武 濤， 楊文旺， 盧世杰

(北京礦冶研究總院， 北京 100160)

大型立磨機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

武 濤， 楊文旺， 盧世杰

(北京礦冶研究總院， 北京 100160)

立磨機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)是立磨裝備的重要組成部分，可以提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率并保障設(shè)備的安全運(yùn)行。本文介紹了大型立磨機(jī)控制系統(tǒng)的組成，并重點(diǎn)介紹了主電機(jī)、減速機(jī)稀油站、滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑的控制對(duì)象、控制方法和控制目標(biāo)，立磨機(jī)內(nèi)鋼球填球率的噪音檢測(cè)方法，以及系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)方法。該控制系統(tǒng)可以保障設(shè)備安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

立磨機(jī)； 自動(dòng)控制； 噪音檢測(cè)

能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈之所在，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的供需矛盾日漸尖銳。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全國(guó)工業(yè)能源消耗結(jié)構(gòu)中，有色金屬行業(yè)消耗能源比達(dá)到了3.5%以上[1]。因此，實(shí)現(xiàn)有色金屬行業(yè)的節(jié)能降耗成為了一個(gè)急需解決的問(wèn)題。在礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，技術(shù)與裝備是最為重要的工具手段。提升采、選、冶技術(shù)裝備的科技水平，對(duì)于降低有色金屬行業(yè)的能源消耗，提高能源的利用效率具有重要的作用。

我國(guó)許多礦山工業(yè)都使用普通臥式球磨機(jī)磨礦，存在磨礦效率低、產(chǎn)品粒度達(dá)不到要求等問(wèn)題，而立式磨機(jī)具有中低速、較高的介質(zhì)填充高度、螺旋攪拌器、細(xì)磨或超細(xì)磨時(shí)能量利用率高的特點(diǎn)，是一種極具發(fā)展前景的細(xì)磨設(shè)備[2]。

立磨機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)作為立磨裝備的重要組成部分，不僅可以使操作人員方便地實(shí)時(shí)掌握設(shè)備過(guò)程運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，而且對(duì)于設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。同時(shí)智能化操作運(yùn)行可以大幅降低人工操作強(qiáng)度，大大減少設(shè)備維護(hù)工作量、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，增加設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率，降低安全隱患。

1 系統(tǒng)組成

立磨機(jī)控制主要分為自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)運(yùn)行兩大部分。首先是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)參數(shù)的檢測(cè)，其中主要包括電機(jī)電壓、電流、功耗、軸承溫度、潤(rùn)滑油壓、振動(dòng)等狀態(tài)參數(shù)；其次是自動(dòng)運(yùn)行，根據(jù)實(shí)時(shí)參數(shù)檢測(cè)確定設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況并及時(shí)作出調(diào)整，主要包括主電機(jī)控制、減速機(jī)稀油站控制、滑動(dòng)軸承自動(dòng)潤(rùn)滑控制。本文將對(duì)以上關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行具體介紹。

圖1 立磨機(jī)控制系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)功能

(1)立磨機(jī)主電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制功能，主要包括：電壓、電流、功率實(shí)時(shí)顯示，主電機(jī)備妥信號(hào)提示，以及電機(jī)加熱器控制；

(2)減速機(jī)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)，包括軸溫、振動(dòng)值監(jiān)測(cè)；

(3)稀油站自動(dòng)潤(rùn)滑控制，包括出口的油壓、油溫檢測(cè)和控制，以及油箱內(nèi)液位高低、油濾器壓差過(guò)大報(bào)警；

(4)滑動(dòng)軸承智能潤(rùn)滑以及軸溫監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)軸承部分的定時(shí)、定量加油功能；

(5)利用音頻信號(hào)檢測(cè)立磨機(jī)內(nèi)鋼球填充率功能，解決了因鋼球填加過(guò)多會(huì)增大磨機(jī)負(fù)荷；鋼球量填加過(guò)少會(huì)降低磨礦效率的弊端；

(6)立磨機(jī)主軸狀態(tài)監(jiān)測(cè)，包括軸溫、振動(dòng)檢測(cè)和油位過(guò)低報(bào)警；

(7)數(shù)據(jù)管理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和查詢；

(8)留有遠(yuǎn)程通訊接口，允許遠(yuǎn)程集中控制。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 主電機(jī)控制

大型立磨機(jī)主電機(jī)作為立磨機(jī)的動(dòng)力中樞，其穩(wěn)定、可靠性運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)工藝流程的通暢。其額定功率一般在300 kW以上，電壓等級(jí)為中、高壓6000 V或10 kV。電機(jī)主控回路單獨(dú)配置一臺(tái)啟動(dòng)柜，除具備常規(guī)所需控制電機(jī)的啟、停功能外，還配有電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的三相電流、三相電壓以及累計(jì)功耗監(jiān)測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)立磨機(jī)負(fù)荷和運(yùn)轉(zhuǎn)情況的在線檢測(cè)。

考慮到電機(jī)停機(jī)后可能受潮，導(dǎo)致線圈絕緣性變差因素，對(duì)此專門(mén)配置了電機(jī)加熱裝置。當(dāng)停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)再準(zhǔn)備開(kāi)機(jī)前，先要開(kāi)啟電機(jī)加熱器一段時(shí)間，將電機(jī)線圈上的水露快速蒸發(fā)掉，以確保主電機(jī)的安全啟動(dòng)。

圖2 主電機(jī)控制

3.2 稀油站控制

減速機(jī)屬于立磨機(jī)的重要傳動(dòng)裝置，是立磨機(jī)得以穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保證。而減速機(jī)要正常工作則離不開(kāi)與其配套的稀油站控制。稀油站的主要構(gòu)成器件有油箱、油泵、管路、電機(jī)、電加熱器、油濾器、安全閥、冷凝裝置以及溫度和壓力傳感器等。稀油站的工作原理是將油箱中存放的油液利用油泵在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)使下從送油管路輸送至潤(rùn)滑降溫目標(biāo)區(qū)，然后再通過(guò)回油管路將油液用油濾器過(guò)濾后送回油箱。要實(shí)現(xiàn)對(duì)稀油站潤(rùn)滑系統(tǒng)的控制，最為重要的兩個(gè)控制參數(shù)分別是供油溫度與供油壓力。

(1)油溫控制：當(dāng)油箱出口油溫高于某一設(shè)定的溫度(如45 ℃)時(shí)，水閥自動(dòng)開(kāi)啟，冷卻器投入工作，直到油溫恢復(fù)正常為止(如溫度降到40 ℃以下時(shí)電磁水閥自動(dòng)關(guān)閉)。如冷卻器已投入工作，系統(tǒng)的油溫繼續(xù)升高，達(dá)到油溫設(shè)定的最高溫度時(shí)(如80 ℃)，立磨機(jī)系統(tǒng)將發(fā)出油溫過(guò)熱報(bào)警信號(hào)，必須停掉主電機(jī)，檢查故障點(diǎn)。

當(dāng)油箱的油溫低于某一設(shè)定值(如20 ℃)時(shí)，油泵不能啟動(dòng)，電加熱器自動(dòng)運(yùn)行，對(duì)油液進(jìn)行加熱，直到達(dá)到正常工作油溫為止，油泵可以啟動(dòng)。超過(guò)另一設(shè)定值時(shí)(如30 ℃)時(shí)，自動(dòng)切斷電加熱器。

(2)油壓控制：稀油站的供油口(出口)的油壓需達(dá)到設(shè)計(jì)值。

正常工作時(shí)，油泵一臺(tái)工作，一臺(tái)備用。當(dāng)檢測(cè)到出口油壓低于設(shè)定值(如0.2 MPa)時(shí)，備用泵自動(dòng)開(kāi)啟，與工作泵一起工作直到壓力正常(0.3 MPa)時(shí)，備用泵自動(dòng)停止。若油壓繼續(xù)下降到另外一個(gè)設(shè)定值時(shí)(如0.15 MPa),立磨機(jī)系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并停掉主電機(jī)(聯(lián)鎖狀態(tài)下)。

另外，油箱裝有低油位和高油位報(bào)警液位開(kāi)關(guān)，當(dāng)?shù)陀谟臀幌孪迺r(shí)，要求往油箱注油；當(dāng)高于油位上限時(shí)，停止往油箱注油。以及雙筒網(wǎng)式過(guò)濾器裝置，當(dāng)壓差大于一定值時(shí)(0.15 MPa)，需要更換或清洗濾芯。

3.3 滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑控制

滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑采用智能潤(rùn)滑技術(shù)，該技術(shù)將可編程邏輯控制技術(shù)和閉環(huán)定量給油技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定量潤(rùn)滑。智能潤(rùn)滑系統(tǒng)主要由主控制器、電動(dòng)潤(rùn)滑泵、電磁給油箱、檢測(cè)單元和潤(rùn)滑油路組成。

(1)主控制器

主控制器集成于立磨機(jī)PLC控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑泵過(guò)程變量參數(shù)(壓力、重力等)，同時(shí)通過(guò)modbus總線協(xié)議與電磁給油箱內(nèi)的信息識(shí)別器進(jìn)行信息交互(潤(rùn)滑指令和反饋指令)。用戶可以靈活調(diào)整各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)的注油量和注油頻率，同時(shí)也可實(shí)時(shí)監(jiān)視潤(rùn)滑點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警等信息。

(2)電動(dòng)潤(rùn)滑泵

電動(dòng)潤(rùn)滑泵容積為6 L，滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑量為10 mL/d，電動(dòng)潤(rùn)滑泵配備壓力傳感器，出口油壓保持在5 bar以上，當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到泵出口油壓低于設(shè)定下限壓力時(shí)，潤(rùn)滑泵開(kāi)始升壓，當(dāng)高于設(shè)定上限壓力時(shí)，潤(rùn)滑泵停止運(yùn)行。

電動(dòng)潤(rùn)滑泵配置稱重傳感器，通過(guò)該傳感器間接判斷儲(chǔ)脂筒內(nèi)油脂的重量，如油脂過(guò)少，則系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

(3)電磁給油箱

電磁給油箱由信息識(shí)別器、過(guò)濾器、電磁給油器和油流傳感器組成，其中電磁給油器和油流傳感器共有兩組(一用一備)，兩組電磁給油器工作時(shí)互不關(guān)聯(lián)，任何一路堵塞都不會(huì)影響其他油路的正常工作。

信息識(shí)別器內(nèi)嵌微控芯片，接收主控制器通過(guò)modbus總線傳輸過(guò)來(lái)的控制指令信息，解析指令后向目標(biāo)潤(rùn)滑點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電磁給油器發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。電磁給油器控制內(nèi)部柱塞的運(yùn)動(dòng)來(lái)切換油路的通斷，油流傳感器利用霍爾傳感原理檢測(cè)柱塞運(yùn)動(dòng)，反饋給油動(dòng)作至PLC。一個(gè)電磁給油器配套一個(gè)油流傳感器，過(guò)濾器將來(lái)自給油管潤(rùn)滑脂中夾帶的渣屑過(guò)濾，防止堵塞油路。

3.4 立磨機(jī)鋼球填充率檢測(cè)方法

立磨機(jī)內(nèi)鋼球的填充率是影響磨礦粒度的重要因素，一般而言立磨機(jī)內(nèi)磨礦介質(zhì)的填充率約為筒體有效容積的30%～50%，鋼球填充率過(guò)高不僅會(huì)減小筒體內(nèi)有效磨礦容積，而且會(huì)增大磨機(jī)的負(fù)荷；鋼球填充率過(guò)低則會(huì)降低磨機(jī)的磨礦效率，現(xiàn)有檢測(cè)立磨機(jī)加球量的主要方法是有功功率法，已經(jīng)應(yīng)用在國(guó)內(nèi)、外很多立磨機(jī)上，但是存在檢測(cè)誤差偏大問(wèn)題?？紤]到立磨機(jī)發(fā)出的噪音正比于鋼球與物料的重量比，即當(dāng)立磨機(jī)內(nèi)鋼球量加多時(shí)，鋼球與鋼球間以及鋼球與筒體間撞擊會(huì)增大，發(fā)出的聲音頻率會(huì)變高，聲強(qiáng)也增大；當(dāng)立磨機(jī)內(nèi)鋼球量少時(shí)，立磨機(jī)發(fā)出的聲音頻率會(huì)降低，聲強(qiáng)也會(huì)減弱，所以音頻分析方法可以用于檢測(cè)磨機(jī)內(nèi)鋼球填充率。

通過(guò)音頻分析確定立磨機(jī)內(nèi)鋼球的填充率，實(shí)現(xiàn)該方法的系統(tǒng)如圖3所示，該方法具體包括以下步驟：

圖3 鋼球填充率檢測(cè)方法

通過(guò)音頻傳感器獲取立磨機(jī)工作時(shí)內(nèi)部的聲音，音頻傳感器將獲取的聲音轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號(hào)后輸出給PLC模塊，PLC模塊利用以太網(wǎng)總線將噪音數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)(工控機(jī))，上位機(jī)內(nèi)安裝有數(shù)據(jù)分析軟件(如MATLAB軟件)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)噪音數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，將獲取的立磨機(jī)工作時(shí)的聲音中夾雜的環(huán)境噪聲濾掉，確保檢測(cè)到的噪聲值為立磨機(jī)發(fā)出的有效工作噪聲值。

圖4 立磨機(jī)硬件設(shè)計(jì)

有效工作噪聲值可以直觀反應(yīng)球磨機(jī)內(nèi)鋼球填充量的多少，當(dāng)檢測(cè)到立磨機(jī)內(nèi)鋼球量較少時(shí)，可以自動(dòng)或手動(dòng)補(bǔ)加鋼球，達(dá)到立磨機(jī)的穩(wěn)產(chǎn)、降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

4 立磨機(jī)控制系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計(jì)

(1)硬件設(shè)計(jì)：在綜合考慮各因素后，系統(tǒng)選用了德國(guó)西門(mén)子公司提供的S7- 300型PLC控制器?？刂葡到y(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4中所示，其中核心控制器為S7- 300型PLC控制器，通過(guò)音頻傳感器檢測(cè)磨機(jī)內(nèi)的鋼球填充率；液位變送器對(duì)立磨機(jī)油站內(nèi)的油位進(jìn)行檢測(cè)；振動(dòng)加速度變送器檢測(cè)主軸的振動(dòng)；溫度變送器對(duì)潤(rùn)滑油溫度進(jìn)行檢測(cè)；壓力變送器對(duì)潤(rùn)滑油的壓力進(jìn)行檢測(cè)；電壓、電流、功率變送器則對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。而PLC控制器則對(duì)上述檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，根據(jù)事先制定的控制模型輸出相應(yīng)控制量確保立磨機(jī)在穩(wěn)定負(fù)荷內(nèi)工作。

系統(tǒng)的人機(jī)交互界面為觸摸屏，并使用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)同上位機(jī)之間相連，使得在監(jiān)控室中就可以遠(yuǎn)程對(duì)立磨機(jī)的工作情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)立磨機(jī)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。

(2)軟件設(shè)計(jì)：立磨機(jī)的軟件設(shè)計(jì)基于安全、穩(wěn)定、可靠、智能的控制要求，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)回路的連鎖控制。其中包括：主軸故障信號(hào)與油位開(kāi)關(guān)及主軸溫度信號(hào)連鎖；減速機(jī)軸承故障信號(hào)與輸入端、輸出端軸溫信號(hào)及振動(dòng)信號(hào)連鎖；滑動(dòng)軸承故障信號(hào)與軸承溫度信號(hào)連鎖；主電機(jī)故障信號(hào)與主電機(jī)電流、軸承溫度連鎖；主電機(jī)備妥信號(hào)與主軸故障、減速機(jī)軸承故障、稀油站重度故障、滑動(dòng)軸承故障、主電機(jī)故障、主電機(jī)緊急停按鈕連鎖。只有當(dāng)主軸、減速機(jī)、稀油站等設(shè)備都正常時(shí)，電機(jī)備妥信號(hào)燈才會(huì)亮起，主電機(jī)才可以啟動(dòng)。所有的溫度監(jiān)測(cè)信號(hào)都設(shè)計(jì)兩個(gè)閾值，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)超過(guò)低閾值時(shí)觸發(fā)輕度報(bào)警，提醒注意設(shè)備安全，此時(shí)不會(huì)停機(jī)；當(dāng)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)超過(guò)高閾值時(shí)會(huì)觸發(fā)重度報(bào)警，立磨機(jī)會(huì)自動(dòng)停機(jī)，確保設(shè)備的安全。系統(tǒng)的控制流程圖如圖5所示。

圖5 立磨機(jī)軟件設(shè)計(jì)

5 總結(jié)

該大型立磨機(jī)的控制系統(tǒng)包含了主電機(jī)控制、減速機(jī)稀油站控制、滑動(dòng)軸承自動(dòng)潤(rùn)滑控制3個(gè)部分，并且控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在多個(gè)回路實(shí)現(xiàn)了故障連鎖報(bào)警功能。當(dāng)運(yùn)行參數(shù)低于或超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，控制系統(tǒng)能夠發(fā)出報(bào)警信號(hào)，故障嚴(yán)重時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)，確保不對(duì)設(shè)備造成損傷。該控制系統(tǒng)完全可以實(shí)現(xiàn)大型立磨機(jī)安全、穩(wěn)定、智能地運(yùn)行。

[1] 劉全民，張洪國(guó)，何發(fā)鈺，曾紅.有色金屬礦山節(jié)約資源能源與減排[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用，2009，(1):38-42.

[2] 張國(guó)旺，李自強(qiáng)，李曉東，等.立式螺旋攪拌磨礦機(jī)在鐵精礦再磨中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2008，(5):93-95.

DesignandResearchofLargeVerticalGrindingMillControlSystem

WU Tao，YANG Wen-wang，LU Shi-jie
(Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy, Beijing 100160, China)

Automatic control system is an important part of the vertical grinding mill equipment, which can improves equipment operation rate and guarantees safe operation of the equipment. This article describes the vertical grinding mill control system components, and highlights the main motor, gear lubrication oil station, sliding bearings lubricated control object, control methods and control objectives, noise detection rate of ball filling the vertical grinding mill, design methods of system hardware and software. The control system can protect the device in safe, stable and efficient operation.

vertical grinding mill；automatic control；noise detection

2014-01-10

北京市科技計(jì)劃(D121100001312001)

武 濤(1983-)，男，河北衡水人，工程師，碩士研究生，主要從事選礦設(shè)備研究設(shè)計(jì)及技術(shù)推廣工作。

楊文旺(1983-)，男，山西運(yùn)城人，工程師，碩士研究生，主要從事選礦設(shè)備自動(dòng)控制研究設(shè)計(jì)及技術(shù)推廣工作。

TD453

A

1003-8884(2014)02-0001-05

盧世杰(1972-)，男，河北景縣人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士研究生，主要從事選礦設(shè)備研究設(shè)計(jì)及技術(shù)推廣工作，現(xiàn)任北京礦冶研究總院機(jī)械研究設(shè)計(jì)所副所長(zhǎng)。