孫福群

(神華集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京市東城區(qū),100011)

長運(yùn)距、大運(yùn)量帶式輸送機(jī)頭尾驅(qū)動控制技術(shù)淺析

孫福群

(神華集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京市東城區(qū),100011)

以神東公司萬利一礦西運(yùn)輸大巷帶式輸送機(jī)為例,論述了帶式輸送機(jī)頭部和尾部控制方式,總結(jié)了長距離帶式輸送機(jī)控制技術(shù)要點(diǎn)及控制關(guān)鍵,對于在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的典型問題進(jìn)行了分析。

長距離運(yùn)輸 帶式輸送機(jī) 多點(diǎn)驅(qū)動 驅(qū)動控制 CST

神東公司萬利一礦為了簡化礦井主運(yùn)輸系統(tǒng),便于控制和使用維護(hù),降低設(shè)備造價,西運(yùn)輸大巷帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)為一條運(yùn)輸距離6835 m的帶式輸送機(jī),采用由美國道奇公司(Dodge)生產(chǎn)的可控啟動傳輸裝置(CST)頭、尾多點(diǎn)驅(qū)動方式。帶式輸送機(jī)安裝完成后,經(jīng)過一段時間調(diào)試,運(yùn)行正常,性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,CST控制顯示出了很好的控制特性。

1 帶式輸送機(jī)概況

萬利一礦西運(yùn)輸大巷帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)長度為6835 m,采用ST2500阻燃鋼絲繩芯帶,每小時設(shè)計(jì)輸送量為3500 t,帶速為4 m/s。采用頭部3臺750K型CST加尾部1臺750K型CST驅(qū)動控制方式,4臺電機(jī)功率均為710 kW,是目前亞洲最長的井下帶式輸送機(jī)。帶式輸送機(jī)驅(qū)動設(shè)備布置圖見圖1。

目前帶式輸送機(jī)運(yùn)輸量3500 t/h;帶寬1600 mm;帶速4.5 m/s;水平長度6835 m;提升高度124 m;帶強(qiáng)2500 N/mm;驅(qū)動滾筒直徑1280 mm;裝機(jī)功率3×710+1×710 kW(轉(zhuǎn)速為1485 r/min);設(shè)備數(shù)量型號3×750 KS+1×750KS;速比21.9388;CST或滾筒轉(zhuǎn)速67.7 r/m in。

圖1 帶式輸送機(jī)驅(qū)動設(shè)備布置圖

2 帶式輸送機(jī)控制

2.1 頭部控制方式

頭部驅(qū)動方式為速度+功率平衡控制,即1#CST設(shè)為主驅(qū),為速度閉環(huán)控制,CST的功率輸出隨速度的變化而變化:啟動時保證運(yùn)行曲線,運(yùn)行時保證額定速度;從驅(qū)2#CST和3#CST為功率平衡閉環(huán)控制,它們的輸出功率始終跟蹤主驅(qū)(1#CST)的功率值,并與其保持一致,實(shí)際也就是隨負(fù)載的變化而變化。頭部CST控制原理見圖2。

圖2 頭部CST控制原理圖

2.2 尾部控制方式

尾部驅(qū)動方式為張力控制,尾部驅(qū)動站實(shí)際可以理解為是一個助力站,在帶式輸送機(jī)啟動、頭部負(fù)荷、尾部張力較大時,則需要尾部驅(qū)動幫助推動。實(shí)際操作中需實(shí)時測量尾部驅(qū)動點(diǎn)的膠帶張力,時刻和帶式輸送機(jī)在這點(diǎn)的設(shè)定張力(通過動、靜態(tài)分析計(jì)算獲得)相比較,當(dāng)實(shí)際張力大于設(shè)定張力時,說明頭部負(fù)荷較大,需要助動力;而當(dāng)實(shí)際張力小于設(shè)定張力時,說明助力過大,應(yīng)該減少助動力。因此,4#CST為張力閉環(huán)控制,保證帶式輸送機(jī)在助力點(diǎn)的正常張力。尾部CST控制原理見圖3。

圖3 尾部CST控制原理圖

尾部驅(qū)動站的目的是保證整條膠帶張力始終處于安全范圍內(nèi),因此在實(shí)際運(yùn)行中有時會出現(xiàn)尾部電機(jī)空載現(xiàn)象,或是尾部電機(jī)功率高于頭部電機(jī)功率的情況,但只要膠帶張力正常,都屬于正常狀況。這種情況在本條帶式輸送機(jī)由于過程起伏較大的情況下是很容易發(fā)生的,是CST自動調(diào)節(jié)的結(jié)果。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通訊

整條膠帶長度近7 km,頭部和尾部的控制系統(tǒng)通訊聯(lián)絡(luò)采用光纖主干網(wǎng)絡(luò),各控制柜和控制設(shè)備之間采用DH+通訊網(wǎng)絡(luò)。帶式輸送機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖4。

同時該帶式輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)和信號通過DH+通訊接入到煤礦綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了調(diào)度室三遙,便于統(tǒng)一控制和監(jiān)控。

3 長距離帶式輸送機(jī)控制技術(shù)要點(diǎn)

帶式輸送機(jī)安裝調(diào)試完成后,正常運(yùn)行性能良好。但長距離帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)為多點(diǎn)驅(qū)動時對驅(qū)動器的要求很高:所有電機(jī)能夠空載啟動;負(fù)載變化(即速度和張力變化)時能夠及時響應(yīng);功率平衡控制精度高;各個驅(qū)動點(diǎn)的驅(qū)動力能夠協(xié)調(diào)配合。

CST驅(qū)動器除能滿足以上要求外,其獨(dú)特的離合器設(shè)計(jì)也能夠滿足助力站根據(jù)膠帶張力變化,方便地調(diào)節(jié)電機(jī)的功率;電機(jī)功率的變化又對膠帶張力進(jìn)行調(diào)整,當(dāng)膠帶尾部實(shí)際張力超出設(shè)定限制值時,可以輸出信號直接停止帶式輸送機(jī)運(yùn)行。

作為長距離多點(diǎn)驅(qū)動帶式輸送機(jī),整條帶式輸送機(jī)的張力控制是非常重要的,尾部的張力測量則是關(guān)鍵。膠帶張力測定與其他簡單的傳感器信號不同,是一個較為復(fù)雜的模擬量信號,需要專門根據(jù)帶式輸送機(jī)控制和帶式輸送機(jī)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)精確控制的目的。在設(shè)計(jì)時重點(diǎn)確定以下重要參數(shù):提供動態(tài)分析結(jié)果,包括張力分布以及啟、停時間等;根據(jù)動態(tài)分析結(jié)果選定合適張力元件;設(shè)計(jì)測量裝置并計(jì)算出整定曲線表(即kg-m V-kN);提供張力元件的放大器并進(jìn)行整定,最終送出4～20 mA信號給控制系統(tǒng)。

張力元件(Load Cell)輸出的張力信號是m V信號,它所反應(yīng)的是安裝處的拉力或壓力的大小(0～1000 kg)。首先此信號需要根據(jù)測量裝置所設(shè)計(jì)的安裝形式換算成所對應(yīng)的膠帶張力(比如4～15 m V對應(yīng)于0～200 kN),然后毫伏電壓信號需要經(jīng)過放大器整定將毫伏電壓信號轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號供控制系統(tǒng)PLC所用。

4 長運(yùn)距、大運(yùn)量帶式輸送機(jī)控制關(guān)鍵

4.1 前后響應(yīng)的滯后性

4.1.1 機(jī)頭和機(jī)尾通訊滯后性考慮

西運(yùn)巷帶式輸送機(jī)CST頭、尾通訊通過光纖實(shí)現(xiàn)。PLC的光電轉(zhuǎn)換和PLC的掃描周期一致,為無障礙接入。西運(yùn)巷帶式輸送機(jī)CST控制器采用G.652單模光纖,這是目前傳輸網(wǎng)中敷設(shè)最為普遍的一種光纖。它工作時的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2.5 Gbit/s,無中繼的傳輸距離可達(dá)100 km,所以西運(yùn)巷帶式輸送機(jī)應(yīng)用光纖通訊無需中繼和色散補(bǔ)償。由此可見,對CST頭尾通訊數(shù)據(jù)量不到10 kbit/s,長度不到7 km距離的西大巷帶式輸送機(jī),CST頭、尾驅(qū)動的響應(yīng)時限沒有任何影響。

4.1.2 關(guān)于帶面彈性傳遞對前后控制響應(yīng)的影響

因帶式輸送機(jī)為柔性系統(tǒng),具有明顯的動力學(xué)特征和動態(tài)響應(yīng)過程,啟動及停車過程將產(chǎn)生帶式輸送機(jī)張力的變化,并沿著膠帶傳播,形成張力波。且?guī)捷斔蜋C(jī)長度較大,負(fù)載較重,總體呈大慣性負(fù)載。因此,不可控的啟動和停車過程將產(chǎn)生很大的加速度及沖擊,直至造成機(jī)械設(shè)備損壞和帶式輸送機(jī)壽命降低。而本系統(tǒng)使用軟啟動裝置可提供可控的加速度過程,機(jī)頭和機(jī)尾電機(jī)幾乎同時啟動,機(jī)尾CST主要是拉緊下膠帶,保證在帶式輸送機(jī)啟動、運(yùn)行和停車過程中不發(fā)生打滑現(xiàn)象。整個加速過程按程序中預(yù)置S形曲線完成啟動。帶式輸送機(jī)啟動過程實(shí)際上是一變加速過程,在帶式輸送機(jī)啟動時刻和完成時刻,帶式輸送機(jī)的加速度都為零。而在中間段,帶式輸送機(jī)以預(yù)先設(shè)置的加速度不斷加速。因此可有效地抑制整條膠帶張力波及其有害的傳遞。對于長達(dá)6835 m的帶式輸送機(jī),由于張力波和前后彈性傳遞的異步性,是設(shè)計(jì)控制參數(shù)及編程設(shè)置時應(yīng)特別注意的一個環(huán)節(jié)。

4.2 拉緊裝置的快速響應(yīng)

拉緊裝置的作用是拉緊膠帶,使之具有保證正常運(yùn)行、啟動和制動時的最小張力,避免膠帶打滑,防止膠帶在托輥組之間的垂度超過允許值。西運(yùn)巷帶式輸送機(jī)采用固定式自動拉緊裝置,拉緊力較大。包括自動控制電動絞車和自動液壓拉緊裝置。可根據(jù)輸送機(jī)啟動、運(yùn)行、制動運(yùn)行工況的不同要求,自動調(diào)整膠帶拉緊力和響應(yīng)拉緊滾筒的位置變化要求。拉緊裝置的拉緊過程,主要用于補(bǔ)償膠帶彈性伸長、永久伸長、托輥間屈撓率、更換滾筒時放松膠帶及儲備膠帶重新接頭時所需的附加行程。對于長距離輸送機(jī)采用軟啟動制動裝置時,特別需要進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)時盡量減小拉緊過程。

4.3 長距離膠帶保護(hù)的穩(wěn)定性控制

膠帶保護(hù)系統(tǒng)是帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行非常重要的一個環(huán)節(jié)。尤其對于長距離帶式輸送機(jī)顯得更為重要。閉鎖數(shù)量、位置設(shè)置以及各種保護(hù)和主機(jī)的響應(yīng)速度都很關(guān)鍵。

西運(yùn)巷帶式輸送機(jī)膠帶保護(hù)系統(tǒng)采用KTC101型膠帶保護(hù)系統(tǒng),它采用127 V交流電壓電源供電,沿線閉鎖工作電壓為18 V直流電壓,通過實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn),當(dāng)距離超過3500 m時,由于電網(wǎng)電壓的波動,它的工作電壓有時會降至12 V直流電壓以下(接近工作電壓的最低限),有時就會出現(xiàn)主機(jī)掃描不到閉鎖站的情況,但此情形即刻恢復(fù)或復(fù)位,會引起停車,但主機(jī)不會報(bào)警。

5 帶式輸送機(jī)運(yùn)行典型問題分析

5.1 帶式輸送機(jī)過載

西運(yùn)巷帶式輸送機(jī)在剛開始運(yùn)行時出現(xiàn)機(jī)頭3#CST在啟車過程中過載的現(xiàn)象,該現(xiàn)象表現(xiàn)為:當(dāng)帶式輸送機(jī)啟車運(yùn)行到滿速的75%左右時,CST輸出軸速度和電機(jī)功率發(fā)生突變,由于電機(jī)過載導(dǎo)致停車,同時3#CST伴有異常聲音。該問題曾經(jīng)長時間出現(xiàn),后經(jīng)仔細(xì)分析查找,是拉緊裝置的原因造成CST控制響應(yīng)不當(dāng),后對拉緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造后,過載問題得到了徹底解決。

5.2 膠帶自動停車、自動啟車

該帶式輸送機(jī)出現(xiàn)過自動停車和自動啟車現(xiàn)象。該現(xiàn)象首先沒有任何規(guī)律,具有隨機(jī)性,而且直觀上不能看出CST、膠帶保護(hù)以及DH+通訊網(wǎng)絡(luò)哪一個系統(tǒng)存在問題,也就是平常所說的軟故障。經(jīng)過排查、監(jiān)控后發(fā)現(xiàn)是由于膠帶保護(hù)給CST的啟車信號引起的。最后確定是由于帶式輸送機(jī)輸送距離較長,帶式輸送機(jī)保護(hù)裝置電壓降低造成的事故。后對膠帶保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了改造,增加了18 V直流電壓中繼電源, 調(diào)整了膠帶保護(hù)的掃描時間,故障得以排除。CST控制器和膠帶保護(hù)控制器信號關(guān)系見圖5。

圖5 CST控制器和膠帶保護(hù)控制器信號關(guān)系

6 結(jié)束語

該帶式輸送機(jī)自投入運(yùn)行已經(jīng)3年多,各項(xiàng)參數(shù)基本平穩(wěn),運(yùn)行正常,完全滿足礦井生產(chǎn)需要,創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

該多點(diǎn)驅(qū)動長距離帶式輸送機(jī)的實(shí)踐成功,提升了我國帶式輸送機(jī)驅(qū)動和控制技術(shù)水平,進(jìn)一步推動了我國膠帶輸送核心技術(shù)的國產(chǎn)化。

[1] 郭建軍,郭建廷.帶式輸送機(jī)多機(jī)拖動功率平衡問題的探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2006(4)

On the head and tail drive control technology for long distanceand large capacity belt conveyor

Sun Fuqun
(Shenhua Group Corpo ration Limited,Dongcheng,Beijing 100011,China)

Taking the belt conveyor in the main haulage roadway of Wanli No.1 Coal Mine of Shendong Company as example,the paper introduces the control method of head and tail of belt conveyor,summarizes the technical highlights of controlling long distance belt conveyor as well as the key points of controlling in resent years,and analyzes the typical problems during the operation.

long distance conveying,belt conveyor,multi-points driving,drive control,CST

TD528.1

B

孫福群(1965-),男,安徽蕭縣人,教授級高級工程師,碩士研究生,長期從事煤礦設(shè)備技術(shù)及管理工作,現(xiàn)任神華集團(tuán)公司總工程師辦公室經(jīng)理。

(責(zé)任編輯 張艷華)