攀鋼白馬鐵礦下行皮帶機控制系統(tǒng)設(shè)計

胡春明 徐建國 余鴻程 唐茂欽

摘 要：攀鋼白馬鐵礦廢石排土系統(tǒng)下行皮帶在啟動、加速、減速、停車及張力變化過程中，均呈現(xiàn)出復(fù)雜的運動力學(xué)特征，主要表現(xiàn)為橫向、縱向振動及動態(tài)張力波在皮帶中的傳播和疊加，由此會造成皮帶機的不穩(wěn)定。基于此，針對下行皮帶運行特點，通過運行分析，設(shè)計了一套由四象限變頻器和PLC組成的皮帶機運行控制系統(tǒng)，并設(shè)置了皮帶機啟動的速度給定優(yōu)化S曲線優(yōu)化給定功能塊。系統(tǒng)通過兩年的運行，安全穩(wěn)定，沒有發(fā)生過飛車故障，達到了皮帶機安全、節(jié)能、穩(wěn)定運行的效果。

關(guān)鍵詞：下行皮帶；四象限變頻器；優(yōu)化S曲線；控制系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TD528.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）11-0043-02

0 引言

攀鋼白馬鐵礦廢石排土系統(tǒng)由9條皮帶機組成（B1～B9），其中#1皮帶機是下行皮帶機，單邊長度255 m、寬度2 m、帶速2.5 m/s，下降坡度為5°。整條皮帶機全程裝有打滑、撕裂、一級跑偏、二級跑偏、拉繩等安全聯(lián)動保護裝置，皮帶機采用單電機驅(qū)動，電機額定電壓為AC380V，額定功率為160 kW，額定轉(zhuǎn)速1 485 r/min，電機配1/40減速機、液壓盤式制動器，液壓泵運行打開制動器，液壓泵停止關(guān)閉制動器，油壓不用比例閥控制，電機配有光電碼盤檢測帶速。

皮帶機是柔性力學(xué)系統(tǒng)，具有明顯運動力學(xué)特征，在啟動、加速、減速、停車及張力變化過程中均呈現(xiàn)出復(fù)雜的運動力學(xué)特征，主要表現(xiàn)為橫向、縱向振動及動態(tài)張力波在皮帶中的傳播和疊加，由此造成皮帶機的不穩(wěn)定。具體表現(xiàn)為皮帶斷裂、機械損害、疊帶、撒料、局部諧振跳帶等。下行皮帶機比較特殊，容易發(fā)生飛車事故[1]，故控制比較復(fù)雜。皮帶機側(cè)剖面見圖1。

1 皮帶運行原理分析

皮帶機為柔性系統(tǒng)，若直接啟動，會造成機械損害、皮帶機斷裂及物料滑落等問題。因此，通常采用變頻器拖動，即斜坡啟動方式。另外上下游皮帶的物料流量匹配也需要調(diào)速。

下行皮帶機運輸機空載運行時，上層皮帶機向下運行，下層皮帶機向上運行，上層皮帶機和下層皮帶機的重力分量大小相等方向相反，阻礙皮帶機運行的只是皮帶機摩擦力，電機驅(qū)動力克服阻力就帶動皮帶機運轉(zhuǎn)。當驅(qū)動力和阻力平衡時，下行皮帶機運輸機恒速運行，空載啟動和恒速運行時，能量從電網(wǎng)經(jīng)由整流回路和逆變回路流向電機，電機處于正轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，變頻器工作在第一象限。下行皮帶機運上礦石后，礦石的重力沿皮帶機傳輸方向的分力作用在驅(qū)動滾筒上，驅(qū)動力矩是礦石重力分量、皮帶機阻力和電機電磁力矩的合成[2]。

在加速階段，當皮帶機運行速度小于設(shè)定速度時，電機電磁力矩與皮帶機運行方向一致電機處于正轉(zhuǎn)電動狀態(tài)。當皮帶機速度大于設(shè)定速度時，電機電磁力矩與皮帶機運行方向相反，電機處于正轉(zhuǎn)發(fā)電狀態(tài)，變頻器工作在第四象限。當下行皮帶機勻速運行時，礦石的重力分量等于阻力和電機電磁力矩之和，電機處于正轉(zhuǎn)發(fā)電狀態(tài)。因此選擇變頻器時，必須具有四象限功能[3]，將皮帶機重載下行過程所產(chǎn)生的電能回饋給電網(wǎng)，有效節(jié)約電能損耗，保證皮帶機不超速飛車，平穩(wěn)運行。

皮帶機正常啟動時，皮帶機上是沒有物料的。停止時，物料跑完才停機。有時緊急停車時，若皮帶機上帶有物料，需要重載啟動。重載啟動時，變頻器給定零轉(zhuǎn)速，制動器打開，變頻器產(chǎn)生電流，在電機中建立磁場，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和礦石的重力分量相等，皮帶機保持靜止狀態(tài)，這就是零速轉(zhuǎn)矩功能。變頻器必須具有零速轉(zhuǎn)矩功能，零速轉(zhuǎn)矩功能有效防止了皮帶機重載啟動的溜車現(xiàn)象，是皮帶機安全運行的重要保障。

皮帶機在勻速運行時需要閉環(huán)控制，零速轉(zhuǎn)矩和勻速運行均需要速度反饋，來檢測電機的轉(zhuǎn)速，因此變頻器必須具有接入光電編碼器信號的接口，并帶矢量閉環(huán)控制功能。

2控制系統(tǒng)設(shè)計

下行皮帶機電機采用380 V、四象限帶能量回饋功能的變頻器拖動，由單獨一套PLC控制，PLC與變頻器的通信采用PROFIBUS-DP通信。皮帶主傳動控制框圖見圖2。

白馬鐵礦廢石排土系統(tǒng)由多條皮帶機組成，皮帶機長短不一，長的800多m，短的100 m，設(shè)計了多個電氣室為皮帶機供電。一個電氣室為一條皮帶機或幾條皮帶機供電，每個電氣室單獨設(shè)置一套PLC。PLC采用西門子的S7-300，設(shè)置兩個操作站，操作站布置在調(diào)度室，操作站與PLC之間采用光纖環(huán)網(wǎng)通信。PLC與PLC之間的聯(lián)鎖采用通信方式[4]，采用PUT/GET通信，PUT/GET通信簡單，但是不能保證信號實時性和判斷通信是否正常，因此在通信數(shù)據(jù)內(nèi)增加了時鐘信號，用看門狗來判斷通信是否正常，以保證聯(lián)鎖正常。PLC與變頻器之間采用PROFIBUS-DP通信，編程軟件采用博圖V16，監(jiān)控軟件采用WinCC7.4，程序按一鍵啟停設(shè)計，在關(guān)鍵點均設(shè)置了視頻監(jiān)控，現(xiàn)場、各電氣室不設(shè)巡檢人員，整個系統(tǒng)做到無人值守，一鍵啟停。

3皮帶機的運行及優(yōu)化

3.1 皮帶機的起停邏輯

皮帶機的啟動流程為：先檢查皮帶機是否正常，如果沒有報警和故障時，按下啟動按鈕。啟動變頻器，輸出電流到電機，建立磁場，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。打開制動器，由于頻率設(shè)定為零，皮帶機保持靜止狀態(tài)，制動器打開到位后，變頻器按優(yōu)化S曲線升速，速度升至設(shè)定值后，恒速持續(xù)運行。

皮帶機的停止流程為：當按下停止按鈕或皮帶機發(fā)生停機故障時，變頻先按優(yōu)化S曲線減速，速度減至零。等皮帶機靜止后，關(guān)閉制動器，制動器關(guān)閉后，停止變頻器運行，逆變器關(guān)閉，皮帶機停止。當變頻器發(fā)生故障時，變頻器的輸出全部封鎖，變頻器沒有電流輸出，電機沒有電磁轉(zhuǎn)矩，只有變頻器發(fā)生故障，立即關(guān)閉制動器，皮帶機立即停止。上下游皮帶機正常停機的聯(lián)鎖是上游皮帶機停機且當前皮料流跑完不帶料時，停止當前皮帶機。正常停止時，從上游到下游皮帶機依次停機，全部停止后，所有皮帶機不帶料。故障停機時，當前和上游皮帶機都停止，通過優(yōu)化S曲線減速，當前和上游皮帶機差不多同時停止，皮帶機帶料，皮帶機的下料斗不堵塞。皮帶機啟停流程見圖3。

3.2 皮帶機的速度控制優(yōu)化

皮帶機由彈性單位組成，皮帶機是柔粘性力學(xué)系統(tǒng)，具有明顯運動力學(xué)特征，在啟動加速、停車減速及張力變化過程中均呈現(xiàn)出復(fù)雜的運動力學(xué)特征。主要表現(xiàn)為橫向振動、縱向振動以及動態(tài)張力波在皮帶中的傳播和疊加，由此造成皮帶機的不穩(wěn)定。具體表現(xiàn)為皮帶斷裂、機械損害、疊帶、撒料、局部諧振跳帶等。

為了抑制張力波及其有害傳播，保證皮帶機安全運行，必須對皮帶機動態(tài)過程進行分析和控制。這不僅可以使皮帶機在優(yōu)化的工況下安全運行，保障生產(chǎn)，有效延長其使用壽命，還可以通過控制工作張力和啟制動加速度，優(yōu)化皮帶安全系數(shù)，節(jié)省設(shè)備投資。

根據(jù)皮帶機的運行特點，繪制了皮帶機啟動的速度給定優(yōu)化S曲線，速度給定優(yōu)化S曲線圖見圖4。皮帶機運行的速度給定優(yōu)化S曲線，是皮帶張緊、加速、勻速、減速控制的關(guān)鍵。啟動過程分為皮帶張緊和皮帶加速兩個階段，張緊階段分又分預(yù)張緊和張緊兩個階段。預(yù)張緊階段是從皮帶機開始啟動，在t0（一般設(shè)為10 s，可以根據(jù)皮帶長度增減）時間內(nèi)速度從0勻速增加至頻率f1（一般設(shè)定5 Hz），電機通過減速機帶動滾筒，滾筒帶動皮帶運動，皮帶帶動托輥運動，皮帶機運動像波一樣從滾筒開始向遠處傳播。當t0時間后，皮帶機速度達到f1這后，再以f1速度運行t1-t0的時間（一般設(shè)為5 s，可以根據(jù)皮帶長度增減），確保皮帶張緊并以f1的速度勻速運行。皮帶進入加速段，皮帶機用t2～t1的時間（根據(jù)皮帶長度設(shè)定），從速度f1以反余弦曲線增速至設(shè)定速度f2，然后皮帶機勻速運行。正常停機減速的曲線是加速曲線的鏡像，先按反余弦曲線減速至f1，以f1的速度運行t1～t0的時間，再用t0的時間斜坡減速至零。故障停機的曲線與正常停機的曲線一致，只是時間只用1/10，正常停機要60 s，故障停機只要6 s，變頻器發(fā)生故障時，速度立即設(shè)為零。

4 運行效果

該系統(tǒng)在白馬鐵礦投產(chǎn)后，運行了兩年，系統(tǒng)安全穩(wěn)定，沒有發(fā)生過飛車故障，變頻器四象限運行回饋了一部能量。結(jié)果表明：系統(tǒng)性能先進、可靠性高、運行穩(wěn)定，操作簡單。

參考文獻

[1] 林富其.下行皮帶機“飛車”故障原因分析及對策[J].電工技術(shù)，2011（11）：43.

[2] 王萬弘.石灰石礦下行皮帶驅(qū)動用異步電機安全節(jié)能運行分析[J].新世紀水泥導(dǎo)報，2017（5）：70.

[3] 堅德毅.ACS800四象傳動系統(tǒng)在下行皮帶中的應(yīng)用[J].電氣傳動自動化，2012（5）：29.

[4] 崔堅.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊指南[M].北京：機械工業(yè)出版社， 2006：122.