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向家坝砂石系统长距离胶带机CST驱动系统的控制与应用
发布时间：2013-06-05 07:46 来源：未知
1、概述
带式输送机作为松散物料的主要输送方式，已广泛应用于煤炭、矿山、火电、水泥、港口、水电等行业。带式输送机主要由输送带机架、输送带、驱动与制动系统、张紧系统、控制与�；は低臣肮┑缦低车裙钩�。
其中，输送带既是标准的弹性体设备，又是典型的恒转矩负载类型，带式输送机要求有较小的启动和停车加速度。正常运行时，要求有较均衡的张力和稳定的传动力矩，且张力在不同的运行阶段其控制值也不相同，要适时调节。同时，还需要对皮带的跑偏、断带、纵撕、烟雾、打滑、堆料、事故急停、温度等参数进行监控和�；�。对于多级带式输送机系统，还要对各条输送机的启停顺序进行联锁控制，以防堆料。对多电机驱动的输送机，还需控制各电机的启动时间、顺序及间隔，以防电网波动引起共振，导致电网瘫痪，并根据电机功率情况来判断和控制各传动设备的输出功率，以保证各设备出力均衡，确保整个输送机良好运行。
带式输送机的驱动与制动系统一般由电动机、减速传动装置、联轴器及逆止器或制动器组成。由于带式输送机的弹性与恒转矩负载特性，又不可避免地要带载启动和制动，甚至满载启动和停车。此时，电动机的起动特性与带式输送机的正常启动要求相互矛盾。
常规方案为了保证必要的起动力矩，电动机起动电流要为额定电流的6～7倍，要保证电动机不凶电流的冲击过热而烧毁，电网不因大电流使电压过分降低，这就要求电动机的起动过程要尽量快，或者降低电机的启动电流。而输送带又是一种粘弹性体，大型带式输送机在起动（制动）的不稳定阶段，驱动装置施加到输送带上的牵引力（制动力）及惯性力将以一定的波速在带内传播、叠加、反射，加上其他因素的影响，在输送带内引起多变的应力变化，若其瞬时峰值应力超过允许值，将会损伤甚至破断输送带，这就要求有尽量小的起动（制动）加速度以降低起动（制动）时的冲击。
为了解决启动加速度问题，不断推出控制方案：从早期的绕线转子电动机、直流电动机、液力耦合器、MPG可控减速器、交流变频器，发展到目前CST可控驱动系统为主流的机电一体化设备。
自动化网络技术的应用，也促使带式输送机的监控与�；は低炒泳嗬攵�、功能单一、逻辑简单、信息封闭、故障率高的状况，发展至当前功能丰富、系统完善、信息共享、设备控制网络化、智能化的水平�；谡庑┘际醯挠τ�，实现了带式输送机的长距离、大运量、低带强、系统复杂的带式输送机可靠运行。向家坝砂石系统长距离胶带机就是一个十分典型的实例，该系统中传动装置均采用美国葆德电气所产CST（可控启动传输装置），制动设备采用CSB(可控制动闸)和西伯瑞SH201制动闸。
向家坝长距离胶带机共有5条长距离胶带机顺次搭接构成，总长31. 067km，南起绥江太平料场，北至水富马延坡制砂场，共穿越隧道9条，总高差为负446. 2m，设计运量3000t/h，由于地形复杂，其带形和控制复杂程度及距离总长为目前同内皮带输送机系统之最。各条皮带输送机由于带形不同，所采用的驱制动设备的组合和控制方式也不同。
该长胶系统的皮带输送机布置与控制系统结构如图1所示。各条皮带输送机的主要技术参数与驱动设备配置见表1所示。
2、驱动与控制
2.1 CST工作原理
CST(可控起动传输)是用于大惯量负载平滑起动的多级减速齿轮装置，多用于煤矿和矿山中带式输送机的驱动。主要由减速齿轮箱、冷却系统、液压系统和控制器构成，详见图2。
其中减速齿轮箱由输入减速齿轮组、行星齿轮减速器和湿式离合器三部分组成。工作原理：电机转矩经输出轴传递到输入减速齿轮组后，再经太阳轮传递到行星齿轮减速器，然后由行星齿轮减速器带动湿式离合器的动摩擦片旋转（动摩擦片通过键槽固定在外圈方向的齿圈上），并随齿圈同步旋转；湿式离合器的静摩擦片在内圈方向通过键槽固定在CST的输出轴体上，内外两层摩擦片交叉布置，相互隔离。
调整湿式离合器的环形活塞上的压力，即可控制摩擦片之间的压力和摩擦力�；沸位钊衔词┘涌刂蒲沽κ�，动静摩擦片间存在间隙，动摩擦片处于自由运动状态，静摩擦片处于静止状态，CST不传递运动，此时启动电机基本上处于空载状态。当控制器逐渐调节活塞上的液压压力，即可实现电机驱动力矩到皮带驱动辊筒的传输，依据不同的控制要求，通过调节实施离合器的压力即可实现电机输出功率大小的精确控制。
同时，为了保证输送带在无冲击驱动力的条件启动，选择“S”启动速度曲线，此种启动方式下可实现输送带从零速到满速状态过程巾的驱动力按照余弦线变化，输送带的伸长量最小，且驱动力变化均匀。
为了满足供电系统断电且实现皮带输送机延缓停车的要求．CST液压系统除了常规方式外，还设计了“飞轮模式”液压系统，即在常规液压系统的基础上增加了压力蓄能器。当供电系统断电后，经由专门的液压回路将蓄能器内的压力直接施加在离合器的活塞上，使离合器动、静摩擦片处于全压紧状态，逐步消除电机转子惯性和皮带输送机惯量，实现缓慢停车。
冷却系统用于带走由于动摩擦片和静摩擦片相对运动所产生的热量，冷却系统可以采用油／空气或油／水热交换器方式，通过冷却泵的运行，促使冷却油在CST油箱、热交换器和离合器之间循环流动以保证CST的内部热量及时散发，保证油温不超过80℃，防止油温过高氧化分解及摩擦片过热损坏。
2.2CSB工作原理
CSB(可控制动传输装置)实质就是一种可选择制动方式可控制动装置，其结构与湿式离合器相似，剖面图见图3。
工作原理为：当在离合器空腔中没有油压时，弹簧的最大压力施加在摩擦片组上，此时制动扭矩最大。当高油压注入活塞腔中，活塞被推开，制动力减小。当液压系统失效或液压泵由于突然停电而停止工作，活塞腔压力为零，最大弹簧压力作用在摩擦片组上，因此．CSB被称做是一种“故障安全一型制动器。
2.3皮带输送机控制
2.3.1 CST控制逻辑
在皮带输送机正式投运前，需在CST控制器操作屏幕上选择皮带输送机的工作模式：
·主驱选择：选择直径较小的驱动辊筒上的CST作为主驱；
·启动曲线选择：选择线性启动或“S”曲线启动；
·主驱锁定：选择皮带输送机到达满速时，是否将离合器压力达到最大设定值；
·打滑检测：是否由CST控制系统监控皮带打滑现象；
·主速选择：选择某台CST输出轴速度代表皮带速度；
·CST投运选择：确定某台CST是否投入运行状态。
根据长距离胶带机特性与工作原理，以及皮带输送机速度和CST离合器压力信号，将皮带输送机的运行过程分为7个状态，各状态的设备工作状况与控制功能如下：
状态0（停车状态）：在CST控制器收到停车命令或急停信号后，当带速小于5%时进入停车状态。
状态1（启动状态）：所有的CST，CSB和制动闸应正常，无急停信号。CST控制器收到启动信号后，依次启动CST冷却泵电机、主电机、CST热交换器电机、CSB冷却泵电机、CSB热交换器电机、盘式制动器电机，并确认各反馈信号正常，启动完毕。
状态2（预压状态）：按照设定步距，将各CST离合器压力加到预压的设定值，并减小加压步距，待带速大于2%，则进入状态3。
状态3（啮合状态）：当带速大于2%时，将按照更小的步距进行加压，使皮带输送机在无冲击驱动力的作用下逐渐加速，直至带速大于5%～10%。
状态4（加速状态）：当皮带输送机进入加速状态后，如果是单点驱动（如B4、B5）的皮带输送机，则主驱进入速度自动调节状态，从驱则工作在功率调解状态，实现与主驱功率的平衡。如果是多点驱动的皮带输送机（如B2、B3），则头部主驱进入速度自动调节状态，从驱则工作在功率调解状态，中、尾部主驱仍处于按照给定步距逐渐加压状态，确保张力中、尾部张力不会有太大变化，相应从驱则工作在功率调解状态实现与主驱功率的平衡。
状态5（满速状态）：当带速大于99%时，由CST控制器向皮带控制系统发出该皮带输送机满速信号，用于联锁启动逆料流方向的皮带输送机或给料设备。
状态6（减速状态）：对于非大下坡皮带输送机，如果收到正常停车指令，皮带速度大于5%，则按照停车曲线，逐步减速，直至带速小于5%进入状态0（停车状态）。如果收到急停指令或供电系统掉电，则瞬间将飞轮模式的CST蓄能器压力直接加到离合器，同时将比例阀驱动信号清零（如B2、B3、B4、B5的头部CST），并将对常规模式的CST离合器压力清零，利用与飞轮模式CST连接的电动机转子的惯性带动皮带输送机继续运行，至到速度降为零。对于大下坡皮带（如Bl），则迅速将CST离合器压力清零并投制动设备开始制动。
2.3.2监控系统
向家坝长距离胶带输送机系统的控制系统由皮带输送机监控与�；は低�、CST控制系统及张紧绞车控制系统构成，其网络拓扑图见图l。其中皮带输送机监控与�；は低澈虲ST控制系统分别采用AB公司的Controllogix 5000和SI。C500系列的PLC，二者之间通过DH+网络连接，进行监控信息的交互通信，皮带输送机监控与保护系统和张紧绞车控制系统之间通过硬接线方式进行信号的交互。
工作原理为：由皮带输送机监控与�；は低呈迪侄云ご呐芷�、断带、纵撕、烟雾、打滑、堆料、事故急停进行监控，并对各条皮带输送机的启停进行控制。当该系统收到各CST控制系统、各�；ぷ酉低臣案髡沤艚食悼刂破鞣⒊龅恼Ｐ藕攀保绻ぷ魅嗽狈⒊銎舳噶�，则由各皮带监控与�；た刂破饕来蜗駽ST控制系统和张紧控制器分别发出运行指令；当张紧绞车收到运行指令后，在规定的范围时间内张紧皮带；CST控制系统收到运行指令后，将依次启动各CST，并按照控制要求启动皮带输送机至满速。
当运行过程中，任何一台设备或系统发出故障或急停信号，皮带输送机监控与保护系统均向CST控制系统发出停车命令或急停指令，CST控制器将按照不同的指令选择不同的停车方式停止皮带输送机运行。
该长胶带机输送系统的正常启动顺序为B5、B4、B3、B2、Bl（见图4．a）；正常停车顺序为Bl、B2、B3、B4、B5;如果正常运行过程中B5发生急停，则5条皮带输送机同时停车，但要求停车时间为：B5≥B4≥B3≥B2≥Bl（见图4．b）。
由于各条皮带输送机的长度和带面的起伏高差不同，为满足各种工况的启动和停车要求，各皮带输送机的驱动与制动设备的配置也不同，同时各设备在各工况下的运行方式也有区别，故各条皮带输送机的控制模式也各有各的特点。
2.3.3 Bl皮带输送机的控制
Bl皮带输送机总长6721. 027m，头尾部高差- 211m，在尾部安装l台1120KCST、2台630KS CSB、1台SH1201制动闸、l台900kW驱动电机。
该皮带输送机是一条典型的大下坡皮带，在空载启动时，驱动功率最大；但在带载启动时，当松开制动装置后，皮带输送机将在物料的势能作用下下滑，且物料越多下滑速度越快，到达满速的时间也越短，而且当皮带输送机达到满速时，电动机将进入再生制动的状态，同时由于皮带的弹性振荡，在皮带输送机带载达到满速时的一段时间内，由于皮带输送机的弹性振荡会造成电机在电动与再生制动间往复变化并逐步衰减直至稳定。当正常运行过程中，随着物料量的变化，电机的运行状态也会随之在电动与再生制动间变化。
Bl皮带输送机的可靠停车也是该条输送线中最重要的问题。如果是正常停车，基本上都是在皮带输送机上的物料全部卸完的情况下停车，属正常操作；但在满载状态急停或供电系统失电时，由于Bl和B2之间没有缓冲仓，就必须保证Bl的停车时间小于或等于B2的停车时间，否则就会造成B2尾部堆料，甚至是Bl头部和B2尾部的设备全部被物料埋掉并划坏Bl皮带。
控制逻辑：
正常启动：由于Bl皮带输送机重载启动时将出现皮带滑行现象，为了避免采用“S”启动曲线造成CST离合器压力波动，须选用线性启动方式（见图5．a）。当各(CST，CSB，制动闸正常，皮带�；は低澄藜蓖Ｐ藕欧⒊�，皮带张紧力满足要求，(CST控制器收到启动命令后，启动CST电机并依次打开制动闸和CSB，并保持CSB和制动闸在运行期间始终处于开闸状态，如果在一定的时问内皮带速度小于5%，说明皮带输送机处于空载或轻载状态，则按照设定的速度段和相应的步距给(：ST离合器加压，直到满速后将离合器压力加到最大值即锁定状态；如果在一定的时间内皮带速度大于5%，说明皮带输送机处于重载状态且皮带输送机发生滑行，则按照很小步距给CST离合器加压甚至不加压，到满速后将离合器压力加到最大值即锁定状态，确保电机进入再生制动状态，防止皮带输送机超速。
正常停车；当收到停车命令后，逐渐降低离合器压力，直至离合器压力低于18%时，逐渐降低(:SB离合器压力至零，当带速降低到5%时，按照1秒时差分别投入制动闸的一级和二级制动。
紧急停车（或系统失电）：当CST控制器收到急停指令，则迅速将主电机跳闸并将CST离合器压力清零，并直接将CSB和制动闸均投入两级制动，在满足皮带输送机停车时间要求的前提下实现柔性制动（见图5-b）；对于Bl皮带输送机的停车模式的控制原则为：既要防止主电机跳闸时，皮带输送机超速，又要防止停车时间过短，因物料惯性过大造成皮带断带或拉坏机尾设备。
2.3.4 82皮带输送机的控制
B2皮带输送机总长6651. 572m，头尾部高差- 24m，头部安装2台1120K CST(飞轮模式)，尾部安装1台1120K CST(常规模式)、共3台900kW驱动电机，头尾各安装一套CST控制器，采用DH+光纤网络进行通信。
该皮带输送机摹本上属于水平皮带输送机；头部CST主要用于皮带输送机的速度控制；尾部CST用于皮带输送机尾部张力控制，主要目的是驱动下皮带同时给头部CST起到助力作用，尾部张力控制设定值为78kN。正常运行时头尾部3台电机的输出功率基本一致。
工作模式选择：头部选择2# CST为主驱，“S”型曲线启动，主驱锁定，控制皮带速度；尾部3 #CST为主驱，控制尾部张力，运行张力设定值为78kN。以头部控制器为主控制器，完成皮带输送机各状态、CST运行状态、接受集控系统命令和信号，完成与集控系统通信；尾部控制器读取头部控制器的相关信息并依据该信息完成尾部CST和皮带张力的控制。
正常启动：收到启动命令后，各CST依次进入启动、预压状态，当进入啮合状态后，头部CST进入速度自动调节状态，尾部CST继续按照给定步距逐渐加压；当进人满速状态时，头部主驱进入锁定状态，尾部CST进入张力自动调节状态。启动过程的关键是尾部CST在状态1、2、3、4的加压步距步距要设定适当，否则会在低速段造成尾部滚筒推着皮带往前运行，导致皮带跑偏，同时会造成尾部张力控制偏低，甚至造成头部CST打滑。
正常停车：收到停车命令后，头部各CST处于手动控制状态，逐渐降低离合器压力；尾部CST处于张力自动调节状态；当带速低于5%时，所有离合器压力清零。
紧急停车（或系统失电）：当收到急停指令时，头部CST进入飞轮模式，依靠各电机转子惯性继续拉动皮带向前运行，尾部CST则将CST离合器压力清零，至到带速降到零。
2.3.5 83皮带输送机的控制
B3皮带输送机是该长胶系统中最复杂的一条，其带形示意图见图7。B3皮带输送机总长8306. 48m，头部安装2台1120K CST(飞轮模式)，中部安装1台1120K CST(飞轮模式)，尾部安装1台1120K CST(常规模式)和1台制动闸、共4台900kW驱动电机，头、中、尾各安装一套CST控制器，采用DH+光纤网络进行通信。尾部与中部呈“V”字形，尾部到最低点的距离约为2634m，高差为-151. 68m，为大下坡形式；最低点到中部滚筒的距离约为3300m，高差为28. 19m，基本为缓上坡形式；中部到头部的距离约为2362m，高差为18. 41m，基本为缓上坡形式。
该皮带输送机的特点为：因尾部到最低点呈大下坡状，在正常运行时，尾部电机(CST4)随着这段皮带上物料量的大小变化会在发电与电动之间来回变化，最低功率幅值为-105kW，中部电机处于临界发电和电动状态；由于受皮带输送机最低点到尾部负荷的惯性作用，急停后中部张力值下降而尾部张力上升（见图8．d）；B3皮带输送机停车时只能依赖于尾部制动闸制动，如果该皮带发生急�；蚬┑缦低车舻纾贫涣蓟岬贾伦畹偷闫ご�、物料堆积；下坡段满载带料且头部只带少量物料时，如果发生急停，急停时间将长达81s（见图8．c），远大于整条皮带满载时的急停时间(44s)，如果此时发生急停，会导致B4尾部被物料埋没。
工作模式选择：头部选择1# CST为主驱，控制皮带速度，“S”型曲线启动，主驱锁定；中部选择CST3为主驱，控制中部张力，张力设定值为204kN;尾部4#CST为主驱，控制尾部张力张力运行设定值为240kN。以头部控制器为主控制器，完成皮带输送机各状态、CST运行状态、接受集控系统命令和信号，完成与集控系统通讯；中、尾部控制器读取头部控制器的相关信息并依据该信息完成中、尾部CST和皮带张力的控制。
正常启动：收到启动命令后，各CST依次进入启动、预压状态，当进入啮合状态后，头部CST进入速度自动调节状态，中、尾部CST继续按照给定步距逐渐加压；当进人满速状态时，头部主驱进入锁定状态，中、尾部CST进入张力自动调节状态（见图8．a）。启动过程的芙键是中、尾部CST在状态1、2、3、4的加压步距要设定适当，否则会在低速段造成中、尾部滚筒推着皮带往前运行，导致中部到头部间的皮带跑偏，或者最低点发生叠带现象。
正常停车：收到停车命令后，头部各CST处于手动控制状态，逐渐降低离合器压力；尾部CST处于张力自动调节状态；当带速低于5%时，所有离合器压力清零。
紧急停车（或系统失电）：当收到急停指令时，头、中部CST进入飞轮模式，依靠各电机转子惯性继续拉动皮带向前运行，尾部CST则将CST离合器压力清零，同时以二级制动模式直接投入制动闸制动，防止在最低点发生叠带；此时，皮带张力变化为：中部张力值下降至120kN，尾部张力上升至360kN（见图8．b）。
2.3.6 84、B5皮带输送机的控制
B4和B5皮带均采用单点驱动方式，基本上采用普通皮带输送机的控制思路，由于各条皮带输送机间没有缓冲仓，为了保证急停（或系统失电）后延长皮带输送机的停车时间，所以这两条皮带输送机采用的CST均按照飞轮模式配置。详细控制逻辑见CST控制逻辑，B4和B5的分别启动与急停曲线见图9．a、图9.b、图9．c、图9．d。
3、建议
根据地形特点，带式输送机的安装形式基本为图10所示中各种形式或其组合形式。每种带式输送机因其安装形式的不同，其动静态特点、设备配置及控制的关键点也有较大差异，集多年的调试和维护经验，就坡度较大、带长较长的普遍情况做以下简述，以资共享。
如图10(a)所示的上坡皮带：驱动设备安装在头部，重载启动时间要长，速度曲线应平滑，以避免皮带输送机启动时因拉伸储能太大和启动过快造成过载；制动设备应安装在头部，须以实时带速控制制动设备的制动时机，应在带速降为零之前制动，避免带速为零时瞬问释放的储能对逆止器的冲击；张紧设备最好安装在尾部，此时张紧设备的张力值最小，有利于延长张紧设备的使用寿命。
如图10(b)所示的水平皮带输送机，驱动设备置于头部，如果要求系统失电时延长停车时间可采用飞轮模式的驱动设备；可不用逆止器；如果对停车时间无要求，可不安装制动设备，反之，则必须安装，安装位置头尾部均可。
如图lO(c)所示的下坡皮带输送机，驱动设备和制动设备均应安装在尾部，因皮带输送机带载运行时，驱动电机可能进入发电工况，如果采用电机+CST的驱动方式，发电时可将CST离合器压力锁定，所发电能可直接同馈到电网，以补偿电网的无功部分，如果采用变频器则必须具备逆变功能。须以驱动设备的工况控制制动设备的制动时机，如果在满载运行时驱动设备跳闸，而制动设备又不能及时制动，皮带输送机将会发生飞车（带速远高于额定运行速度）后逐渐减速；同时皮带减速不能过快，否则会因物料的惯性冲击造成断带或机尾设备损坏。
如图10(d)所示的上坡十水平皮带输送机类似与上坡皮带；只是皮带输送机安装时变坡点处要十分平缓，否则容易造成该处的托辊损坏。
如图10(e)所示的水平十下坡皮带输送机，水平段较长时类似于水平皮带，下坡段较长时类似于下坡皮带，但驱动与张紧设备应置于头部，制动设备应置于尾部。
如图10(f)所示的上坡十下坡皮带输送机，如果上下坡两段的长度都较长，且近似相等，则控制方面应主要考虑：只有上坡段带满载启动时的过载和变坡点的张力问题；只有下坡段带满载急停时的制动问题；以及皮带满载时的启停控制。驱动和制动设备均应置于变坡点处，张紧设备应置于头部。如果下坡段远大于上坡段则类似于下坡皮带；反之，则类似于上坡皮带；同时安装时变坡点处要十分平缓，否则容易造成该处的托辊损坏。
如图10(g)所示的下坡十上坡皮带输送机，除了分段考虑上、下坡皮带输送机的特点外，
还要主要考虑变坡点处的叠带问题，当两段皮带同时带载时，由于物料的重力作用，
造成两段皮带向最低点处的拉伸，因此最好将张紧装置安装在最低点处，同时要保
证皮带输送机有足够的张力；而且尾部应安装制动装置，甚至要安装驱动装置，利用电机
的发电工况来制动；头部应安装飞轮模式的驱动装置，确保能延长皮带输送机的停车
时间。
如图lO(h)所示的上坡十水平十下坡和下坡十水平十上坡皮带输送机，当各段长度都较长时，在综合前述的皮带输送机特点外，还应考察皮带各点的张力值域，统一控制多点驱动；区别在于前者制动设备应置于第一个边坡点，张紧装置应置于头部；后者制动设备应置尾部，张紧装置应置于第二个边坡，至少头部驱动装置应采用飞轮模式。
向家坝长胶系统的带形基本上包括了带式输送机运行最危险(Bl)、控制最复杂(B3)及最常见的(B4、B5)带形，是当前国内所有带式输送机系统中涵盖相关技术内容最为广泛的系统。
4 综 述
向家坝长距离胶带输送机系统顺利投产，得益于严谨的设计、CST驱动系统的优良性能、先进的控制技术和科学的运行管理机制，并由该项目中总结出的各种成功经验，是长距离带式输送机系统应用的一个范例，极具推广价值。
