譚澤林

(銅陵有色集團(tuán)公司中鐵建銅冠投資有限公司，安徽 銅陵 244000)

1 膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)概述

針對(duì)礦石下運(yùn)膠帶輸送機(jī)的特殊要求，控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型至關(guān)重要。某銅礦礦石膠帶輸送系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)載膠帶機(jī)和兩段下運(yùn)輸膠帶機(jī)組成，膠帶機(jī)平均輸送量為5 800t/h。破碎后的礦石經(jīng)轉(zhuǎn)載膠帶機(jī)運(yùn)至1#、2#運(yùn)輸膠帶機(jī)，最終運(yùn)至選礦廠的粗礦堆。3條膠帶輸送機(jī)主要參數(shù)分別為：轉(zhuǎn)載膠帶機(jī)帶寬2 400mm，水平運(yùn)輸長(zhǎng)度150m，提升高度-1m，傾角-0.38°，運(yùn)行速度1.6m/s，采用單驅(qū)電機(jī)功率為200kW。1#礦石運(yùn)輸膠帶機(jī)下運(yùn)輸送，帶寬1 800mm，水平運(yùn)輸長(zhǎng)度598m，提升高度-96m，傾角-9.12°, 膠帶速度4m/s，采用三驅(qū)電機(jī)功率為3×560kW。 2#運(yùn)輸膠帶機(jī)帶寬1 800mm，尾部下運(yùn)輸送水平運(yùn)輸長(zhǎng)度670m，提升高度-87m，最大傾角-9.68°，最小傾角為0°，膠帶速度4m/s，頭部水平運(yùn)輸160m ，采用三驅(qū)電機(jī)功率為3×500kW。1#、2#膠帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置由690V低壓變頻器和三相異步變頻電動(dòng)機(jī)及相關(guān)器件組成，各驅(qū)動(dòng)點(diǎn)設(shè)置PLC控制站，通過Profibus- DP通訊結(jié)成完整的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輸送系統(tǒng)順序安全運(yùn)行。選用西門子G150和S120CM變頻調(diào)速裝置組成的變頻控制系統(tǒng)，并配置了自動(dòng)液壓拉緊裝置和盤式制動(dòng)器，在重載工況下能有效控制膠帶輸送機(jī)柔性負(fù)載的軟起動(dòng)/軟停車動(dòng)態(tài)過程，保證下運(yùn)膠帶機(jī)工作時(shí)物料的能量有效回饋至電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，達(dá)到膠帶機(jī)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)之間的功率平衡和速度同步。

2 膠帶機(jī)控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)配置

控制系統(tǒng)選用3臺(tái)西門子S7- 1500系列PLC，作為3套膠帶機(jī)驅(qū)動(dòng)電控和保護(hù)系統(tǒng)的核心，PLC主站設(shè)在2#下運(yùn)膠帶機(jī)驅(qū)動(dòng)站，轉(zhuǎn)載膠帶機(jī)和1#下運(yùn)膠帶機(jī)驅(qū)動(dòng)站分別為從站，采用模塊化結(jié)構(gòu)，各控制站通過Profibus- DP現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)與變頻器和觸摸屏通訊，采用工業(yè)交換機(jī)以太網(wǎng)進(jìn)行主站和從站之間數(shù)據(jù)通訊，通過光纖網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與中控室DCS系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。PLC編程軟件基于Windows操作平臺(tái)SETP7編程工具軟件，保證了整個(gè)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)平臺(tái)和應(yīng)用軟件平臺(tái)與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備無(wú)縫鏈接，具有較高的集成性和統(tǒng)一性。系統(tǒng)配置如圖1。

圖1 系統(tǒng)配置示意圖

2.2 控制系統(tǒng)功能

(1)控制模式有就地、遠(yuǎn)程、測(cè)試3種。測(cè)試模式通過觸摸屏上設(shè)置的虛擬按鈕對(duì)輸送機(jī)的附屬設(shè)備單獨(dú)啟動(dòng)。PLC控制柜上設(shè)有工作/檢修轉(zhuǎn)換開關(guān)(帶鎖轉(zhuǎn)換開關(guān))，當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)置于檢修位置時(shí)，任何操作方式啟動(dòng)不了膠帶機(jī)，并將此信號(hào)上傳至中控系統(tǒng)，PLC控制柜的觸摸屏?xí)詣?dòng)跳出檢修畫面進(jìn)行安全提示。

(2)當(dāng)選擇為遠(yuǎn)程控制方式時(shí)，膠帶機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)行和停止及速度調(diào)節(jié)將接受來(lái)自于遠(yuǎn)程中控的指令。在遠(yuǎn)程DCS中控工作方式下，遠(yuǎn)程DCS中控系統(tǒng)可以隨時(shí)讀取膠帶機(jī)的運(yùn)行情況和報(bào)警、故障停機(jī)原因，并可對(duì)膠帶機(jī)的故障鎖定進(jìn)行遠(yuǎn)程復(fù)位解除。

(3)DCS強(qiáng)制遠(yuǎn)程中控信號(hào)(非檢修狀態(tài))，當(dāng)PLC控制柜的就地/遠(yuǎn)程選擇開關(guān)沒有置換為遠(yuǎn)程時(shí)，中控室的操作人員可以將下發(fā)給膠帶機(jī)的控制字第三位置1，這樣即便現(xiàn)場(chǎng)PLC控制柜的控制方式選擇放在本地控制方式，遠(yuǎn)程控制信號(hào)將強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)程中控工作方式。

(4)膠帶機(jī)在啟動(dòng)之前，為了提醒現(xiàn)場(chǎng)人員的注意和及時(shí)撤離，提前30s對(duì)啟動(dòng)運(yùn)行的膠帶機(jī)的控制字第0位(啟動(dòng)預(yù)告)實(shí)行5s為1, 然后3s為0，這樣重復(fù)3次的操作，此時(shí)膠帶機(jī)沿線的電鈴產(chǎn)生相應(yīng)的鈴聲警告提醒。

(5)當(dāng)膠帶機(jī)發(fā)生任何故障報(bào)警后，膠帶機(jī)控制柜的PLC將產(chǎn)生故障鎖定，同時(shí)發(fā)出備妥信號(hào)。故障解除后，再次啟動(dòng)之前，須按下PLC控制柜上的故障復(fù)位按鈕2s或通過遠(yuǎn)程給膠帶機(jī)的控制字的第二位發(fā)出2s脈寬的脈沖信號(hào)，使膠帶機(jī)PLC解除鎖定，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

(6)PLC控制柜上觸摸屏(HMI)可顯示就地設(shè)備的運(yùn)行狀況，通過軟鍵盤實(shí)施就地自動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各設(shè)備的監(jiān)控、設(shè)備故障查詢和運(yùn)行參數(shù)設(shè)定，并可組態(tài)系統(tǒng)整體工藝畫面、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)曲線畫面、歷史數(shù)據(jù)畫面、變頻器運(yùn)行參數(shù)畫面、變頻器參數(shù)設(shè)定畫面、故障和報(bào)警消息畫面等。

2.3 系統(tǒng)控制邏輯

(1)實(shí)現(xiàn)連鎖逆料流啟動(dòng)，中控室發(fā)出啟動(dòng)命令后，先啟動(dòng)下游2#輸送機(jī)，2#輸送機(jī)的啟動(dòng)完成信號(hào)作為1#輸送機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)啟動(dòng)1#輸送機(jī)，1#輸送機(jī)的啟動(dòng)完成信號(hào)作為轉(zhuǎn)運(yùn)輸送機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)，依次啟動(dòng)輸送系統(tǒng)。

(2)輸送機(jī)安全啟動(dòng)，輸送機(jī)PLC控制系統(tǒng)接收到啟動(dòng)命令，預(yù)報(bào)10s(時(shí)間可調(diào)整)，預(yù)報(bào)完成后，啟動(dòng)變頻電機(jī)風(fēng)扇，PLC控制系統(tǒng)接收到電機(jī)風(fēng)扇運(yùn)行信號(hào)后，啟動(dòng)減速機(jī)油泵以及減速機(jī)散熱風(fēng)扇，系統(tǒng)接收到油泵、散熱風(fēng)扇運(yùn)行信號(hào)后，啟動(dòng)變頻器，利用變頻器零Hz制動(dòng)功能將電機(jī)“抱死”以防盤式制動(dòng)器打開后下運(yùn)輸送自行下滑“飛車”，收到變頻器運(yùn)行信號(hào)后，啟動(dòng)盤式制動(dòng)器，接收到盤式制動(dòng)器打開信號(hào)后，控制系統(tǒng)調(diào)運(yùn)優(yōu)化S型曲線，按照S型曲線下發(fā)轉(zhuǎn)速至變頻器，直至給定速度時(shí)啟動(dòng)完成。

(3)實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)連鎖停車，正常情況下，控制系統(tǒng)接收到停止命令，按照順料流方向依次停止轉(zhuǎn)運(yùn)輸送機(jī)、1#輸送機(jī)、2#輸送機(jī)。停車時(shí)間間隔根據(jù)輸送機(jī)運(yùn)行速度控制系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算。輸送系統(tǒng)故障時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)輸送機(jī)上下游的位置給出故障輸送機(jī)編碼，根據(jù)故障編碼判斷停止故障輸送機(jī)及上游輸送機(jī)，當(dāng)2#輸送機(jī)故障時(shí)，3條輸送機(jī)全停。1#輸送機(jī)故障時(shí)，停止1#輸送機(jī)及轉(zhuǎn)運(yùn)輸送機(jī)。轉(zhuǎn)運(yùn)輸送機(jī)故障時(shí)，只停止轉(zhuǎn)運(yùn)輸送機(jī)。

(4)單條輸送機(jī)正常停車，輸送機(jī)PLC控制系統(tǒng)接收到停車命令，調(diào)用反S型曲線，直至下發(fā)速度為零系統(tǒng)確認(rèn)為調(diào)用結(jié)束，然后啟動(dòng)盤式制動(dòng)器緊急制動(dòng)功能將電機(jī)“抱死”，依次停止變頻器、減速機(jī)油泵、減速機(jī)散熱風(fēng)扇、變頻電機(jī)風(fēng)扇。

(5)單條輸送機(jī)故障停車， 輸送系統(tǒng)在啟動(dòng)、運(yùn)行、正常停車的過程中，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)各種故障進(jìn)行診斷。系統(tǒng)故障時(shí)，調(diào)用故障停車功能塊，緊急停止變頻器，變頻器設(shè)置為自由停車方式，接收到停止命令立刻封鎖脈沖輸出，1s后啟動(dòng)盤式制動(dòng)器的柔性制動(dòng)功能(柔性制動(dòng)時(shí)間可調(diào))；柔性制動(dòng)時(shí)間結(jié)束后，依次停止減速機(jī)油泵、減速機(jī)散熱風(fēng)扇、變頻電機(jī)風(fēng)扇。

2.4 控制系統(tǒng)保護(hù)功能

控制系統(tǒng)對(duì)帶式輸送機(jī)輸送線整個(gè)運(yùn)行過程中進(jìn)行控制，并能對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)、報(bào)警。除具有一般的斷路、短路、過載、過流、欠電壓、缺相、接地和拉緊、制動(dòng)信號(hào)、測(cè)溫信號(hào)等項(xiàng)保護(hù)及聲、光報(bào)警指示以外，還配備緊急事故拉繩開關(guān)、跑偏開關(guān)、縱向撕裂、料流、測(cè)速等保護(hù)裝置。系統(tǒng)出現(xiàn)拉繩、重跑偏、溜槽堵塞、縱向防撕裂、超速、打滑、附屬設(shè)備故障、附屬設(shè)備無(wú)應(yīng)答、溫度超上限等動(dòng)作故障，單條輸送機(jī)保護(hù)停車，并作故障定位顯示。輕跑偏、溫度上限只作保護(hù)報(bào)警。

3 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

輸送帶由彈性單元組成，膠帶輸送機(jī)為柔粘性力學(xué)系統(tǒng)，具有明顯的運(yùn)動(dòng)力學(xué)特征，在啟動(dòng)加速、停車減速及張力變化過程中均呈現(xiàn)出復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)力學(xué)特征，主要表現(xiàn)為橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)以及動(dòng)態(tài)張力波在膠帶中的傳播和疊加，造成輸送系統(tǒng)的不穩(wěn)定，具體表現(xiàn)為膠帶斷裂、機(jī)械損害、疊帶、撒料、局部諧振跳帶等。為抑制張力波及其有害傳播，必須對(duì)膠帶輸送機(jī)動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行控制，使得膠帶機(jī)在優(yōu)化的工況下安全運(yùn)行，保障生產(chǎn)，延長(zhǎng)膠帶機(jī)使用壽命。通過選用合適的變頻控制裝置來(lái)有效控制膠帶工作張力和起制動(dòng)加速度，優(yōu)化控制過程，保證輸送機(jī)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

3.1 變頻器配置

轉(zhuǎn)載皮帶選用250kW西門子公司G150系列低壓變頻器1套；1#、2#輸送機(jī)下運(yùn)角度較大，正常運(yùn)行時(shí)做負(fù)功，為達(dá)到經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行采用低壓690變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，變頻器分別選用西門子公司的S120系列3×710kW和3×560kW四象限變頻器，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的負(fù)功直接回饋到電網(wǎng)。選用2臺(tái)2 500kW六繞組干式整流變壓器(輸出相位角相差60°)，分別為2臺(tái)低壓變頻器提供690V電源，整流變壓器的輸出側(cè)形成12脈波，較好地抑制由變頻器所引起的諧波干擾。每套變頻裝置包括2套進(jìn)線柜(含進(jìn)線電抗器)、2套整流/回饋柜 、3套逆變柜和3套輸出電抗柜，分別拖動(dòng)3臺(tái)變頻電機(jī)。

3.2 變頻器控制功能

(1)采用優(yōu)化S型曲線啟動(dòng)方式，保證了帶式輸送機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)，PLC控制器中固化有輸送機(jī)專用的優(yōu)化S型曲線函數(shù)，啟動(dòng)時(shí)的加速度和停車時(shí)的減加速度均小于0.1m/s2可調(diào)。帶式輸送機(jī)的膠帶是種彈性體，在啟動(dòng)過程中膠帶會(huì)局部拉伸，所產(chǎn)生的張力波沿著輸送機(jī)運(yùn)行的方向傳播，在傳播的過程中波峰與波峰相遇、波谷與波谷相遇膠帶上下抖動(dòng)拍打輸送機(jī)支架，對(duì)輸送機(jī)的使用壽命有影響，為此在啟動(dòng)的過程中增加了二次張緊功能減小張力波，使得張力波能量通過張緊裝置釋放，二次張緊時(shí)間根據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置至張緊裝置之間的距離進(jìn)行調(diào)整。在啟動(dòng)過程中，速度控制曲線在達(dá)到額定速度10%(5Hz)時(shí)，維持速度給定不變,運(yùn)行一段時(shí)間后，逐步增加帶速。啟動(dòng)曲線如圖2。

圖2 S型啟動(dòng)曲線

(2)無(wú)級(jí)調(diào)速控制。膠帶機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)：大慣量、恒轉(zhuǎn)矩、滿載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。采用PLC無(wú)級(jí)調(diào)速給定，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要來(lái)確定膠帶機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度，并通過PLC中的預(yù)置曲線或手動(dòng)給定來(lái)調(diào)整系統(tǒng)速度給定信號(hào)，實(shí)現(xiàn)功率平衡和節(jié)能運(yùn)行。

長(zhǎng)距離多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)輸送機(jī)的啟?？刂坪凸β势胶鈪f(xié)調(diào)控制是輸送機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用變頻電機(jī)，配合變頻器實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)的軟啟動(dòng)及軟停車，以滿足不同工況條件下的變速要求。1#及2#主膠帶機(jī)均采用尾部三驅(qū)，在要求啟動(dòng)平穩(wěn)、可調(diào)速、運(yùn)行穩(wěn)定的前提下，還需要保證3臺(tái)電機(jī)的負(fù)荷平衡(負(fù)載均分)。尾部3臺(tái)電機(jī)相距較近可近似認(rèn)為電機(jī)為硬耦合關(guān)系，因此主驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用速度閉環(huán)控制以滿足膠帶機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的額定速度要求，從電機(jī)與主電機(jī)通過變頻器進(jìn)行主從通訊。對(duì)于非同軸的電機(jī)，采用速度控制轉(zhuǎn)矩限幅模式：主機(jī)速度控制，從機(jī)速度環(huán)飽和，轉(zhuǎn)矩限幅。變頻器控制圖3。

圖3 變頻器控制示意圖

3臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸送機(jī)，同軸的兩臺(tái)變頻器中選一臺(tái)設(shè)置為轉(zhuǎn)速控制，其余的兩臺(tái)設(shè)置為轉(zhuǎn)矩控制，轉(zhuǎn)矩控制的變頻器轉(zhuǎn)矩給定由轉(zhuǎn)速控制的變頻器給定實(shí)現(xiàn)功率平衡。3臺(tái)變頻器分別與電機(jī)編碼器組成速度閉環(huán)，增強(qiáng)電機(jī)的機(jī)械特性，提升低頻段的轉(zhuǎn)矩輸出恒定，以防下運(yùn)輸送機(jī)飛車。變頻控制系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)低速驗(yàn)帶和平穩(wěn)的重載啟動(dòng)，變頻器以10%額定速度運(yùn)行驗(yàn)帶；采用矢量控制方式，低頻運(yùn)轉(zhuǎn)最大可輸出1.5倍額定轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)重載啟動(dòng)。

(3)節(jié)能控制。1#和2#膠帶機(jī)為下運(yùn)輸送機(jī)，由于帶載運(yùn)行時(shí)做負(fù)功，因異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度高于它的同步轉(zhuǎn)速，即異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。反饋制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)從軸上吸取功率后，一部分轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子銅耗，大部分則通過空氣隙進(jìn)入定子，并在供給定子銅耗和鐵耗后，反饋給電網(wǎng)，所以，反饋制動(dòng)

又稱發(fā)電制動(dòng)，這時(shí)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際上是一臺(tái)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)。選用西門子S120 四象限能量回饋?zhàn)冾l器，發(fā)電機(jī)發(fā)的電通過整流/回饋柜的IGBT單元實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)換流，提供連續(xù)的再生能量反饋。

4 結(jié)語(yǔ)

采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)對(duì)3條膠帶運(yùn)輸機(jī)連鎖控制，既能獨(dú)立完成對(duì)就地設(shè)備信號(hào)的采集及處理，具有獨(dú)立完成所轄范圍監(jiān)測(cè)和控制，又可實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)就地連鎖控制和遠(yuǎn)程控制。硬件和軟件都具有相對(duì)的獨(dú)立性，集成度高，滿足安全性和可靠性要求。系統(tǒng)采用成熟的四象限變頻器，不僅實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離膠帶輸送機(jī)多電機(jī)的變頻軟啟動(dòng)、軟停車，而且也解決了多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)各主電機(jī)分時(shí)啟動(dòng)、負(fù)載均衡及下運(yùn)再生發(fā)電等關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)際運(yùn)行時(shí)兩條下運(yùn)膠帶機(jī)每年向電網(wǎng)饋電量約1 600萬(wàn)kW·h，整體技術(shù)方案先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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