xiàn)象出現(xiàn)在輸送機(jī)帶中；當(dāng)重載急停過(guò)程中，張緊絞車會(huì)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(shí)發(fā)生惡性事故。當(dāng)輸送機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，輸送帶所具有的張緊力會(huì)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(wú)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(chǎng)使用時(shí)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(dòng)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(gè)，使輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載更加均衡。從驅(qū)動(dòng)功率控制PID、主驅(qū)動(dòng)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(dòng)的帶式輸送機(jī)內(nèi)選定1臺(tái)當(dāng)作主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，把速度傳感器布置到輸出軸處，來(lái)監(jiān)測(cè)輸出軸在運(yùn)行時(shí)的速度，把監(jiān)測(cè)出來(lái)的值作為基礎(chǔ)，來(lái)對(duì)帶式輸送機(jī)所具有的加速度進(jìn)行控制；并且主驅(qū)動(dòng)控制PID能夠使輸送機(jī)全速運(yùn)行時(shí)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(dòng)電機(jī)進(jìn)行匹配的是從驅(qū)動(dòng)功率控制PID，進(jìn)而使功率更加平衡。根據(jù)實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)，在PID進(jìn)行控制之后，就會(huì)平衡從驅(qū)動(dòng)電機(jī)與主驅(qū)動(dòng)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(shí)間是15d，正式使用的時(shí)間是在2021 年3 月，停止使用的時(shí)間是2021 年8 月。在使用現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(wú)需搭接地溝帶式輸送機(jī)來(lái)進(jìn)行運(yùn)輸。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省維護(hù)費(fèi)用，大概是860萬(wàn)。

該項(xiàng)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(dòng)功率、中部主驅(qū)動(dòng)功率會(huì)存在一定的波動(dòng)，但是能夠保證主驅(qū)動(dòng)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。