水泥矿山与厂区的物料大多采用胶带输送机输送，近年来，长距离(单机输送长度)、大运量(高带速和大带宽)和大倾角输送物料的胶带输送机也越来越多。本文针对水泥矿山中的长距离胶带输送机控制系统进行了设计探究，结合个人的工程经验，对系统的主要部件配置以及控制方法进行了论述，提出了可行的解决方案。
1 胶带输送机基本参数
工程系统实例为两条总长约14km的胶带输送机系统，其位于内蒙古达茂旗百灵庙镇石灰石矿山区。本文以其中一条长约6km的胶带输送机为例。胶带输送机基本参数见表1。
2 系统配置
胶带输送机系统头部安装了2台驱动电动机和1套液压绞车张紧装置；尾部安装了1台驱动电动机和1套盘式液压制动器。胶带输送机系统沿线安装了跑偏、拉绳、测速、纵撕、打滑、堵料和压力等传感器，用于实现对胶带输送机的沿线保护。在电控上，采用西门子S7-300系列PLC控制系统的所有设备。
3 驱动装置
3.1 控制系统组成
长距离胶带输送机系统的启停受到地形和装载量的影响，采用了多电动机变频调速、协调驱动的控制方式。
因驱动点位置太集中会造成整条胶带输送机某段张力太大，无法可靠运行，所以系统在设计时采用了3台驱动电动机“头二尾一”的分布方式，即在输送机头部采用双电动机主从变频驱动、尾部采用单电动机变频驱动的方式，3台变频器通过PROFIBUS-DP通讯与电控系统无缝链接，通过电控系统的逻辑处理，实现3台变频器（ABB公司ACS800系列变频器，480kW，690VAC）的头尾协调驱动。实际应用中，这种方式不仅实现了胶带输送机理想曲线（S型）的启动和制动，还最大化保证了输送机各驱动点之间的功率平衡和速度同步,降低了输送机快速启动、快速停车过程对机械和电气系统的冲击。系统配电图见图1。
3.2 头部主从驱动
皮带传动属于柔性连接。为了使传动单元之间均衡分配负载、不存在速度差异，主变频器设置为速度控制,从变频器设置为转矩控制，从电动机根据主电动机的受力情况进行转矩跟踪；同时从变频器输出转速被主变频器最大转速钳位，保证同步。设备布置见图2。
3.3 尾部控制
胶带输送机尾部采用单电动机变频调速，设置为速度控制。从电动机速度给定值由电控系统结合胶带输送机头部运转情况通过PLC逻辑运算得出；根据胶带输送机头部驱动的出力情况，调整尾部驱动的出力，实现头尾功率平衡和速度同步。
4 沿线保护
由于长距离胶带输送机空间跨度大，其保护传感器（打滑、跑偏、纵向撕裂、超速、堆料等）的数量比普通胶带输送机要多很多。本系统为了实现胶带输送机的全程监控，安装的保护传感器多达190个，这就给施工和问题信号的查找带来困难，因此，系统采用了带通讯功能的保护传感器。保护传感器之间通过MODBUS协议连接，将所有状态信息传递给综合保护仪，综合保护仪与尾部PLC建立MODBUS连接进行数据传输。这种方式不仅节省大量的施工作业，在故障判断上也更加方便，一旦出现故障报警，便能快速锁定故障位置和故障类别，缩短故障排查时间。沿线保护配置如图3所示。
5 张紧装置和张力（检测）装置
长距离胶带输送机在启制动过程和正常运转时，其胶带的张力和挠度会发生变化。为了避免输送机出现弹性伸长导致的打滑现象，系统在头部安装了结构简单、使用安全可靠、维修方便并且响应速度快、精度高、扭矩大的液压绞车张紧装置。为了保证输送机头尾的协调驱动，系统尾部安装了胶带张力检测装置。
1）因为胶带输送机在运转过程中输送带的弹性变形和塑性伸长会引起张力降低而诱发打滑，所以传统的重锤张紧和固定式绞车张紧装置不适用于长距离、大运量的胶带机输送系统。本系统采用的液压绞车张紧装置，可随着胶带张力的变化而自动补偿胶带的伸长量，其拉紧力在输送机启动和运行时自动调节。胶带输送机启动时，一旦胶带松边突然松弛伸长，液压绞车拉紧装置立刻收缩，及时补偿胶带伸长，使紧边冲击力减小，实现启动平稳可靠。正常工作时，减小拉紧力，保证胶带输送机的安全性。张紧装置侧视图见图4。
2）张力（检测）装置安装在胶带输送机尾部，其作用是检测输送机启动时的胶带张力变化。张力（检测）装置反馈的数值高于常态数值10%左右作为胶带输送机启动的充分条件（系统张力值足够大），确保多电动机协调驱动的可靠。在系统正常运行时，一旦张力（检测）装置反馈张力数值异常（如张力值动态时骤降10%~15%），电控系统将做出故障或紧停的相应处理，避免发生“断带”。
6 制动装置
结合现场带速、运料量、倾斜角度、停车时间、电动机启动力矩等因素，系统采用盘式制动器作为整条胶带输送机的制动装置，并将其安装在胶带输送机尾部；同时在胶带输送机头尾变频器都配套了制动电阻，在胶带输送机制动的过程中，制动电阻将部分动能消耗掉，从而起到辅助制动的作用。
盘式制动器在系统启动和停车过程中起着极为关键的作用。在启动时，为了避免“皮带溜车”，系统尾部的盘式制动器不能马上打开，要配合头部两台变频器启动的相关参数相应打开；停车时又分为正常停车和紧急制动。正常停车为胶带输送机系统带速降低到设定值后动作，而紧急制动时，盘式制动器马上动作。
由于本系统落差为37.217m，倾角为-4°～4°，存在“势能发电”的情况。当带料启车或系统处于力矩严重不平衡状态时，如果发电电能不作处理，将对变频器和电动机造成损坏。为了避免这一现象，在系统设计初期，考虑能耗制动（制动电阻配套制动单元）和回馈（再生）制动（变频器增加“能量回馈单元”选件）两种方案。考虑到系统正常使用后，诸如力矩不平衡和带料启车的情况很少出现，兼顾成本投入和发电应用回报的因素，最终采用将“电动机发电”能量消耗在制动电阻上的方案，保证变频器母线电压值恒定。
7 电控系统
本系统现场传感器以通讯方式完成数据传输，不仅降低了施工作业的成本，而且避免了电压、电流信号长距离传输导致的衰减和信号干扰；机头和机尾两套PLC通过以太网通讯，保证所有连锁、数据状态的快速可靠传输。电控系统拓扑图见图5。
胶带输送机头尾电动机启动后，进入加速状态，根据动态分析结论，采用S型曲线启动，如图6所示。
图6中，加速段时间为t1，使带速达到额定值的10%；延迟段时间为t2，在10%额定带速下运行；然后再次加速到全速时间t3。
作者单位：
唐山盾石电气有限责任公司
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