高海燕，馮京曉，周 威，韓高翔

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3洛陽師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院 河南洛陽 471934

隨著磨機(jī)大型化的發(fā)展，在其傳動形式、自動化和智能化上都呈現(xiàn)出了多樣化的發(fā)展趨勢，如何保證磨機(jī)既能穩(wěn)定運行，又能降低能耗和鋼耗是人們一直致力研究的方向，尤其對于超大功率磨機(jī)的控制。大型磨機(jī)目前主要采用由 GE 公司提供的Quadramatic 雙驅(qū)磨機(jī)電氣控制系統(tǒng)，其傳動裝置采用2 個 GE 低速同步電動機(jī)＋氣動離合器＋小齒輪軸組共同驅(qū)動大齒輪，從而帶動磨機(jī)筒體旋轉(zhuǎn)。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)能效果而被廣泛應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域，也給傳統(tǒng)的磨機(jī)控制系統(tǒng)注入了新的活力，采用變頻器驅(qū)動磨機(jī)電控系統(tǒng)的開發(fā)和研究也備受人們關(guān)注。由中信重工機(jī)械股份有限公司推出的變頻調(diào)速雙驅(qū)同步磨機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，不僅實現(xiàn)了磨機(jī)的重載軟啟動、調(diào)速運行、平滑停車、板結(jié)檢測和去除物料板結(jié)等功能，還實現(xiàn)了整個磨礦系統(tǒng)的過程控制、工藝流程顯示、設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測及報警、故障信息的查詢等功能，在確保大型磨機(jī)平穩(wěn)運行的同時，達(dá)到了降低能耗的目的，這也正是大型磨機(jī)控制發(fā)展的新方向[1-2]。

1 雙驅(qū)同步磨機(jī)電控系統(tǒng)的組成

雙驅(qū)同步磨機(jī)電控系統(tǒng)主要分為傳動系統(tǒng)和自動化控制系統(tǒng)兩部分：傳動系統(tǒng)電路主要是完成從進(jìn)線端到電動機(jī)的合理配電，確保電動機(jī)啟動過程以及正常運行過程中安全平穩(wěn)，滿足企業(yè)生產(chǎn)需求；自動化控制系統(tǒng)則是根據(jù)系統(tǒng)工藝控制要求，使執(zhí)行層設(shè)備完成相應(yīng)的工藝操作和執(zhí)行動作，并具有對設(shè)備實時監(jiān)控、保護(hù)設(shè)備安全的功能，以確保設(shè)備安全高效地運行。

2 傳動系統(tǒng)的設(shè)計

傳動系統(tǒng)設(shè)計主要根據(jù)磨機(jī)啟動、運行、生產(chǎn)需求以及主電動機(jī)的工作要求，完成電路設(shè)計和各部分動力回路設(shè)備及元器件的選型。

2.1 傳動系統(tǒng)的功能設(shè)計

(1)重載軟啟動功能 磨機(jī)屬于長期工作設(shè)備，低轉(zhuǎn)速恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，必須具有較高的過載能力及啟動轉(zhuǎn)矩，可實現(xiàn)電動機(jī)重負(fù)荷啟動的功能。

(2)平滑停車功能 能使磨機(jī)很平滑地進(jìn)入停車位置，在該位置轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都為零，不會產(chǎn)生磨機(jī)筒體擺動現(xiàn)象，從而造成小齒輪和大齒圈的打齒撞擊。

(3)自動定位功能 可以根據(jù)現(xiàn)場工藝情況任意設(shè)置筒體的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)行自動定位控制。

(4)雙驅(qū)負(fù)載平衡功能 變頻器采用主從控制[3]，主機(jī)采用速度控制環(huán)，從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制環(huán)，從機(jī)跟隨主機(jī)做轉(zhuǎn)矩控制，實現(xiàn)磨機(jī)啟停整個速度區(qū)間內(nèi) 2個電動機(jī)軸之間的負(fù)載平衡功能。

(5)爬行功能 使磨機(jī)低速運行，方便操作人員目測筒體狀況，一般為磨機(jī)實際轉(zhuǎn)速的 5%～10%。

(6)板結(jié)檢測功能 板結(jié)檢測系統(tǒng)通過分析筒體的旋轉(zhuǎn)角度和電動機(jī)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過板結(jié)檢測算法來判斷筒體內(nèi)物料是否產(chǎn)生板結(jié)，若檢測到板結(jié)，變頻器會自動切換到防板結(jié)模式運行。

(7)防板結(jié)抖開功能 檢測到物料板結(jié)后，啟動防板結(jié)模式，變頻器采用輸出轉(zhuǎn)矩疊加的方式，讓筒體和板結(jié)的物料產(chǎn)生剪切力，抖開板結(jié)的物料，防止板結(jié)物料下落砸傷筒體或襯板。

2.2 傳動系統(tǒng)主回路結(jié)構(gòu)

磨機(jī)的傳動裝置采用 2 個低速無刷勵磁同步電動機(jī)直連 2 個小齒輪軸組來共同驅(qū)動大齒輪，從而帶動磨機(jī)筒體旋轉(zhuǎn)。傳動系統(tǒng)的一次側(cè)主回路如圖 1 所示，可知系統(tǒng)只能運行在變頻工作模式下。中壓開關(guān)柜提供現(xiàn)場 13.8 kV 進(jìn)線電源給整流變壓器，整流變壓器的副邊供電源給變頻器輸入側(cè)，變頻器經(jīng)過內(nèi)部二極管整流和 IGCT[4]逆變后再經(jīng)過無負(fù)荷隔離開關(guān)，同時驅(qū)動 2 臺額定電壓為 3 050 V 的無刷勵磁同步電動機(jī)運行，而勵磁控制器由變頻器輸出信號控制。變頻運行狀態(tài)下，操作人員可根據(jù)實際的工況實時調(diào)節(jié)磨機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖1 傳動系統(tǒng)一次側(cè)主回路圖Fig.1 Primary circuit diagram of drive system

啟動變頻器，電動機(jī)開始工作，其輸出頻率從 0 Hz 逐步上升到磨機(jī)所需運行頻率，同時控制系統(tǒng)優(yōu)化控制同步電動機(jī)勵磁控制器，使電動機(jī)功率因數(shù)趨近于 1，此時，變頻器的輸出電壓對應(yīng)地也從 0 V 升到指定運行電壓。在啟動過程中，由于變頻器的功率選擇充分考慮了該類負(fù)載對啟動轉(zhuǎn)矩的特殊要求，其啟動轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到磨機(jī)轉(zhuǎn)矩需要，確保啟動成功。

2.3 傳動系統(tǒng)的選型配置

變頻調(diào)速雙驅(qū)同步磨機(jī)傳動系統(tǒng)主要由中壓開關(guān)柜、整流變壓器、變頻器、無負(fù)荷隔離開關(guān)柜以及同步電動機(jī)等組成，具體的系統(tǒng)選型配置如表 1 所列。其中中壓開關(guān)柜、主回路斷路器和變頻器的選型分別需要滿足以下要求：

(1)中壓開關(guān)柜的主回路斷路器必須滿足整流變壓器原邊額定電壓和額定電流的要求。

(2)主回路斷路器必須配備電流互感器和保護(hù)繼電器，來保護(hù)變壓器和變壓器一次側(cè)電纜，并且能夠響應(yīng)變壓器一次側(cè)繞組或一次側(cè)進(jìn)線電纜的短路故障，同時能承受變壓器的沖擊電流，響應(yīng)變壓器二次側(cè)繞組、二次側(cè)電纜和變頻器輸入整流橋的短路故障，以及變壓器和電纜的長時間過載。鑒于此，斷路器選用電壓為 17.5 kV 的 ABB VD4 真空斷路器以及ABB RET670 智能微機(jī)綜保。另外從安全角度考慮，中壓開關(guān)柜內(nèi)斷路器的合與斷必須由變頻器來操作，通過變頻器與中壓開關(guān)柜之間的聯(lián)鎖功能來保護(hù)變頻器，一旦變頻器發(fā)生故障，中壓開關(guān)柜立即斷開電源。

(3)變頻器的輸出頻率從 0～50 Hz 可調(diào)，變頻器功率的選擇要滿足磨機(jī)的初始啟動轉(zhuǎn)矩，確保啟動成功，同時滿足在 10% 基速情況下過載能力達(dá)到 169%額定轉(zhuǎn)矩，且允許每 10 min 內(nèi)過載運行 20 s 的要求[5]。

表1 傳動系統(tǒng)選型配置Tab.1 Configuration of drive system

3 自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計

自動化控制系統(tǒng)是根據(jù)系統(tǒng)工藝控制要求來完成相應(yīng)的硬件選型、組態(tài)及其程序設(shè)計，最終達(dá)到控制保護(hù)目標(biāo)，使設(shè)備安全高效運行的目的。自動化控制系統(tǒng)設(shè)計主要分兩部分：硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計主要有低壓電動機(jī)控制柜、PLC 控制柜和遠(yuǎn)程分站 IO 控制柜的設(shè)計；軟件設(shè)計主要采用羅克韋爾公司研制的 RSlogix5000 中間控制層 PLC 編程軟件平臺和上位機(jī)監(jiān)控層軟件 Factory Talk View 來實現(xiàn)對整個磨機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。

3.1 自動化控制系統(tǒng)的功能要求

(1)多樣化的工作模式 可根據(jù)現(xiàn)場磨機(jī)操作柜上的就地/遠(yuǎn)程選擇開關(guān)來選擇磨機(jī)的操作模式，還可根據(jù)現(xiàn)場輔機(jī)操作柜上的手動/自動選擇開關(guān)來選擇輔助設(shè)備的操作模式。一般情況下，輔機(jī)系統(tǒng)組啟和組停時選擇自動模式，檢修期間選擇手動模式。

(2)低壓電動機(jī)的控制與保護(hù) 為了實現(xiàn)對低壓電動機(jī)過載、過熱、缺相、接地和欠載保護(hù)，選用了擁有電動機(jī)故障檢測和診斷功能的智能 MCC[6]。它具有性能可靠、維護(hù)方便等特點，廣泛應(yīng)用于各種過程控制中，同時可作為 PLC 的現(xiàn)場執(zhí)行器。

(3)遠(yuǎn)程分站 I/O 的選用 為了使整個自動化控制系統(tǒng)趨于模塊化，改變了傳統(tǒng)控制設(shè)計的習(xí)慣，使用了遠(yuǎn)程分站 I/O，提高了電氣設(shè)計的靈活性、可應(yīng)用性和高效性。

(4)開放式工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù) EtherNet/IP 的選用 EtherNet/IP 技術(shù)[7]采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)芯片，在應(yīng)用層采用開放協(xié)議 CIP，通過采用 TCP/IP 實現(xiàn)一般信息發(fā)送，采用 UDP/IP 實現(xiàn)實時發(fā)送，能夠滿足實時工業(yè)控制要求。同等條件下，EtherNet/IP 系統(tǒng)通信的吞吐量是某些典型主從式工業(yè)以太網(wǎng)的 3 倍以上，實現(xiàn)了與集散控制系統(tǒng)的無縫對接。

(5)實時監(jiān)控和故障報警記憶功能 通過人機(jī)界面可以實時監(jiān)控磨機(jī)運行數(shù)據(jù)，一旦磨機(jī)在運行中出現(xiàn)故障報警，可通過故障報警記憶功能迅速找出原因，并能根據(jù)故障性質(zhì)及時排除故障，保證磨礦段的連續(xù)生產(chǎn)，大大提高電控系統(tǒng)的可靠性。

(6)急停按鈕的配備 電控柜上和重要設(shè)備旁均設(shè)有故障急停按鈕，當(dāng)設(shè)備或過程控制出現(xiàn)異常情況時，可按下急停按鈕迅速切斷所控工藝段所有設(shè)備的總動力電源，以保證人身、設(shè)備的安全。所有故障信號均進(jìn)入 PLC，PLC 應(yīng)對故障信號做出反應(yīng)，立即發(fā)出聲光指示燈報警，并在監(jiān)控機(jī)上彈出故障按鈕的位置提示，同時向相關(guān)系統(tǒng)發(fā)出報警信息。

(7)UPS 不間斷電源的使用 為了防止磨機(jī)電控系統(tǒng)所用電源突然斷電后，相關(guān)的控制系統(tǒng)失去原有的監(jiān)控作用，丟失部分重要信息，而影響控制系統(tǒng)的運行，需要配置 UPS 不間斷電源，以保證當(dāng)遇到故障突然停電時，控制系統(tǒng)仍然能夠保持正常的工作狀態(tài)。

3.2 硬件設(shè)計

根據(jù)工藝要求，磨機(jī)自動化控制系統(tǒng)由中央控制室的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和 4 個現(xiàn)場控制站組成，整個控制系統(tǒng)采用由工控機(jī)和以羅克韋爾公司生產(chǎn)的 PLC為核心控制器構(gòu)成的分散集中控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)集控制、數(shù)據(jù)采集為一體，完成整個磨礦段的過程控制、工藝流程顯示、設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測及故障報警。為了實現(xiàn)與整個磨礦集散自動化系統(tǒng) (DCS)的無縫對接，選用了支持開放式工業(yè)以太網(wǎng)的 EtherNet/IP 協(xié)議，該協(xié)議具有大吞吐量、高性能實時控制等特點。以球磨機(jī)自動化控制系統(tǒng)為例，整個控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

3.3 軟件設(shè)計

(1)中間控制層 PLC 程序設(shè)計 根據(jù)磨機(jī)生產(chǎn)、安全、系統(tǒng)工藝控制要求以及硬件部分的設(shè)計和選型，對磨機(jī)控制系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行設(shè)計。其控制工藝流程如圖 3 所示。當(dāng)磨機(jī)啟動命令發(fā)出后，應(yīng)先啟動磨機(jī)潤滑系統(tǒng)、電動機(jī)潤滑系統(tǒng)和電動機(jī)風(fēng)機(jī)設(shè)備，并檢測油流、壓力、液位和溫度等信號是否正常，如果出現(xiàn)報警或故障信息，操作人員可按照觸摸屏上的指示進(jìn)行報警或故障排除。

圖2 磨機(jī)自動化控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of automation control system of mill

圖3 雙驅(qū)磨機(jī)控制工藝流程Fig.3 Control process of dual-drive mill

(2)上位機(jī)畫面部分設(shè)計 該部分主要對磨機(jī)系統(tǒng)主畫面、油站系統(tǒng)畫面、報警畫面及故障畫面等進(jìn)行設(shè)計，通過監(jiān)控畫面可以對磨機(jī)運行的各部分?jǐn)?shù)據(jù)、運行狀態(tài)、報警故障等信息進(jìn)行顯示，為操作人員及技術(shù)維護(hù)人員提供一定的數(shù)據(jù)支持，對設(shè)備運行狀況進(jìn)行分析判斷。

4 應(yīng)用

目前，基于 ABB ACS6000 高壓變頻器和 PLC 的變頻調(diào)速雙驅(qū)同步磨機(jī)電控系統(tǒng)已在南美厄瓜多爾米拉多銅礦廠里的 2 臺φ11 m×5.4 m 半自磨機(jī)和 2臺φ7.9 m×13.6 m 球磨機(jī)上得到了應(yīng)用，構(gòu)成了 2 套粉磨系統(tǒng)。此套變頻電控系統(tǒng)的功能得到了很好的體現(xiàn)，其中傳動系統(tǒng)的重載軟啟動和平滑停車的速度曲線如圖 4 所示，可以看出磨機(jī)在啟動和停車過程中非常平穩(wěn)、平滑，對電網(wǎng)的沖擊小，從一定程度上避免了機(jī)械上的磨損與碰撞，延長了小齒輪和大齒圈的使用壽命。

圖4 軟啟動和平滑停車的速度曲線Fig.4 Speed curve of soft start and smooth stop

防板結(jié)功能的速度和轉(zhuǎn)矩曲線如圖 5 所示，可以看出，變頻器通過轉(zhuǎn)矩疊加的形式輸出，驅(qū)動磨機(jī)產(chǎn)生一定的剪切力來抖開板結(jié)的物料，從而避免了板結(jié)的物料下落對磨機(jī)筒體襯板造成傷害。

圖5 防板結(jié)功能的速度和轉(zhuǎn)矩曲線Fig.5 Speed and torque curve of frozen charge remove function

自動化控制系統(tǒng)的上位機(jī)狀態(tài)監(jiān)控畫面如圖 6 所示，可實時顯示系統(tǒng)中所有的重要參數(shù)。通過主畫面可以清晰地看到磨機(jī)運行的工作狀態(tài)和各部分設(shè)備的運行狀況，并以不同顏色加以區(qū)分，方便觀察和記錄。

南美厄瓜多爾米拉多銅礦廠里的 2 套粉磨系統(tǒng)經(jīng)過一年多的運行，雙驅(qū)同步磨機(jī)電控系統(tǒng)使用狀況良好，不僅各項指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計和生產(chǎn)工藝要求，而且還有效提高了設(shè)備的運轉(zhuǎn)率和可靠性，大大縮短了維護(hù)時間，僅單套產(chǎn)量就提高了 0.15～0.2 t/h，2 套粉磨系統(tǒng)共提產(chǎn)了 0.4 t/h，每年新增產(chǎn)量 2 376 t，以2019 年銅價 4.5 萬元/t 計算，年新增銷售額達(dá)到 54 萬元，為用戶帶來了極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

5 結(jié)語

圖6 上位機(jī)狀態(tài)監(jiān)控主畫面Fig.6 Monitoring interface for master computer state

基于 ABB ACS6000 高壓變頻器和 PLC 設(shè)計的變頻調(diào)速雙驅(qū)同步磨機(jī)電控系統(tǒng)，從設(shè)計思路和功能實現(xiàn)上都具有一定的先進(jìn)性，與傳統(tǒng)的采用 GE Quadramatic 驅(qū)動系統(tǒng)的雙驅(qū)磨機(jī)相比具有以下優(yōu)點：無需配置空氣離合器，縮減了維護(hù)時間和成本；磨機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，提升了粉磨效益；雙驅(qū)負(fù)載平衡功能，減少了對小齒輪造成的損害；可控停車功能擺脫了大小齒之間的反復(fù)碰撞。通過實際運行證明，變頻調(diào)速雙驅(qū)同步磨機(jī)電控系統(tǒng)具有節(jié)能減耗、運行穩(wěn)定、易于維護(hù)和安全可靠的特性，為用戶大大縮減了維護(hù)時間和成本。

在南美厄瓜多爾米拉多銅礦廠項目的成功應(yīng)用，標(biāo)志著中信重工機(jī)械股份有限公司在特大型、重載磨機(jī)的傳動、控制領(lǐng)域得到了重大的突破，使公司產(chǎn)品更具有市場競爭力和影響力，為國產(chǎn)礦用磨機(jī)裝備技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗。