付惠琪, 袁東升, 李長虹

1.焦作市技師學(xué)院 河南焦作 454150 2.河南理工大學(xué) 安全與科學(xué)工程學(xué)院 河南焦作 454150

1 研發(fā)背景

某礦山廠有一臺(tái)由6 kV高壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的球磨機(jī)。該球磨機(jī)各組成部分的電控系統(tǒng)由不同生產(chǎn)廠家單獨(dú)提供,各設(shè)備之間只有簡單的連鎖控制,沒有進(jìn)行整體保護(hù)設(shè)計(jì)。一些關(guān)鍵部位的檢測值僅有儀表指示,缺乏必要的自動(dòng)報(bào)警停機(jī)功能。對于高溫引發(fā)跳閘等故障,只能通過人工手動(dòng)操作,安全性和穩(wěn)定性較差。為了防止運(yùn)行中設(shè)備損壞,需要根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)要求,增加一套球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng),確保球磨機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 保護(hù)系統(tǒng)功能

球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的主要功能是實(shí)時(shí)檢測、傳輸并判斷長時(shí)間處于高負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行的球磨機(jī)各個(gè)檢測點(diǎn)信號(hào),可靠發(fā)出報(bào)警信號(hào)或停機(jī)信號(hào),起到保護(hù)作用?？梢?球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)不僅要整合球磨機(jī)各部件的檢測信號(hào)、控制信號(hào)及故障信號(hào),而且要實(shí)現(xiàn)與中控的連鎖控制,并能通過上位機(jī)監(jiān)控顯示檢測信號(hào)的實(shí)時(shí)變化及報(bào)警信息。

球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)主要對球磨機(jī)前后軸瓦溫度、高壓電動(dòng)機(jī)前后軸承溫度、高壓電動(dòng)機(jī)定子繞組溫度、冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障和潤滑油壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)溫度、壓力到達(dá)一定數(shù)值時(shí),保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)溫度、壓力達(dá)到極限值或冷卻風(fēng)機(jī)發(fā)生缺相故障時(shí),保護(hù)系統(tǒng)使球磨機(jī)自動(dòng)停機(jī)。

球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)具體控制功能如下:

(1) 球磨機(jī)軸瓦溫度高于65 ℃時(shí)報(bào)警,達(dá)到70 ℃時(shí)停機(jī);

(2) 高壓電動(dòng)機(jī)軸承溫度高于75 ℃時(shí)報(bào)警,達(dá)到80 ℃時(shí)停機(jī);

(3) 高壓電動(dòng)機(jī)定子繞組溫度高于130 ℃時(shí)報(bào)警,達(dá)到140 ℃時(shí)停機(jī);

(4) 潤滑油壓力低于0.18～0.2 MPa或高于0.4～0.6 MPa時(shí)報(bào)警,低于0.15～0.18 MPa時(shí)停機(jī),具體閾值可根據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況調(diào)節(jié);

(5) 冷卻風(fēng)機(jī)發(fā)生斷相故障時(shí),報(bào)警并停機(jī);

(6) 與中控形成連鎖控制,能接收來自中控的設(shè)備啟停、急停信號(hào)等,同時(shí)能將綜合報(bào)警信號(hào)及故障信號(hào)傳送至中控。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 組成

球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)采用可編程序控制器和觸摸屏控制,可編程序控制器處理來自現(xiàn)場的各種模擬量信號(hào)和開關(guān)量信號(hào),并通過程序控制輸出和執(zhí)行元件,在球磨機(jī)出現(xiàn)異常情況時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警或停機(jī)功能。觸摸屏作為可編程序控制器的上位機(jī),主要監(jiān)控球磨機(jī)的工作狀態(tài),還可以設(shè)置參數(shù)、復(fù)位系統(tǒng)等,保障球磨機(jī)的安全、可靠運(yùn)行。根據(jù)控制要求,球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)主要由可編程序控制器、觸摸屏、交流直流轉(zhuǎn)換模塊、溫度變送器、壓力變送器、直流24 V穩(wěn)壓電源、中間繼電器等組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 選型

球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中,可編程序控制器選用三菱FX2N-32MR型。這一型號(hào)可編程序控制器輸入、輸出各有16點(diǎn),不僅滿足現(xiàn)有功能需求,還有適當(dāng)冗余,為系統(tǒng)升級(jí)留下了空間?？删幊绦蚩刂破鬏敵鲱愋蜑槔^電器輸出。

人機(jī)界面采用TPC7062K型觸摸屏,這一觸摸屏為7 in(1 in=25.4 mm)液晶顯示屏,其組態(tài)軟件MCGS是國內(nèi)市場目前占有率較高的組態(tài)軟件,具有功能完善、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)場情況,溫度信號(hào)選用0～200 ℃、4～20 mA G1EI型溫度變送器進(jìn)行采集,內(nèi)置Pt100鉑熱電阻溫度檢測傳感器。壓力信號(hào)選用0～1 MPa、4～20 mA GB-3000A(G)型擴(kuò)散硅型壓力變送器進(jìn)行采集。由于潤滑油站及各溫度信號(hào)采集點(diǎn)與可編程序控制器電控柜距離較遠(yuǎn),因此變送器全部選用適合遠(yuǎn)距離傳輸?shù)碾娏餍盘?hào)輸出型,以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

其它硬件,如直流24 V穩(wěn)壓電源、中間繼電器等,根據(jù)現(xiàn)場要求合理選擇。考慮到工作場地噪聲大,異常情況報(bào)警選用安裝在控制柜上方的紅色報(bào)警燈進(jìn)行報(bào)警,而不選用聲響報(bào)警。

現(xiàn)場采集的溫度、壓力信號(hào)是模擬量信號(hào),輸入可編程序控制器之前需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。采用三個(gè)FX2N-4AD型擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換,FX2N-4AD型擴(kuò)展模塊與溫度或壓力變送器的接線如圖2所示。

圖2 FX2N-4AD型擴(kuò)展模塊與變送器接線

3.3 輸入、輸出地址分配

球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的大部分信號(hào)為模擬量輸入信號(hào),通過FX2N-4AD型擴(kuò)展模塊傳送至可編程序控制器,不占用可編程序控制器基本單元的輸入點(diǎn)。本著整合信號(hào)、集中控制的原則,球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)將一些重要輔助設(shè)備的控制點(diǎn)及反饋信息,如冷卻風(fēng)機(jī)停機(jī)信號(hào)、球磨機(jī)前后軸瓦報(bào)警信號(hào)和過熱信號(hào)等輸入可編程序控制器基本單元的輸入點(diǎn),與其它信號(hào)一起進(jìn)行保護(hù)控制。球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)輸入、輸出地址分配見表1。

表1 球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)輸入、輸出地址分配

4 軟件設(shè)計(jì)

球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)軟件主要由可編程序控制器控制程序和人機(jī)界面監(jiān)控組態(tài)組成。

4.1 可編程序控制器控制程序

球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)可編程序控制器控制程序主要考慮FX2N-4AD型擴(kuò)展模塊的正確設(shè)置,數(shù)字量信號(hào)的讀出、顯示、比較判斷,以及其它設(shè)備傳送信號(hào)的處理等。由于人機(jī)界面觸摸屏上輸入和顯示的溫度、壓力信號(hào)都是非整數(shù),因此編程時(shí)要特別注意定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換、計(jì)算等問題。球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)可編程序控制器控制程序流程如圖3所示。

4.2 人機(jī)界面監(jiān)控組態(tài)

為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的運(yùn)行監(jiān)控,需要對人機(jī)界面觸摸屏畫面進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)。在球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中,利用組態(tài)軟件MCGS設(shè)計(jì)初始畫面,以及運(yùn)行監(jiān)控、歷史報(bào)警信息、實(shí)時(shí)報(bào)警信息、參數(shù)設(shè)定等組態(tài)畫面。觸摸屏界面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 可編程序控制器控制程序流程

圖4 觸摸屏界面結(jié)構(gòu)

通過運(yùn)行監(jiān)控畫面,操作人員可以實(shí)時(shí)查看高壓電動(dòng)機(jī)軸承溫度等信號(hào)的實(shí)際值。人機(jī)界面設(shè)有報(bào)警顯示功能,若存在報(bào)警信號(hào),則會(huì)在實(shí)時(shí)報(bào)警信息畫面和歷史報(bào)警信息畫面中按時(shí)間順序顯示報(bào)警的信息和數(shù)據(jù),方便技術(shù)人員進(jìn)行故障診斷。報(bào)警、停機(jī)等極限值可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行更改,具有很大的靈活性和較高的可靠性。人機(jī)界面組態(tài)畫面如圖5所示。

5 保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用

球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)于2017年3月投入試運(yùn)行。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行效果確認(rèn),保護(hù)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)合理、功能完善、運(yùn)行可靠、便于擴(kuò)展等特點(diǎn),達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求,有效保障了球磨機(jī)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行,提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益,具有推廣價(jià)值。

6 結(jié)束語

基于可編程序控制器和觸摸屏控制技術(shù)的球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、自動(dòng)在線監(jiān)測球磨機(jī)各個(gè)部件的運(yùn)行狀況,對故障模式進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、判斷和預(yù)警,實(shí)現(xiàn)自我保護(hù),能夠有效預(yù)防事故的發(fā)生,對改善企業(yè)安全狀況、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

圖5 人機(jī)界面組態(tài)畫面

筆者設(shè)計(jì)球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)是一次初步嘗試,需要在后續(xù)運(yùn)行實(shí)踐中不斷改進(jìn)、完善。

隨著信息技術(shù)和人工智能的發(fā)展,可以預(yù)見球磨機(jī)保護(hù)系統(tǒng)將更為可視化、自動(dòng)化、智能化、模塊化,將具有更為全面和強(qiáng)大的功能,并將更好地服務(wù)于礦山生產(chǎn)實(shí)踐。