长运距、大运量带式输送机头尾驱动控制技术浅析

孙福群

(神华集团有限责任公司,北京市东城区,100011)

长运距、大运量带式输送机头尾驱动控制技术浅析

孙福群

(神华集团有限责任公司,北京市东城区,100011)

以神东公司万利一矿西运输大巷带式输送机为例,论述了带式输送机头部和尾部控制方式,总结了长距离带式输送机控制技术要点及控制关键,对于在运行过程中出现的典型问题进行了分析。

长距离运输 带式输送机 多点驱动 驱动控制 CST

神东公司万利一矿为了简化矿井主运输系统,便于控制和使用维护,降低设备造价,西运输大巷带式输送机设计为一条运输距离6835 m的带式输送机,采用由美国道奇公司(Dodge)生产的可控启动传输装置(CST)头、尾多点驱动方式。带式输送机安装完成后,经过一段时间调试,运行正常,性能指标达到了设计要求,CST控制显示出了很好的控制特性。

1 带式输送机概况

万利一矿西运输大巷带式输送机设计长度为6835 m,采用ST2500阻燃钢丝绳芯带,每小时设计输送量为3500 t,带速为4 m/s。采用头部3台750K型CST加尾部1台750K型CST驱动控制方式,4台电机功率均为710 kW,是目前亚洲最长的井下带式输送机。带式输送机驱动设备布置图见图1。

目前带式输送机运输量3500 t/h;带宽1600 mm;带速4.5 m/s;水平长度6835 m;提升高度124 m;带强2500 N/mm;驱动滚筒直径1280 mm;装机功率3×710+1×710 kW(转速为1485 r/min);设备数量型号3×750 KS+1×750KS;速比21.9388;CST或滚筒转速67.7 r/m in。

图1 带式输送机驱动设备布置图

2 带式输送机控制

2.1 头部控制方式

头部驱动方式为速度+功率平衡控制,即1#CST设为主驱,为速度闭环控制,CST的功率输出随速度的变化而变化:启动时保证运行曲线,运行时保证额定速度;从驱2#CST和3#CST为功率平衡闭环控制,它们的输出功率始终跟踪主驱(1#CST)的功率值,并与其保持一致,实际也就是随负载的变化而变化。头部CST控制原理见图2。

图2 头部CST控制原理图

2.2 尾部控制方式

尾部驱动方式为张力控制,尾部驱动站实际可以理解为是一个助力站,在带式输送机启动、头部负荷、尾部张力较大时,则需要尾部驱动帮助推动。实际操作中需实时测量尾部驱动点的胶带张力,时刻和带式输送机在这点的设定张力(通过动、静态分析计算获得)相比较,当实际张力大于设定张力时,说明头部负荷较大,需要助动力;而当实际张力小于设定张力时,说明助力过大,应该减少助动力。因此,4#CST为张力闭环控制,保证带式输送机在助力点的正常张力。尾部CST控制原理见图3。

图3 尾部CST控制原理图

尾部驱动站的目的是保证整条胶带张力始终处于安全范围内,因此在实际运行中有时会出现尾部电机空载现象,或是尾部电机功率高于头部电机功率的情况,但只要胶带张力正常,都属于正常状况。这种情况在本条带式输送机由于过程起伏较大的情况下是很容易发生的,是CST自动调节的结果。

2.3 网络通讯

整条胶带长度近7 km,头部和尾部的控制系统通讯联络采用光纤主干网络,各控制柜和控制设备之间采用DH+通讯网络。带式输送机控制网络结构图见图4。

同时该带式输送机运行参数和信号通过DH+通讯接入到煤矿综合自动化监控系统,实现了调度室三遥,便于统一控制和监控。

3 长距离带式输送机控制技术要点

带式输送机安装调试完成后,正常运行性能良好。但长距离带式输送机设计为多点驱动时对驱动器的要求很高:所有电机能够空载启动;负载变化(即速度和张力变化)时能够及时响应;功率平衡控制精度高;各个驱动点的驱动力能够协调配合。

CST驱动器除能满足以上要求外,其独特的离合器设计也能够满足助力站根据胶带张力变化,方便地调节电机的功率;电机功率的变化又对胶带张力进行调整,当胶带尾部实际张力超出设定限制值时,可以输出信号直接停止带式输送机运行。

作为长距离多点驱动带式输送机,整条带式输送机的张力控制是非常重要的,尾部的张力测量则是关键。胶带张力测定与其他简单的传感器信号不同,是一个较为复杂的模拟量信号,需要专门根据带式输送机控制和带式输送机特性进行设计才能实现精确控制的目的。在设计时重点确定以下重要参数:提供动态分析结果,包括张力分布以及启、停时间等;根据动态分析结果选定合适张力元件;设计测量装置并计算出整定曲线表(即kg-m V-kN);提供张力元件的放大器并进行整定,最终送出4～20 mA信号给控制系统。

张力元件(Load Cell)输出的张力信号是m V信号,它所反应的是安装处的拉力或压力的大小(0～1000 kg)。首先此信号需要根据测量装置所设计的安装形式换算成所对应的胶带张力(比如4～15 m V对应于0～200 kN),然后毫伏电压信号需要经过放大器整定将毫伏电压信号转换为4～20 mA的电流信号供控制系统PLC所用。

4 长运距、大运量带式输送机控制关键

4.1 前后响应的滞后性

4.1.1 机头和机尾通讯滞后性考虑

西运巷带式输送机CST头、尾通讯通过光纤实现。PLC的光电转换和PLC的扫描周期一致,为无障碍接入。西运巷带式输送机CST控制器采用G.652单模光纤,这是目前传输网中敷设最为普遍的一种光纤。它工作时的数据传输速率可达2.5 Gbit/s,无中继的传输距离可达100 km,所以西运巷带式输送机应用光纤通讯无需中继和色散补偿。由此可见,对CST头尾通讯数据量不到10 kbit/s,长度不到7 km距离的西大巷带式输送机,CST头、尾驱动的响应时限没有任何影响。

4.1.2 关于带面弹性传递对前后控制响应的影响

因带式输送机为柔性系统,具有明显的动力学特征和动态响应过程,启动及停车过程将产生带式输送机张力的变化,并沿着胶带传播,形成张力波。且带式输送机长度较大,负载较重,总体呈大惯性负载。因此,不可控的启动和停车过程将产生很大的加速度及冲击,直至造成机械设备损坏和带式输送机寿命降低。而本系统使用软启动装置可提供可控的加速度过程,机头和机尾电机几乎同时启动,机尾CST主要是拉紧下胶带,保证在带式输送机启动、运行和停车过程中不发生打滑现象。整个加速过程按程序中预置S形曲线完成启动。带式输送机启动过程实际上是一变加速过程,在带式输送机启动时刻和完成时刻,带式输送机的加速度都为零。而在中间段,带式输送机以预先设置的加速度不断加速。因此可有效地抑制整条胶带张力波及其有害的传递。对于长达6835 m的带式输送机,由于张力波和前后弹性传递的异步性,是设计控制参数及编程设置时应特别注意的一个环节。

4.2 拉紧装置的快速响应

拉紧装置的作用是拉紧胶带,使之具有保证正常运行、启动和制动时的最小张力,避免胶带打滑,防止胶带在托辊组之间的垂度超过允许值。西运巷带式输送机采用固定式自动拉紧装置,拉紧力较大。包括自动控制电动绞车和自动液压拉紧装置。可根据输送机启动、运行、制动运行工况的不同要求,自动调整胶带拉紧力和响应拉紧滚筒的位置变化要求。拉紧装置的拉紧过程,主要用于补偿胶带弹性伸长、永久伸长、托辊间屈挠率、更换滚筒时放松胶带及储备胶带重新接头时所需的附加行程。对于长距离输送机采用软启动制动装置时,特别需要进行动态设计时尽量减小拉紧过程。

4.3 长距离胶带保护的稳定性控制

胶带保护系统是带式输送机正常运行非常重要的一个环节。尤其对于长距离带式输送机显得更为重要。闭锁数量、位置设置以及各种保护和主机的响应速度都很关键。

西运巷带式输送机胶带保护系统采用KTC101型胶带保护系统,它采用127 V交流电压电源供电,沿线闭锁工作电压为18 V直流电压,通过实际应用发现,当距离超过3500 m时,由于电网电压的波动,它的工作电压有时会降至12 V直流电压以下(接近工作电压的最低限),有时就会出现主机扫描不到闭锁站的情况,但此情形即刻恢复或复位,会引起停车,但主机不会报警。

5 带式输送机运行典型问题分析

5.1 带式输送机过载

西运巷带式输送机在刚开始运行时出现机头3#CST在启车过程中过载的现象,该现象表现为:当带式输送机启车运行到满速的75%左右时,CST输出轴速度和电机功率发生突变,由于电机过载导致停车,同时3#CST伴有异常声音。该问题曾经长时间出现,后经仔细分析查找,是拉紧装置的原因造成CST控制响应不当,后对拉紧结构进行了改造后,过载问题得到了彻底解决。

5.2 胶带自动停车、自动启车

该带式输送机出现过自动停车和自动启车现象。该现象首先没有任何规律,具有随机性,而且直观上不能看出CST、胶带保护以及DH+通讯网络哪一个系统存在问题,也就是平常所说的软故障。经过排查、监控后发现是由于胶带保护给CST的启车信号引起的。最后确定是由于带式输送机输送距离较长,带式输送机保护装置电压降低造成的事故。后对胶带保护系统进行了改造,增加了18 V直流电压中继电源, 调整了胶带保护的扫描时间,故障得以排除。CST控制器和胶带保护控制器信号关系见图5。

图5 CST控制器和胶带保护控制器信号关系

6 结束语

该带式输送机自投入运行已经3年多,各项参数基本平稳,运行正常,完全满足矿井生产需要,创造了良好的经济效益。

该多点驱动长距离带式输送机的实践成功,提升了我国带式输送机驱动和控制技术水平,进一步推动了我国胶带输送核心技术的国产化。

[1] 郭建军,郭建廷.带式输送机多机拖动功率平衡问题的探讨[J].煤炭科学技术,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

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孙福群(1965-),男,安徽萧县人,教授级高级工程师,硕士研究生,长期从事煤矿设备技术及管理工作,现任神华集团公司总工程师办公室经理。

(责任编辑 张艳华)