长距离胶带输送机控制系统探究

前言

石灰石矿山与厂区的物料大多采用胶带输送机输送，近年来，长距离(单机输送长度)、大运量(高带速和大带宽)和大倾角输送物料的胶带输送机也越来越多。本文针对石灰石矿山中的长距离胶带输送机控制系统进行了设计探究，结合个人的工程经验，对系统的主要部件配置以及控制方法进行了论述，提出了可行的解决方案。

1　胶带输送机基本参数

工程系统实例为两条总长约14km的胶带输送机系统，其位于内蒙古达茂旗百灵庙镇石灰石矿山区。本文以其中一条长约6km的胶带输送机为例。胶带输送机基本参数见表1。

2　系统配置

胶带输送机系统头部安装了2台驱动电动机和1套液压绞车张紧装置；尾部安装了1台驱动电动机和1套盘式液压制动器。胶带输送机系统沿线安装了跑偏、拉绳、测速、纵撕、打滑、堵料和压力等传感器，用于实现对胶带输送机的沿线保护。在电控上，采用西门子S7-300系列PLC控制系统的所有设备。

3　驱动装置

3.1　控制系统组成

长距离胶带输送机系统的启停受到地形和装载量的影响，采用了多电动机变频调速、协调驱动的控制方式。

因驱动点位置太集中会造成整条胶带输送机某段张力太大，无法可靠运行，所以系统在设计时采用了3台驱动电动机“头二尾一”的分布方式，即在输送机头部采用双电动机主从变频驱动、尾部采用单电动机变频驱动的方式，3台变频器通过PROFIBUS-DP通讯与电控系统无缝链接，通过电控系统的逻辑处理，实现3台变频器（ABB公司ACS800系列变频器，480kW，690VAC）的头尾协调驱动。实际应用中，这种方式不仅实现了胶带输送机理想曲线（S型）的启动和制动，还最大化保证了输送机各驱动点之间的功率平衡和速度同步，降低了输送机快速启动、快速停车过程对机械和电气系统的冲击。系统配电图见图1。

3.2　头部主从驱动

皮带传动属于柔性连接。为了使传动单元之间均衡分配负载、不存在速度差异，主变频器设置为速度控制,从变频器设置为转矩控制，从电动机根据主电动机的受力情况进行转矩跟踪；同时从变频器输出转速被主变频器最大转速钳位，保证同步。设备布置见图2。

3.3　尾部控制

胶带输送机尾部采用单电动机变频调速，设置为速度控制。从电动机速度给定值由电控系统结合胶带输送机头部运转情况通过PLC逻辑运算得出；根据胶带输送机头部驱动的出力情况，调整尾部驱动的出力，实现头尾功率平衡和速度同步。

4　沿线保护

由于长距离胶带输送机空间跨度大，其保护传感器（打滑、跑偏、纵向撕裂、超速、堆料等）的数量比普通胶带输送机要多很多。本系统为了实现胶带输送机的全程监控，安装的保护传感器多达190个，这就给施工和问题信号的查找带来困难，因此，系统采用了带通讯功能的保护传感器。保护传感器之间通过MODBUS协议连接，将所有状态信息传递给综合保护仪，综合保护仪与尾部PLC建立MODBUS连接进行数据传输。这种方式不仅节省大量的施工作业，在故障判断上也更加方便，一旦出现故障报警，便能快速锁定故障位置和故障类别，缩短故障排查时间。沿线保护配置如图3所示。

5　张紧装置和张力（检测）装置

长距离胶带输送机在启制动过程和正常运转时，其胶带的张力和挠度会发生变化。为了避免输送机出现弹性伸长导致的打滑现象，系统在头部安装了结构简单、使用安全可靠、维修方便并且响应速度快、精度高、扭矩大的液压绞车张紧装置。为了保证输送机头尾的协调驱动，系统尾部安装了胶带张力检测装置。

因为胶带输送机在运转过程中输送带的弹性变形和塑性伸长会引起张力降低而诱发打滑，所以传统的重锤张紧和固定式绞车张紧装置不适用于长距离、大运量的胶带机输送系统。本系统采用的液压绞车张紧装置，可随着胶带张力的变化而自动补偿胶带的伸长量，其拉紧力在输送机启动和运行时自动调节。胶带输送机启动时，一旦胶带松边突然松弛伸长，液压绞车拉紧装置立刻收缩，及时补偿胶带伸长，使紧边冲击力减小，实现启动平稳可靠。正常工作时，减小拉紧力，保证胶带输送机的安全性。张紧装置侧视图见图4。

张力（检测）装置安装在胶带输送机尾部，其作用是检测输送机启动时的胶带张力变化。张力（检测）装置反馈的数值高于常态数值10%左右作为胶带输送机启动的充分条件（系统张力值足够大），确保多电动机协调驱动的可靠。在系统正常运行时，一旦张力（检测）装置反馈张力数值异常（如张力值动态时骤降10%~15%），电控系统将做出故障或紧停的相应处理，避免发生“断带”。

6　制动装置

结合现场带速、运料量、倾斜角度、停车时间、电动机启动力矩等因素，系统采用盘式制动器作为整条胶带输送机的制动装置，并将其安装在胶带输送机尾部；同时在胶带输送机头尾变频器都配套了制动电阻，在胶带输送机制动的过程中，制动电阻将部分动能消耗掉，从而起到辅助制动的作用。

盘式制动器在系统启动和停车过程中起着极为关键的作用。在启动时，为了避免“皮带溜车”，系统尾部的盘式制动器不能马上打开，要配合头部两台变频器启动的相关参数相应打开；停车时又分为正常停车和紧急制动。正常停车为胶带输送机系统带速降低到设定值后动作，而紧急制动时，盘式制动器马上动作。

由于本系统落差为37.217m，倾角为-4°～4°，存在“势能发电”的情况。当带料启车或系统处于力矩严重不平衡状态时，如果发电电能不作处理，将对变频器和电动机造成损坏。为了避免这一现象，在系统设计初期，考虑能耗制动（制动电阻配套制动单元）和回馈（再生）制动（变频器增加“能量回馈单元”选件）两种方案。考虑到系统正常使用后，诸如力矩不平衡和带料启车的情况很少出现，兼顾成本投入和发电应用回报的因素，最终采用将“电动机发电”能量消耗在制动电阻上的方案，保证变频器母线电压值恒定。

7　电控系统

本系统现场传感器以通讯方式完成数据传输，不仅降低了施工作业的成本，而且避免了电压、电流信号长距离传输导致的衰减和信号干扰；机头和机尾两套PLC通过以太网通讯，保证所有连锁、数据状态的快速可靠传输。电控系统拓扑图见图5。

胶带输送机头尾电动机启动后，进入加速状态，根据动态分析结论，采用S型曲线启动，如图6所示。

图6中，加速段时间为t1，使带速达到额定值的10%；延迟段时间为t2，在10%额定带速下运行；然后再次加速到全速时间t3。

延伸阅读

目前，从国内来看，皮带输送机的应用非常广泛，在冶金、矿山、煤炭、港口、交通、水电、化工、水泥、建筑等的行业中都有非常重要的作用。根据不同行业的发展需要，皮带输送机就有了不同的发展方向，比如在应用最广泛的煤炭行业，大量的井下作业对设备的承重能力、处理能力、牵引力、耐用性等都有很大的考验，因此，目前国内的上海皮带机在煤炭行业，正朝向大运输能力、大带宽、大倾角、增加单机长度和水平转弯能力、降低物料输送能耗等方向发展。

从国际来看，带式输送机技术的发展主要表现在两方面，第一，就是皮带输送机的功能多元化，应用范围扩大化，如相继出现的高倾角带式输送机、管状带式输送机、空间转弯带式输送机等；第二，皮带输送机本身的技术与装备有了巨大的发展，尤其是长距离，大运量，高带速等大型输送机已成为其发展的主要方向，比如：世界上皮带输送机单机运距最长达30.4km，已在澳大利亚的铝钒土矿投入使用；运输量达到37500t/h，带速为7.4m/s的一条大型皮带输送机已应用于德国露天煤矿。这种皮带机价格与普通皮带机相比较高，但是整个设备的性能可以为企业在生产中创造玩滚球的十大平台的利润。

由于皮带输送机的日趋成熟及输送电机在输送机械上的应用，使得世界工业发达国家近年来在输送机方面的开发与研制发展异常迅速。现在已广泛的用于矿山、冶金、建材、化工等各工领域。

其发展趋势大致有以下几个方面

1、标含数优化：重量最轻，造价最低，能耗最少；噪声最小、效率最高，输送量最大；

2、磨损轻，润滑点少，磨损环节少，零部件寿命长，维修量小，维修费用低；

3、输送高温材料：允许输送物料的温度可以达350度，短时间温度可达680度至一千度。

4、承载构件做成密封结构，便于封闭输送粉尘性大、有毒、有挥发性异味、危害人体健康和环境卫生的物料；

5、输送过程当中，可同时完成其他工艺作业，如筛分、混合、烘干和加热、冷却、清洗等，实现一机多用；

6、可水平或倾斜安装，一般向上，向下倾角分别不超过十二度至负十五度；

近年来，国内在皮带输送机方面也得到了迅速发展和应用。不少研制单们、高校及厂家对皮带输送机进行了非常广泛的研究，但其效率、功能、规格、寿命等诸方面 与发达国家相比，还有较大的差距。国内较为成功的结构形式主要有：单管、双管输送机、平衡式、不平衡式输送机，单质体、双质体输送机，偏心连杆式，其长度多在七米以下，个别样机可达十二米。

国内外皮带输送机技术的发展很快。如高倾角带输送机、管状带式输送机、螺旋输送机等各种机型；另一方面是带式输送机本身的技术与装备有了巨大的发展，其主 要表现在2个方面：一方面是带式输送机的功能多元化、应用范围扩大化。尤其是长距离、大运量、高带速等大型带式输送机已成为发展的主要方向，其核心技术是开发应用于了带式输送机动态分析与监控技术，提高了皮带输送机的运行性能和可靠性。

其关键技术与装备有以下几个特点

1、设备大型化。其主要技术参数与装备均向着大型化发展。

2、 应用动态分析技术和机电一体化、计算机监控等高新技术。对输送机进行动态监测与监控，采用大功率软起动与自动张紧技术。大大地降低了输送带的动张力，设备运行性能好，运输效率高。

3、采用多机驱动与中间驱动及其功率平衡、输送机变向运行等技术。并确保了输送系统设备的通用性、互换性及其单元驱动的可靠性。使输送机单机运行长度在理论上已有受限制。

4、 新型、高可靠性关键元部件技术。如包含 CST等在内的各种先进的大功率驱动装置与调速装置、高寿命高速托辊、自清式滚筒装置、高效贮带装置、快速自移机尾等。如英国 FSW生产的FSW1200/2~3400600工作面顺槽带式输送机就采用了液粘差速或变频调速装置。机尾与新型转载机(如美国久益公司生产的 S500E配套，运输能力达 3000t/h以上。可随工作面推移而自动快速自移、人工作业少、生产效率高。

目前，国内同类产品存在主要问题如下

1、动装置多采用偏心连杆机构，偏心连杆负荷大，应力高。，槽体的弯曲应力大，槽体的横向刚度要求高，由此整机重量也成正比增加；

2、结构较为复杂，加工件多，安装、调试、维修工作量大，机体重量大，功耗大，输送效率低；

3、当设计、制造、安装、调试不当时，常常产生较大噪声和输送，弹簧易于损坏，维修量过大，影响机器的正常工作；

4、激震源效率低，使用寿命短，易于出现故障，导致维护工作量大，成本提高，以至整机寿命大大缩短；

5、弹性或刚性连杆驱动集中作用于输送机槽体和底架上，使得该处极易损坏或断裂。