吳新民，王希娟

1中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

2洛陽師范學院物理與電子信息學院 河南洛陽 471934

立式輥磨機作為碾壓粉磨重型設(shè)備已廣泛應(yīng)用于冶金、建材等行業(yè)，在工藝生產(chǎn)線上起著關(guān)鍵的作用[1]。立式輥磨機運行時，傳動裝置將電動機輸出動力轉(zhuǎn)化為低速大轉(zhuǎn)矩動力的同時，又要對磨輥碾壓磨盤產(chǎn)生的垂直載荷進行支撐。對于立式輥磨機來說，傳動裝置的可靠性直接影響著立式輥磨機的正常運行，因此其傳動裝置的可靠控制和保護就顯得尤為重要。傳統(tǒng)立式輥磨機傳動裝置的控制大致分為兩種情況：一是作為立式輥磨機控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)，由立式輥磨機的控制系統(tǒng)來控制；二是作為工藝控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)，由工藝控制系統(tǒng)來控制。因無專屬配套控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)立式輥磨機傳動裝置的調(diào)試周期較長，維護不方便，使用后期設(shè)備的升級換代、整體換型也受到一定程度的限制。基于上述原因，設(shè)計開發(fā)一套立式輥磨機傳動裝置配套控制系統(tǒng)非常必要。

1 立式輥磨機傳動裝置的組成

立式輥磨機傳動裝置由齒輪箱、液壓潤滑系統(tǒng)等組成，液壓潤滑系統(tǒng)又分為低壓潤滑和高壓液壓兩部分。

1.1 齒輪箱

齒輪箱為重型螺旋圓錐齒輪和兩級行星齒輪傳動。電動機動力由螺旋圓錐齒輪副、內(nèi)部花鍵傳到第一級行星齒輪副，經(jīng)第一級行星齒輪轉(zhuǎn)架輸出到第二級行星齒輪副，第二級行星齒輪轉(zhuǎn)架與靜壓滑塊支撐的推力盤相連，推力盤帶動立式輥磨機磨盤轉(zhuǎn)動，完成動力輸出[2]。齒輪箱過程及儀表如圖 1 所示。

圖1 齒輪箱過程及儀表Fig.1 Gearbox process and instrument

1.2 液壓潤滑系統(tǒng)

1.2.1 低壓潤滑部分

液壓潤滑系統(tǒng)中的低壓潤滑部分由低壓油泵、低壓油泵電動機、雙筒過濾器、水冷卻器、溢流閥、截止閥、流量控制器、循環(huán)過濾泵、循環(huán)過濾泵電動機及過濾器等組成。低壓潤滑原理如圖 2 所示。低壓潤滑部分工作時，低壓油泵從齒輪箱下油箱吸油，經(jīng)過截止閥 6 進入低壓油泵，低壓油從低壓油泵輸出進入雙筒過濾器 3 過濾。雙筒過濾器前設(shè)有溢流閥 5，當?shù)蛪河陀蛪焊哂谝缌鏖y設(shè)定值時，溢流閥打開，低壓油經(jīng)溢流閥流回齒輪箱下油箱，保護了低壓油泵和雙筒過濾器；低壓油油壓正常時，低壓油經(jīng)雙筒過濾器過濾后進入水冷卻器 4，經(jīng)水冷卻器調(diào)溫后進入流量控制器 7，之后低壓油分為兩路，一路到齒輪箱各軸承、齒輪潤滑部位，對設(shè)備進行潤滑，另一路到高壓液壓部分。

圖2 液壓潤滑系統(tǒng)低壓潤滑原理Fig.2 Low-pressure lubrication principle of hydraulic lubrication system

液壓潤滑系統(tǒng)工作時，隨著低壓油泵的運行，循環(huán)過濾泵也要運行。循環(huán)過濾泵工作時從齒輪箱下油箱吸油，經(jīng)截止閥 13 進入循環(huán)過濾泵，循環(huán)過濾泵輸出的低壓油經(jīng)過濾器過濾后返回齒輪箱下油箱。在循環(huán)過濾泵和過濾器之間設(shè)有溢流閥，當循環(huán)過濾泵出口油壓高于溢流閥設(shè)定值時，溢流閥打開，低壓油經(jīng)溢流閥流回齒輪箱下油箱，保護了循環(huán)過濾泵和過濾器[3]。

1.2.2 高壓液壓部分

液壓潤滑系統(tǒng)中的高壓液壓部分由 4 臺高壓油泵、4 臺高壓油泵電動機、16 個溢流閥和 16 個壓力傳感器等組成。高壓液壓原理如圖 3 所示。每臺高壓油泵有 4 路輸出，16 路輸出管路上都設(shè)有溢流閥，為高壓部分提供了可靠的保護。高壓液壓部分為恒流式液壓系統(tǒng)，每臺高壓油泵恒定輸出 4 路高壓油分別進入各自的瓦塊油囊，形成靜壓潤滑油膜頂起磨盤載荷。油膜壓力隨磨盤載荷大小自我調(diào)節(jié)，只有在低壓油泵運行且低壓油流量正常的情況下，液壓潤滑系統(tǒng)高壓液壓部分的 4 臺高壓油泵才可運行。

圖3 液壓潤滑系統(tǒng)高壓液壓原理Fig.3 High-pressure hydraulic principle of hydraulic lubrication system

2 傳動裝置控制系統(tǒng)的功能

根據(jù)立式輥磨機傳動裝置的工作原理及使用要求，其控制系統(tǒng)控制功能如下。

(1)操作和運行方式 控制系統(tǒng)具有單機調(diào)試和自動運行 2 種運行方式；操作方式有現(xiàn)場操作和中控操作。單機調(diào)試時，立式輥磨機傳動裝置內(nèi)的電加熱器、低壓油泵電動機、循環(huán)過濾泵電動機、高壓油泵電動機應(yīng)能單獨操作；自動運行時，上述設(shè)備應(yīng)按控制邏輯自動運行。

(2)齒輪箱下油箱油溫控制 液壓潤滑系統(tǒng)運行前，控制系統(tǒng)通過齒輪箱底部電加熱器、齒輪箱下油箱溫度傳感器對齒輪箱下油箱的油溫進行控制，使其穩(wěn)定在正常設(shè)定值范圍內(nèi)。下油箱油溫低于設(shè)定值時，控制系統(tǒng)自動啟動電加熱器；高于正常設(shè)定值時電加熱器停止工作。

(3)液壓潤滑系統(tǒng)的邏輯控制 控制系統(tǒng)自動運行時，滿足以下條件后，低壓潤滑部分備妥：①低壓潤滑部分的 3 個截止閥處于打開狀態(tài)；② 齒輪箱下油箱油溫處于正常設(shè)定值范圍內(nèi)；③低壓油泵電動機、循環(huán)過濾泵電動機處于待開啟狀態(tài)。高壓液壓部分 4 臺高壓油泵電動機處于待開啟狀態(tài)時高壓液壓部分備妥。低壓潤滑部分和高壓液壓部分都備妥后，控制系統(tǒng)應(yīng)有備妥信號顯示和輸出。啟動命令發(fā)出后，低壓油泵電動機開始運行。隨著低壓油泵電動機的運行，循環(huán)過濾泵電動機也將啟動運行，經(jīng)過一段時間后，若低壓油流量正常，4 臺高壓油泵電動機同時啟動，液壓潤滑系統(tǒng)進入運行狀態(tài)。

(4)低壓潤滑部分儀表檢測及控制 為了實時監(jiān)測液壓潤滑系統(tǒng)低壓潤滑部分的運行狀況，控制系統(tǒng)在低壓潤滑部分的雙筒過濾器和過濾器上分別安裝了壓差開關(guān)，用于監(jiān)測雙筒過濾器和過濾器的狀態(tài)；在 3 個截止閥上分別安裝了檢測開關(guān)，用于監(jiān)測截止閥的狀態(tài)；在流量控制器上安裝了流量傳感器，用于監(jiān)測低壓油流量。低壓潤滑部分運行時，若雙筒過濾器、過濾器上的壓差開關(guān)動作，控制系統(tǒng)應(yīng)有相應(yīng)的報警。隨著低壓油泵的運行，低壓油流量逐漸升高，系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，流量傳感器檢測值應(yīng)大于低壓油流量低設(shè)定值；若小于低壓油流量低設(shè)定值，控制系統(tǒng)判斷液壓潤滑系統(tǒng)低壓潤滑部分異常，則發(fā)出相應(yīng)的故障信號。

(5)高壓液壓部分儀表檢測及控制 控制系統(tǒng)在液壓潤滑系統(tǒng)高壓液壓部分的 16 個高壓管路的輸出端分別設(shè)立了 16 個壓力傳感器，用于監(jiān)測高壓液壓部分及 16 個推力瓦塊的狀態(tài)。高壓油泵運行，若 16 個推力瓦塊在同一水平面上，應(yīng)承受相同的載荷，其油囊壓力應(yīng)相等，高壓管路的壓力檢測值應(yīng)相等。設(shè)備運行過程中若某一個高壓管路的壓力降低至低于高壓油壓低設(shè)定值，控制系統(tǒng)將以此判斷該高壓油路異常，控制系統(tǒng)會實時發(fā)出故障信號。16 個高壓管路的壓力檢測值中的最大值與最小值的差值大于其設(shè)定值，控制系統(tǒng)將判定 16 個推力瓦塊的水平度發(fā)生了異常，同時發(fā)出相應(yīng)的故障信號。

(6)齒輪箱儀表檢測及控制 齒輪箱檢測儀表有：輸入軸溫度傳感器、下油箱溫度傳感器、上油箱溫度傳感器、靜壓滑塊軸承溫度傳感器和振動傳感器(見圖 1)。正常情況下，隨著設(shè)備的運行，齒輪箱輸入軸溫度、上油箱油溫、靜壓滑塊軸承溫度會逐漸上升，最終達到一個熱平衡。設(shè)備運行過程中若上述溫度超過其相應(yīng)的溫度設(shè)定值，說明系統(tǒng)異常，控制系統(tǒng)會發(fā)出相應(yīng)的故障信號。設(shè)備正常運行時，振動傳感器檢測值應(yīng)在設(shè)定值范圍內(nèi)，若超過設(shè)定值，控制系統(tǒng)會發(fā)出相應(yīng)的故障信號。

(7)外部聯(lián)鎖 液壓潤滑系統(tǒng)運行正常，控制系統(tǒng)無故障，控制系統(tǒng)為主電動機提供“允許主電動機啟動”信號。主電動機運行后，液壓潤滑系統(tǒng)運行正常信號消失，或控制系統(tǒng)有故障信號，“允許主電動機啟動”信號消失，主電動機停止工作。

(8)控制系統(tǒng)通信 控制系統(tǒng)可以通過無源干接點或通信總線與中控系統(tǒng)通信。

綜上所述，立式輥磨機傳動裝置控制系統(tǒng)檢測點較多，設(shè)定值較多，控制邏輯復(fù)雜。為了滿足系統(tǒng)控制要求，同時考慮系統(tǒng)的實時性、可靠性等，該控制系統(tǒng)采用可編程序控制器 (PLC)控制，采用觸摸屏實現(xiàn)人機對話[4]。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

立式輥磨機傳動裝置控制系統(tǒng)的控制內(nèi)容包括：液壓潤滑系統(tǒng)的 1 臺低壓油泵電動機、1 臺循環(huán)過濾泵電動機和 4 臺高壓油泵電動機的控制，齒輪箱底部電加熱器的控制及儀表的檢測及控制等?？刂葡到y(tǒng)控制點數(shù)為：28 個標準模擬量輸入信號、58 個開關(guān)量輸入信號及 28 個開關(guān)量輸出信號。

立式輥磨機傳動裝置控制系統(tǒng)選用西門子 S7-300 系列 PLC 作為控制器，以西門子 MP277、10 英寸觸摸屏作人機界面[5]。立式輥磨機傳動裝置控制系統(tǒng)的中央控制器選用 CPU315-2DP。該 CPU 內(nèi)置 2個串口：第一個串口支持多點接口協(xié)議，采用 MPI協(xié)議與 MP277 觸摸屏通信；第二個串口支持 Profibus DP 協(xié)議與中控系統(tǒng)通信。CPU 外部接口選用 5 塊 8通道模擬量輸入模塊，用于采集系統(tǒng)內(nèi)的溫度、壓力、流量等標準模擬量信號；選用 2 塊 32 位數(shù)字量輸入模塊，用于主令開關(guān)、設(shè)備狀態(tài)、開關(guān)儀表狀態(tài)的輸入；選用 1 塊 32 位數(shù)字量輸出模塊，用于設(shè)備的驅(qū)動、系統(tǒng)狀態(tài)輸出。其硬件配置如圖 4 所示。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

立式輥磨機傳動裝置控制系統(tǒng)采用西門子 Step7編程軟件完成程序設(shè)計?？刂瞥绦蛑饕ㄒ韵聝?nèi)容：

(1)溫度、壓力、流量等標準模擬量信號量化、處理等 溫度、壓力、流量等傳感器輸出信號為標準模擬量信號，通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字量信號進入 CPU。編程開始時，將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為十進制數(shù)后，可使編程工作變得簡單，程序通俗易懂。

(2)齒輪箱下油箱油溫控制 控制系統(tǒng)自動運行時，根據(jù)齒輪箱下油箱溫度傳感器檢測數(shù)據(jù)，控制齒輪箱底部電加熱器運行，使齒輪箱下油箱油溫維持在 30～35 ℃ 的范圍內(nèi)。

(3)低壓油泵電動機、循環(huán)過濾泵電動機及高壓油泵電動機的邏輯控制 齒輪箱下油箱油溫高于溫度設(shè)定值，低壓油泵電動機、循環(huán)過濾泵電動機、高壓油泵電動機處于待開啟狀態(tài)，控制系統(tǒng)備妥。這時若發(fā)出啟動命令，低壓油泵電動機運行，循環(huán)過濾泵電動機也將啟動運行。低壓油泵電動機運行一段時間后，若低壓油流正常，4 臺高壓油泵電動機將同時啟動。

(4)系統(tǒng)報警及故障判斷 控制系統(tǒng)自動運行時，CPU 實時檢測控制儀表的傳輸數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)超出設(shè)定范圍時，控制系統(tǒng)將會發(fā)出報警和故障輸出。系統(tǒng)主要的報警和故障判斷如下：低壓泵運行時，低壓油流量小于 600 L/min 報警，小于 500 L/min 故障；齒輪箱振動值大于 5 mm/s 報警，大于 6.5 mm/s 故障；齒輪箱輸入軸溫度大于 75 ℃ 報警，大于 80 ℃ 故障；齒輪箱上油箱油溫大于 65 ℃ 報警，大于 75 ℃ 故障；高壓油壓小于 1 MPa 報警，小于 0.8 MPa 故障；相鄰油管高壓油壓差值大于 2 MPa 報警，大于 4 MPa 故障。

(5)外部聯(lián)鎖邏輯處理及輸出 液壓潤滑系統(tǒng)運行正常，控制系統(tǒng)無故障，允許主電動機啟動；反之主電動機跳停?？刂葡到y(tǒng)邏輯功能如圖 5 所示。

4.2 控制系統(tǒng)上位機畫面設(shè)計

立式輥磨機傳動裝置控制系統(tǒng)通過西門子Winccflexible 編程軟件完成人機界面設(shè)計，通過人機界面實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀況，了解控制系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)[6]，主要包括主畫面、狀態(tài)畫面、報警畫面、故障畫面、設(shè)定值畫面和趨勢畫面等。主畫面包含了立式輥磨機傳動裝置控制系統(tǒng)的全部綜合信息，如圖 6所示。

圖4 控制系統(tǒng)硬件配置Fig.4 Hardware configuration of control system

圖5 控制系統(tǒng)邏輯功能圖Fig.5 Logic function of control system

通過主畫面內(nèi)的導航按鈕可依次進入狀態(tài)畫面、報警畫面、故障畫面、設(shè)定值畫面和趨勢畫面。狀態(tài)畫面顯示了低壓油泵電動機和循環(huán)過濾泵電動機、高壓油泵電動機和電加熱器等設(shè)備的狀態(tài)；報警畫面、故障畫面分別顯示了控制系統(tǒng)內(nèi)所有報警信息和故障信息；設(shè)定值畫面中對各設(shè)定值分配了輸入域，通過相應(yīng)的輸入域可以對立式輥磨機傳動裝置控制系統(tǒng)的運行參數(shù)進行修改；趨勢畫面中顯示了立式輥磨機傳動裝置控制系統(tǒng)中主要壓力、流量、溫度等控制參數(shù)的歷史趨勢。通過上述畫面既可以直觀顯示立式輥磨機傳動裝置控制系統(tǒng)的狀態(tài)和信息，又可以將設(shè)定值寫入系統(tǒng)，實現(xiàn)人機對話。

圖6 人機界面主畫面Fig.6 Main screen of human-machine interface

5 結(jié)語

采用“PLC+觸摸屏”控制技術(shù)設(shè)計的立式輥磨機傳動裝置控制系統(tǒng)已在國內(nèi)外多個生產(chǎn)現(xiàn)場使用。使用后證明：該控制系統(tǒng)可靠性高，抗干擾能力強，使用簡單，維護方便，滿足了設(shè)備控制要求及工藝使用要求。該控制系統(tǒng)的成功運行為立式輥磨機的發(fā)展起到了積極的推動作用。