攀鋼白馬鐵礦下行皮帶機控制系統設計

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下行皮帶在啟動、加速、減速、停車及張力變化過程中，均呈現出復雜的運動力學特征，主要表現為橫向、縱向振動及動態張力波在皮帶中的傳播和疊加，由此會造成皮帶機的不穩定。基于此，針對下行皮帶運行特點，通過運行分析，設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，并設置了皮帶機啟動的速度給定優化S曲線優化給定功能塊。系統通過兩年的運行，安全穩定，沒有發生過飛車故障，達到了皮帶機安全、節能、穩定運行的效果。

關鍵詞：下行皮帶；四象限變頻器；優化S曲線；控制系統設計

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、拉繩等安全聯動保護裝置，皮帶機采用單電機驅動，電機額定電壓為AC380V，額定功率為160 kW，額定轉速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。

皮帶機是柔性力學系統，具有明顯運動力學特征，在啟動、加速、減速、停車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、縱向振動及動態張力波在皮帶中的傳播和疊加，由此造成皮帶機的不穩定。具體表現為皮帶斷裂、機械損害、疊帶、撒料、局部諧振跳帶等。下行皮帶機比較特殊，容易發生飛車事故[1]，故控制比較復雜。皮帶機側剖面見圖1。

1 皮帶運行原理分析

皮帶機為柔性系統，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，電機驅動力克服阻力就帶動皮帶機運轉。當驅動力和阻力平衡時，下行皮帶機運輸機恒速運行，空載啟動和恒速運行時，能量從電網經由整流回路和逆變回路流向電機，電機處于正轉電動狀態，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動滾筒上，驅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電動狀態。當皮帶機速度大于設定速度時，電機電磁力矩與皮帶機運行方向相反，電機處于正轉發電狀態，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，電機處于正轉發電狀態。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生的電能回饋給電網，有效節約電能損耗，保證皮帶機不超速飛車，平穩運行。

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，變頻器給定零轉速，制動器打開，變頻器產生電流，在電機中建立磁場，產生的電磁轉矩和礦石的重力分量相等，皮帶機保持靜止狀態，這就是零速轉矩功能。變頻器必須具有零速轉矩功能，零速轉矩功能有效防止了皮帶機重載啟動的溜車現象，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控制，零速轉矩和勻速運行均需要速度反饋，來檢測電機的轉速，因此變頻器必須具有接入光電編碼器信號的接口，并帶矢量閉環控制功能。

2控制系統設計

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，每個電氣室單獨設置一套PLC。PLC采用西門子的S7-300，設置兩個操作站，操作站布置在調度室，操作站與PLC之間采用光纖環網通信。PLC與PLC之間的聯鎖采用通信方式[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，因此在通信數據內增加了時鐘信號，用看門狗來判斷通信是否正常，以保證聯鎖正常。PLC與變頻器之間采用PROFIBUS-DP通信，編程軟件采用博圖V16，監控軟件采用WinCC7.4，程序按一鍵啟停設計，在關鍵點均設置了視頻監控，現場、各電氣室不設巡檢人員，整個系統做到無人值守，一鍵啟停。

3皮帶機的運行及優化

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，產生電磁轉矩。打開制動器，由于頻率設定為零，皮帶機保持靜止狀態，制動器打開到位后，變頻器按優化S曲線升速，速度升至設定值后，恒速持續運行。

皮帶機的停止流程為：當按下停止按鈕或皮帶機發生停機故障時，變頻先按優化S曲線減速，速度減至零。等皮帶機靜止后，關閉制動器，制動器關閉后，停止變頻器運行，逆變器關閉，皮帶機停止。當變頻器發生故障時，變頻器的輸出全部封鎖，變頻器沒有電流輸出，電機沒有電磁轉矩，只有變頻器發生故障，立即關閉制動器，皮帶機立即停止。上下游皮帶機正常停機的聯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化

皮帶機由彈性單位組成，皮帶機是柔粘性力學系統，具有明顯運動力學特征，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皮帶中的傳播和疊加，由此造成皮帶機的不穩定。具體表現為皮帶斷裂、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，必須對皮帶機動態過程進行分析和控制。這不僅可以使皮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啟制動加速度，優化皮帶安全系數，節省設備投資。

根據皮帶機的運行特點，繪制了皮帶機啟動的速度給定優化S曲線，速度給定優化S曲線圖見圖4。皮帶機運行的速度給定優化S曲線，是皮帶張緊、加速、勻速、減速控制的關鍵。啟動過程分為皮帶張緊和皮帶加速兩個階段，張緊階段分又分預張緊和張緊兩個階段。預張緊階段是從皮帶機開始啟動，在t0（一般設為10 s，可以根據皮帶長度增減）時間內速度從0勻速增加至頻率f1（一般設定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（一般設為5 s，可以根據皮帶長度增減），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（根據皮帶長度設定），從速度f1以反余弦曲線增速至設定速度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，變頻器發生故障時，速度立即設為零。

4 運行效果

該系統在白馬鐵礦投產后，運行了兩年，系統安全穩定，沒有發生過飛車故障，變頻器四象限運行回饋了一部能量。結果表明：系統性能先進、可靠性高、運行穩定，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，2011（11）：43.

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

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

[4] 崔堅.西門子工業網絡通訊指南[M].北京：機械工業出版社， 2006：122.