長距離螺旋斜坡連續(xù)皮帶機控制系統(tǒng)設計

[摘 要]文章對某工程隧道連續(xù)皮帶機控制系統(tǒng)設計方案進行了探討。該工程具有大坡度、長距離、螺旋斜坡向下的特點，通過多點驅(qū)動實現(xiàn)了功率平衡以及長距離隧道急停的目的。

[關鍵詞]連續(xù)皮帶機；大坡度；長距離；螺旋斜坡

[中圖分類號]TD634.1 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）06–0043–03

Design of Control System for Long Distance Spiral Slope Continuous Belt Conveyor

LIU Jingdong

[Abstract]In this paper， the design scheme of continuous belt conveyor control system for a tunnel is discussed. The project has the characteristics of large slope， long distance， spiral slope down， and realizes the power balance and the purpose of long distance tunnel emergency stop through multi-point drive.

[Keywords]continuous belt conveyor； large slope； long distance； spiral slope

1 項目簡介

某工程隧道采用“一斜坡道+兩層平巷+三豎井”主體架構(gòu)方案。該工程隧道主體架構(gòu)如圖1所示。施工隧道全長7 100 m，斜坡道最大坡度-10%，斜坡道螺旋下降2圈到達-560 m。水平轉(zhuǎn)彎半徑255 m，共有7個250 m半徑90°轉(zhuǎn)彎，豎向轉(zhuǎn)彎半徑430 m。在深埋暗挖法隧道施工中，連續(xù)皮帶機具有出渣效率高、運行安全的特點，尤其是針對該工程項目“大坡度”、“長距離”、“螺旋斜坡”、“小轉(zhuǎn)彎”的特征，連續(xù)皮帶機無疑是該項目的最優(yōu)出渣方案。

2 長距離螺旋斜坡連續(xù)皮帶機控制系統(tǒng)方案設計

2.1 功能需求分析

（1）可靠的驅(qū)動能力。連續(xù)皮帶機的運輸距離達到7 km，單點驅(qū)動無法滿足要求，需在中間設置多點驅(qū)動，且保證各驅(qū)動間的功率平衡。

（2）特殊工況應對能力及故障自診斷、顯示及報警功能。連續(xù)皮帶機運行過程中可能會出現(xiàn)突變載荷，進而導致出現(xiàn)跑偏、打滑、或皮帶撕裂等故障，因此連續(xù)皮帶機需具備良好的應對能力。同時只有正確判斷故障產(chǎn)生原因并及時采取適宜的排除措施，才能保證連續(xù)皮帶機安全高效穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

（3）智能化控制系統(tǒng)。連續(xù)皮帶機控制系統(tǒng)不僅要滿足自身控制需求，還需與TBM（硬巖掘進機）聯(lián)動控制。本項目研究的連續(xù)皮帶機采用集中控制，在掘進機主控室即可完成對連續(xù)皮帶機的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等。連續(xù)皮帶機的距離較長，傳統(tǒng)的急停系統(tǒng)普遍存在拉繩開關動作后難以查找故障的問題，而本項目采用Dupline（一種安全急停總線）總線技術，既可減少布線，又可達到減員增效、排查便利的目的。

2.2 技術方案確認

在鋼絲芯膠帶張力所允許條件下，采用單電機驅(qū)動無法產(chǎn)生所需的驅(qū)動力，且多處小轉(zhuǎn)彎易導致皮帶跑偏甚至翻帶。因此為減小皮帶帶強，降低設計成本，方案設計考慮布置多個中間驅(qū)動，每個中間驅(qū)動布置2臺相同功率電機驅(qū)動。因連續(xù)皮帶機與前置開挖系統(tǒng)和后置運輸系統(tǒng)的匹配性需求，采用變頻方式驅(qū)動，可根據(jù)工況適時調(diào)整帶速和啟動時間。且為滿足突變負荷和極限工況，驅(qū)動變頻器能滿足1.5倍過載能力。

本項目最終確定的連續(xù)皮帶機技術參數(shù)見表1。

3 詳細設計

3.1 控制系統(tǒng)設計

連續(xù)皮帶機驅(qū)動形式布置為頭部驅(qū)動+中間驅(qū)動。主控制器選擇西門子S7-1513F故障安全型PLC，體積小，重量輕，功能完善，通用性強。主控制器布置在頭部驅(qū)動控制柜內(nèi)。中間驅(qū)動控制柜以及TBM主控室操作箱選擇西門子ET200SP系列IO子站。

頭部驅(qū)動控制柜與變頻器、觸摸屏、子站IO等設備通訊主要為Profinet以太網(wǎng)通訊。與其他中間驅(qū)動控制柜以及TBM主控室操作箱主要靠光電交換機和光纖進行數(shù)據(jù)交換。連續(xù)皮帶機的啟停操作、運行狀態(tài)和故障報警顯示主要靠觸摸屏實現(xiàn)。頭部驅(qū)動和中間驅(qū)動每個控制柜以及主控室操作箱都配有一個12寸觸摸屏，界面相同，功能一致。

3.2 多點驅(qū)動變頻系統(tǒng)控制策略

連續(xù)皮帶機系統(tǒng)多電機的功率平衡是保證其正常運行的必要條件。多臺電機功率負載分配不均衡，嚴重時會導致其中某臺電機過載，變頻柜跳閘，驅(qū)動滾筒過度磨損，影響正常掘進和出渣。因此，功率平衡也是重點研究的對象。

影響皮帶機多點驅(qū)動功率平衡的因素有靜態(tài)和動態(tài)兩種因素。靜態(tài)因素包括：①各電機及變頻器的特性差異；②鋼絲芯膠帶與滾筒間的摩擦因數(shù)；③各減速機的機械特性差異；④各機械傳動裝置的傳動比和效率差異；⑤皮帶的粘彈彈性；⑥各驅(qū)動滾筒的直徑差異；⑦皮帶圍包角的差異；⑧各驅(qū)動電機布置及環(huán)境的差異。動態(tài)因素包括：①總的阻力（由運量等因素決定）；②驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩。

研究的連續(xù)皮帶機項目，其靜態(tài)因素在設計時都已確定，因此驅(qū)動的功率平衡主要通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)輸出扭矩。針對本項目多點驅(qū)動多臺電機需要協(xié)調(diào)控制的特點，對多臺驅(qū)動變頻器采用下垂量控制，配合中驅(qū)延時啟?？刂撇呗?，可實現(xiàn)較好的速度同步和功率平衡效果。變頻器采用一拖一的配置方式，同滾筒上的兩臺電機不會出現(xiàn)機械振動現(xiàn)象。

考慮變頻器的特性差異，本項目各個驅(qū)動點的變頻器選擇品牌及功率相同的變頻器。文章以VACON公司NXP系列變頻器為例，介紹多點驅(qū)動功率平衡的實現(xiàn)方法。皮帶機啟動前，操作人員通過上位機觸摸屏設置各個驅(qū)動變頻器的給定頻率和加減速時間，各個驅(qū)動的所有變頻器上電且就緒后，當收到啟動信號，頭部驅(qū)動按照設置的加速時間開始運行，當皮帶張力傳遞到1號中間驅(qū)動時，1號中間驅(qū)動變頻器開始啟動，這樣1號中間驅(qū)動的皮帶已張緊，滾筒不會打滑。同理，當皮帶張力傳遞至下一個中間驅(qū)動時，該中間驅(qū)動開始運行。所有變頻器的頻率給定和加減速時間曲線都保持一致，保證了變頻器在不打滑的情況下能夠保持良好的速度平衡。當連續(xù)皮帶機出渣時，各個驅(qū)動的瞬時載荷一直處于動態(tài)變化中，可能出現(xiàn)電機扭矩不均衡的情況。此時下垂控制功能會根據(jù)電機負荷的變化來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，輸出頻率的變化會促使輸出扭矩隨之變化，下垂控制功能通過對變頻器輸出扭矩不斷的微調(diào)，來平衡各電機上負荷的大小，最終使各個電機的負荷動態(tài)均衡。具體下垂調(diào)節(jié)過程如圖2所示。

設置下垂量Droop參數(shù)時，還需要設置好變頻器的加速時間、減速時間、扭矩限幅、速度限幅。將異步電動機和變頻器組合在一起作為一個整體，此整體的等效模型類似直流調(diào)速系統(tǒng)。控制系統(tǒng)與變頻調(diào)速裝置相配合，具有如下性能特點：①提供合理優(yōu)化的可控啟停功能，控制輸送機按理想的S型速度曲線實現(xiàn)啟停；②轉(zhuǎn)矩和速度控制精確平滑，保持輸送帶動態(tài)張力最小，減小對負載的沖擊；③電機驅(qū)動可提供精確的負載分配控制，平衡精度<1%，不會出現(xiàn)輸送帶打滑現(xiàn)象。

3.3 保護系統(tǒng)設計

為實時監(jiān)測皮帶機的運行狀況，皮帶機綜合保護裝置為帶式輸送機提供急停、跑偏、打滑、堵料、撕裂、溫度保護和聲光報警等保護裝置。在監(jiān)測到皮帶機運行狀態(tài)異常時，系統(tǒng)能準確定位故障位置和故障類型，并在控制柜觸摸屏上實時顯示故障信息，同時觸發(fā)安全繼電器切斷輸出，各驅(qū)動變頻器立馬停機，實現(xiàn)設備之間的聯(lián)鎖保護，保護皮帶機及區(qū)域人員安全。

針對長距離連續(xù)皮帶機拉繩急停系統(tǒng)難以查找拉繩故障位置以及長距離電纜壓降大、電纜成本高的問題，Dupline現(xiàn)場總線被應用到了長距離連續(xù)皮帶機拉繩急停系統(tǒng)中。該系統(tǒng)能通過普通雙絞線纜傳輸數(shù)字和模擬信號，可達數(shù)十公里距離。安裝的所有模塊連接到同一條雙芯線纜，在模塊間以及中央控制器和模塊間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

Dupline系統(tǒng)主要包括Dupline網(wǎng)關、通道發(fā)生器（中央單元）、監(jiān)控輸出模塊、安全型數(shù)字輸入模塊、安全型數(shù)字輸出模塊、終端單元、中繼器、手持編碼器等。其簡單的拓撲圖如圖3所示。

Dupline網(wǎng)關的主要功能是Dupline系統(tǒng)與PLC或PC上位機通訊。通道發(fā)生器的主要作用是生成Dupline載波信號。監(jiān)控輸出模塊的作用是監(jiān)控每一個拉繩開關的動作，輸出“0”或“1”的邏輯，通過網(wǎng)關將拉繩開關的狀態(tài)以開關量的形式報告給PLC，PLC再根據(jù)監(jiān)控輸出模塊的通斷監(jiān)視拉繩開關的通斷并作出急停反應。安全型數(shù)字輸入模塊類似于一個DI（數(shù)字輸入模塊）點，和拉繩開關安裝在一起，當某一個拉繩開關動作，相應的安全型數(shù)字輸入模塊會將開關的信號傳達至監(jiān)控輸出模塊，監(jiān)控輸出模塊觸點動作，向PLC輸出急停信號。

針對每一個拉繩開關的狀態(tài)顯示，對其進行了相應組態(tài)。隧道急停狀態(tài)如圖4所示。當某個拉繩開關動作后，維護人員可以通過上位機界面的地址快速定位拉繩開關故障的位置，極大地縮短了排障時間。

4 結(jié)束語

文章介紹了多點驅(qū)動電機功率平衡以及長距離隧道拉繩急停方案的實現(xiàn)方法。設計方案在某工程隧道得到了較好的工業(yè)應用，目前已平穩(wěn)使用4 km，各個驅(qū)動的扭矩均衡效果較好，達到了預期的技術設計要求，對隧道安全施工具有重要意義。

參考文獻

[1] 侯友夫，候俊學.帶式輸送機可控起動系統(tǒng)動態(tài)特性的理論研究[J].中國礦業(yè)大學學報，1998（3）：246-249.