基于超長距離下行皮帶控制的礦山兩化融合建設

趙海軍

（1.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020；2.大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室，甘肅天水741020）

基于超長距離下行皮帶控制的礦山兩化融合建設

趙海軍1，2

（1.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020；2.大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室，甘肅天水741020）

基于超長距離、高落差、分段控制的礦山膠帶運輸系統的建設，集成礦山工業視頻監控系統、礦井環境監控系統、礦井安全六大系統、電力監控系統、能效管理系統、調度管理等系統，闡述了實現整個礦山數字化、信息化兩化融合的過程。重點說明了在大型礦山長距離、高落差的膠帶運輸傳動和自動化的建設方案，針對膠帶運輸的特性采用S型速度加速度的驅動控制，超長距離通信采用雙網冗余、雙網環形自愈的總線結構及礦山數據的集中存儲和礦山調度的分級管理，為同類系統建設提供成功建設方案。

超長距離；高落差；分段控制；總線雙網冗余；環形自愈；S型速度加速度調節；數據集中存儲；調度分級管理

1 引言

由于礦山開采的特殊性，開采的礦料一般都在遠離礦料處理和裝運的井下或礦山頂部，因此礦山開采后的礦料需要運輸到破碎裝礦區，國內礦山中長距離礦石運輸有采取架空索道料斗運輸的，也有采用斜井膠帶機運輸的，但根據地勢采取分段驅動的膠帶機運輸方式的還比較少。前兩種方式由于要建設索道或打通隧道，建設投資較大。對于控制系統來說，無論索道料斗運輸還是斜井膠帶運輸，在運輸沿線均設置了電磁站，并在各電磁站設置崗位操作工操作各站設備的運行，通過生產調度系統人為指揮設備的開啟，并沒有達到集中控制無人值守的狀態，設備的運行參數也沒有達到集中監控的狀態。

本文針對膠帶運輸長距離、大跨度、高落差曲折運行的特點，優化傳動控制方案和控制方式，在提高控制工藝和降低運行成本的前提下，將以往獨立的工業電視監控系統、礦井環境監控系統、膠帶運輸系統、電力監控系統等進行了融合，采用大容量數據庫采集存儲相應的數據，軟件智能分析當前的運行環境（如電力參數、硐室氣體濃度、硐內通風以及實時畫面監控等），將數據歸納統計實現礦山開采系統的數字化。

2 方案設計

2.1 超長距離膠帶機分段驅動方案

根據超長距離膠帶運輸的曲折地理形勢，采取分段轉運的方式。膠帶被分為3種運行區段：上運區段、平運區段、下運區段。在不同的運行區段，配置獨立的膠帶傳動系統和電氣傳動系統。對電氣傳動系統而言，根據3種運行區段的負載變化情況，選擇不同類型的變頻傳動系統：二象限運行和四象限運行變頻器。電氣傳動系統的合理配置，優化了系統運行方案，節約了控制系統成本。

上運膠帶機：由于上運膠帶機傾角大，啟動過程要求速度平滑，防止礦石滑落。采用變頻器驅動，無極變速，多機驅動功率自動均衡分配，過載自動保護。配置機械逆止器，防止逆轉時膠帶機飛車及機械設備損壞等問題。

平運膠帶機：運行工況水平，啟動、運行、停止過程平穩。選用單軸模塊化驅動系統，具有較高的控制精度和穩定的速度。

下運膠帶機：下運膠帶機帶重載后，電動機將物料的勢能轉換為電能，由電動狀態轉變成發電狀態。選用具有回饋功能的變頻器將電能回饋至電網。制動裝置結合PWM整流四象限變頻器的零速轉矩功能，閘控指令與變頻器電磁轉矩實現可靠閉鎖控制方式，解決了下行膠帶的重負荷平穩啟停車問題。

2.2 分散驅動集中控制

由于設備分布較分散，在每段膠帶機驅動電機旁設置獨立電磁站，配備高壓開關柜、變壓器、低壓配電柜、變頻柜、程控柜、制動柜等。集控室設在調度中心，可完成對所有電磁站設備的監控功能，對每條膠帶機的運行實現協調控制。每個電磁站可獨立完成對本段膠帶機的驅動控制，具有機旁控制和遠程控制功能，正常生產時可無人值守，節約了人工成本，提高了設備的自動化控制水平。

2.3 優化的速度和加速度驅動模型

膠帶機為柔粘性力學系統，具有明顯的運動力學特征，在啟動加速、停車減速及張力變化過程中均呈現出復雜的運動力學特征。根據張力波的產生和傳播機理，啟動時張力在膠帶中的分布并不均勻，張力波的傳播和疊加將引起長距離輸送膠帶機的劇烈振蕩。為抑制張力波及其有害傳播，必須對膠帶機運行動態過程進行分析，優化控制方式。因此在啟動前設置一個低速預張緊過程，使得膠帶機內部的張力分布基本均勻后再按S形曲線加速啟動。通過控制工作張力和起制動加速度，優化選型膠帶機運行安全系數，延長膠帶機使用壽命。

2.4 采用雙網冗余、雙網環形自愈總線方案

由于距離長、分站多的現場環境，整個控制系統配置為一主站多擴展的總線結構。主站采用性能可靠的S7400冗余控制器，分站采用ET200和單模光纖連接，整個系統總線分為A、B雙網，A、B網相互冗余，利用光纖鏈路模塊的特點在光口傳輸上形成環，從而間接實現Profibus的環形自愈功能。利用Y耦合器將雙網變為單網，方便分站傳動設備及其它通訊設備的接入。使用總線橋（協議轉換）擴展系統的總線結構，通訊連接第三方設備既可節約電纜的使用又可減少大功率變頻器帶來的干擾，保證了控制系統的可靠性。雙網冗余環形自愈網絡的應用解決了長距離、多區段控制的斷網失控現象，保證了系統的穩定運行。

2.5 視頻監控介入膠帶控制

視頻監控及環境監測介入膠帶控制，通過畫面的幀別及環境監測的數據判斷事故，視頻中發現異常時觸發控制系統采取相應的措施。膠帶機機頭機尾部分均設置了監控點，根據監控點的位置及運行狀態，利用監控軟件分析，當畫面出現已設置的異常情況時會輸出報警，利用該輸出點發停機令或給調度監控發報警信號。同時切換鏡頭拉伸至事發位置，方便事故分析及采取相應的措施，預防事故的發生，做好事故的排查。

2.6 各監測監控系統局部組網整體共網

礦井環境監測系統不是單獨組網而是與通信、視頻監控、電力監控通過環形以太網的方式集成共網，在后臺統一監控調度。各變電站及電磁站采用LC2000通訊管理機將電力儀表及綜保裝置并入監控網絡，同時環境監測儀表通過就近的信號采集裝置并入監控網絡，最后以光口的形式接入總網形成環，實現各系統局部組網整體共網的結構。

2.7 利用軟件實現數據分析歸類

利用后臺管理軟件實現控制與監控的集合，采用數據管理服務器將所有數據進行集成存儲，監控終端通過服務器讀取數據，監控管理整個運輸系統，對環境和電力指標進行實時篩選形成趨勢及報表；將事故原因分析、運行成本以及數據上傳發布，數據按要求形成報表及趨勢，實現膠帶運輸及監控的數字化。

2.8 用存儲服務器集中存儲各系統的數據

分類統計、集中管理、實現調度的分級管理、數據的網絡上傳。

3 實現過程

3.1 驅動系統

電氣傳動方案為超長距離膠帶機分段驅動方案。根據超長距離膠帶機的地理形勢，膠帶機被分為上運區段、平運區段、下運區段3種運行區段，電氣傳動系統的合理配置，優化了系統運行方案，節約了控制系統成本。PWM整流四象限變頻器，能將膠帶重載下行過程所產生的電能回饋給電網，有效節約電能損耗。

在選擇變頻器的配置時，針對不同的運行模式，采用模塊化組合方式，配置不同的整流單元，可實現各種控制電機的驅動控制。整流單元作為變頻器的輸入前級，為中間回路提供直流電源，針對不同的應用，提供各種性能的整流裝置。變頻器可選擇基本整流單元和有源整流單元。逆變單元的形式是三相PWM逆變器，不同功能變頻器的逆變單元并無區別。圖1所示為配置基本整流單元的變頻器；圖2所示為配置有源整流單元的變頻器。

基本整流單元只為單純整流運行設計，為三相二極管整流橋，不能將能量反饋給電網。如果制動時產生過高的再生能量，則必須通過制動模塊和制動電阻轉換為熱量耗散掉。

圖1 配置基本整流單元的變頻器

圖2 配置有源整流單元的變頻器

有源整流單元為三相PWM整流橋，可以整流供電并能將能量反饋給電網。和基本整流單元相比，有源整流會產生一個可控制的直流電壓，無論進線電壓怎樣變化，這個直流電壓會在電源電壓允許的波動范圍內保持一個穩定值。有源整流單元和有源濾波單元配套使用，在電源側產生實際電流的效果接近正弦波，有效地抑制了有害的諧波。有源整流運行所需要的組件都集成在有源整流單元中。

上運、平運膠帶機和其他輔助設備電機驅動設備選用配置基本整流單元的變頻器，下運膠帶機選用配置有源整流單元的變頻器。

3.2 優化的速度及加速度驅動模型

圖3為膠帶輸送機基本工藝圖。單條膠帶輸送機主要包括以下組成部分：膠帶、驅動電動機和驅動裝置、驅動滾筒和減速機、托輥機架、張緊裝置、制動裝置、控制及保護裝置等設備。

圖3 膠帶輸送機基本工藝圖

由于輸送帶由彈性單元組成，膠帶輸送機為柔粘性力學系統，具有明顯的運動力學特征，在啟動加速、停車減速及張力變化過程中均呈現出復雜的運動力學特征，主要表現為橫向振動、縱向振動以及動態張力波在膠帶中的傳播和疊加，會造成輸送系統的不穩定，具體表現為膠帶斷裂、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，保證輸送機安全穩定運行，必須對膠帶輸送機動態過程進行分析和控制，這不僅可以使膠帶機在優化的工況下安全運行，保障生產，有效延長其使用壽命，還可以通過控制工作張力和起制動加速度，優化選型膠帶安全系數，節省設備投資。

由于驅動設備直接影響膠帶輸送機的整機性能，屬于膠帶輸送機的關鍵設備。此前在帶式輸送機工程設計中，一般使用調速型液力耦合器等機械和液壓方式的驅動設備，有效率低、維護復雜、工作環境差、不能調速運行、非線性、起動電流大等缺點，而且由于起動加速度較大，會導致膠帶持續波動，張力特性較差，無法對長距離輸送的動態優化和起動安全提供有效的保證，傳統膠帶運行張力示意如圖4所示，顯示張力動態特性很差。為了改善膠帶張力和動態性能，可以利用優化的“S”型曲線數學模型，并通過速度閉環控制來實現.

膠帶輸送機負載情況比較復雜，阻力矩的組成因素較多，靜態阻力、運行阻力和各種附加阻力的存在，使得理論計算十分困難，總體上表現為電動機轉子軸上的恒力矩負載，包括各種阻力和轉動慣量。靜態阻力的存在使得驅動系統必須克服較大的靜摩擦阻力才能啟動，因此需要較大的啟動力矩。

圖5所示為優化“S”曲線的速度、加速度模型。圖中速度曲線①相應的加速度曲線為曲線②，曲線③為正常停車“S”曲線，曲線④為自然停車曲線。

圖4 傳統膠帶運行張力示意圖

圖5 優化“S”曲線的速度、加速度模型

該模型適用于需要優化運行的長距離膠帶輸送機驅動，設計要求特殊啟動曲線。但由于啟動時間較長，并要求低速性能好，所以應選用髙性能的調速驅動方式。采用速度閉環矢量控制方式，可獲得全速度范圍的髙精度調速性能及動態性能，并具有極佳的低速性能，可實現優化“S”速度曲線的跟隨性能。同時多機驅動應采用適當的速度跟隨控制策略，以獲得理想的速度同步和功率平衡效果。

3.3 零速轉矩功能的應用

重載啟動時，變頻器使能并給定零轉速，四象限運行變頻電機產生的電磁轉矩克服負載轉矩，即零速轉矩，膠帶機處于靜止狀態。此時緩慢打開抱閘，待抱閘完全打開后，再按程序設定的S型速度曲線逐級加速度給定至設定值。零速轉矩功能有效防止了膠帶機重載起動時的溜車現象，提高了安全性。膠帶機停機時，傳動系統與制動系統有機配合。當停機指令發出后，傳動系統先采用電氣制動方式，將帶速降至低速（5%額定速度）以下時，控制系統向制動器發出柔性制動命令，同時傳動系統去使能，輸出零轉矩，制動器開始緩慢抱閘，實現平穩抱閘停車。避免了高速停車對機械部件的沖擊，降低了對制動閘瓦的磨損。

3.4 雙網冗余、雙網環形自愈的總線設計

根據距離長、分站多的現場環境，整個控制系統配置為一主站多擴展的總線結構，主站采用性能可靠的S7－400冗余控制器，分站采用ET－200和光纖鏈路模塊進行擴展，采用單模光纖連接，整個系統總線分為A、B雙網，A、B網相互冗余，利用光纖鏈路模塊的特點在光口傳輸上形成環，從而間接實現Profibus的環形自愈功能。利用Y－耦合器將雙網變為單網，方便分站傳動設備及其它通訊設備的接入。使用總線橋（協議轉換）擴展系統的總線結構，通訊連接用第三方設備既節約電纜的使用又減少了大功率變頻器帶來的干擾，保證了控制系統的可靠性；

A/B網與Y－Link的連接從網絡結構上讓整個系統又劃分為兩層網絡，ET200與Y－Link屬于環形的第一層DP網絡，Y－Link連接的設備又屬于第二層PA總線網絡，采用DP/PA Link硬件組態只需要組態DP Link，DP總線速率不受PA總線的影響，最大可以達到12Mbps，PA總線中PA設備的組態地址可以和DP總線中的DP設備的組態地址重疊，第一層網絡最多可組態32個DP設備，而每個YLink又可以最多組態32個PA設備，從而增加了系統的可控容量。系統網絡拓撲結構如圖6所示。

圖6 系統網絡拓撲圖

3.5 數字化礦山調度系統的實現

集控調度工作是礦山信息化的一個重要因素，集控調度根據作用又分為膠帶生產運輸調度、安全及監測調度、電能管理調度以及通信語音調度，膠帶運輸綜合控制系統的調度級別按照中控集中調度、分級調度的方式，調度結構如圖7所示。

圖7 調度結構示意圖

其中膠帶生產運輸調度主要負責設備的控制，包括設備的管理、工業電視監控系統、儀器儀表的檢測等。安全監測調度主要負責礦內環境的檢測及測量儀表的維護，為控制室提供可靠有用的數據。電能管理調度主要負責協調動力能源、各電磁站電能消耗的統計以及設備的用電與廠區電能調度的聯系。通信語音調度負責廠區電話信號覆蓋及全廠電話內網的管理，控制室集控調度可通過不同的操作畫面對以上系統做出調度指令，在特定情況下，下放調度權限讓負責該系統的維護站來執行調度功能。

4 結束語

該系統在某礦應用的運行效果證明，超長距離膠帶運輸綜合控制系統其性能已經達到設計要求。性能先進、可靠性高、運行穩定、操作簡單方便，得到了用戶的好評。本套超長距離、分段驅動膠帶運輸控制系統以數據存儲服務器為基礎，C/S結構的訪問模式，采用Profibus－DP為現場控制總線網絡，利用光纖傳輸，在光鏈路上實現通訊總線的雙網冗余、雙網環形自愈功能；驅動控制部分利用地勢的分段分別采用PWM四象限變頻驅動與兩象限變頻驅動結合的全線驅動方式，利用四象限變頻器的零速轉矩功能結合制動裝置實現下行膠帶的柔性控制；結合工業電視監控和礦井環境監測的數據綜合控制膠帶系統，采用分級的調度管理。系統設計配置性能高、運行穩定。系統采用高海拔設計、模式化控制等新型控制技術，自動化程度高、調節跟隨響應快，符合國家兩化融合和數字化礦山的標準。

［1］吳立新.數字礦山技術［M］.中南大學出版社.

［2］西門子（中國）有限公司自動化與驅動集團.西門子S120調試指南.北京航空航天大學出版社.

［3］崔 堅.西門子工業網絡通訊指南［M］.機械工業出版社，

［4］王懿喆.膠帶運輸機集控系統在礦山的應用.2010全國采礦科學技術高峰論壇.

［5］賀耀宜，武 鈺.工礦自動化，2014.

［6］徐學耘.長距離膠帶輸送機的使用和發展［J］.電站施工機械，1981，（1）.

Research on integration of mine digitalization and informationization based on ultra－long distance downward belt control

ZHAO Hai－jun1，2
（1.Tianshui Electric Drive Research Institute Co.，Ltd.，Tianshui 741020，China；2.State Key Laboratory of Large Electric Drive System and Equipment Technology，Tianshui 741020，China）

Aiming at the construction of the mine belt conveying system with ultra－long distance，high drop and subsection control，also based on the integration of the mine industrial video monitoring system，the mine environmental monitoring system，the six of mine safety systems，the mine power monitoring system，the mine energy management system and the mine dispatching management system，the schemes and process for realizing the whole mine digitalization and informationization are presented.It is discussed emphatically that the construction scheme of the long－distance high－drop belt transmission and automation system in large mines.According to the characteristics of the belt conveying and transportation，the scheme has many advantages and advanced functions such as the Type S speed acceleration adjustment，the ultra－long distance dual－redundancy bus communication，the double－ring selfhealing＇s bus structure，the mine data centralized storage，the hierarchical dispatching management etc.，and which provide successful construction schemes and solutions for those similar constructions systems.

ultra－long distance；high drop；subsection control；bus dual redundancy；ring self－healing；Type S velocity acceleration adjustment；data centralized storage；hierarchical dispatching management

TD67

A

1005—7277（2017）03—0024—06

趙海軍（1984－），男，工程師，主要從事電氣傳動和自動化技術及系統的設計與研究工作。

2017－01－21