大型立磨機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究

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、滑動軸承潤滑的控制對象、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方法，以及系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計方法。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)； 自動控制； 噪音檢測

能源是國民經(jīng)濟(jì)的命脈之所在，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國能源結(jié)構(gòu)中的供需矛盾日漸尖銳。據(jù)統(tǒng)計，在全國工業(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)能降耗成為了一個急需解決的問題。在礦產(chǎn)資源開發(fā)利用過程中，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)時掌握設(shè)備過程運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，而且對于設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。同時智能化操作運(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)控制主要分為自動檢測和自動運(yùn)行兩大部分。首先是對系統(tǒng)內(nèi)各個參數(shù)的檢測，其中主要包括電機(jī)電壓、電流、功耗、軸承溫度、潤滑油壓、振動等狀態(tài)參數(shù)；其次是自動運(yùn)行，根據(jù)實(shí)時參數(shù)檢測確定設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況并及時作出調(diào)整，主要包括主電機(jī)控制、減速機(jī)稀油站控制、滑動軸承自動潤滑控制。本文將對以上關(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)測和控制功能，主要包括：電壓、電流、功率實(shí)時顯示，主電機(jī)備妥信號提示，以及電機(jī)加熱器控制；

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

(3)稀油站自動潤滑控制，包括出口的油壓、油溫檢測和控制，以及油箱內(nèi)液位高低、油濾器壓差過大報警；

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

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

(6)立磨機(jī)主軸狀態(tài)監(jiān)測，包括軸溫、振動檢測和油位過低報警；

(7)數(shù)據(jù)管理功能，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場采集到的數(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)的動力中樞，其穩(wěn)定、可靠性運(yùn)行直接關(guān)系到整個工藝流程的通暢。其額定功率一般在300 kW以上，電壓等級為中、高壓6000 V或10 kV。電機(jī)主控回路單獨(dú)配置一臺啟動柜，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、三相電壓以及累計功耗監(jiān)測功能，實(shí)現(xiàn)對立磨機(jī)負(fù)荷和運(yùn)轉(zhuǎn)情況的在線檢測。

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，對此專門配置了電機(jī)加熱裝置。當(dāng)停機(jī)時間較長再準(zhǔn)備開機(jī)前，先要開啟電機(jī)加熱器一段時間，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。

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機(jī)的驅(qū)使下從送油管路輸送至潤滑降溫目標(biāo)區(qū)，然后再通過回油管路將油液用油濾器過濾后送回油箱。要實(shí)現(xiàn)對稀油站潤滑系統(tǒng)的控制，最為重要的兩個控制參數(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，水閥自動開啟，冷卻器投入工作，直到油溫恢復(fù)正常為止(如溫度降到40 ℃以下時電磁水閥自動關(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(如80 ℃)，立磨機(jī)系統(tǒng)將發(fā)出油溫過熱報警信號，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，油泵不能啟動，電加熱器自動運(yùn)行，對油液進(jìn)行加熱，直到達(dá)到正常工作油溫為止，油泵可以啟動。超過另一設(shè)定值時(如30 ℃)時，自動切斷電加熱器。

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

正常工作時，油泵一臺工作，一臺備用。當(dāng)檢測到出口油壓低于設(shè)定值(如0.2 MPa)時，備用泵自動開啟，與工作泵一起工作直到壓力正常(0.3 MPa)時，備用泵自動停止。若油壓繼續(xù)下降到另外一個設(shè)定值時(如0.15 MPa),立磨機(jī)系統(tǒng)將發(fā)出報警信號，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警液位開關(guān)，當(dāng)?shù)陀谟臀幌孪迺r，要求往油箱注油；當(dāng)高于油位上限時，停止往油箱注油。以及雙筒網(wǎng)式過濾器裝置，當(dāng)壓差大于一定值時(0.15 MPa)，需要更換或清洗濾芯。

3.3 滑動軸承潤滑控制

滑動軸承潤滑采用智能潤滑技術(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、定量潤滑。智能潤滑系統(tǒng)主要由主控制器、電動潤滑泵、電磁給油箱、檢測單元和潤滑油路組成。

(1)主控制器

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

(2)電動潤滑泵

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

電動潤滑泵配置稱重傳感器，通過該傳感器間接判斷儲脂筒內(nèi)油脂的重量，如油脂過少，則系統(tǒng)產(chǎn)生報警信號。

(3)電磁給油箱

電磁給油箱由信息識別器、過濾器、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互不關(guān)聯(lián)，任何一路堵塞都不會影響其他油路的正常工作。

信息識別器內(nèi)嵌微控芯片，接收主控制器通過modbus總線傳輸過來的控制指令信息，解析指令后向目標(biāo)潤滑點(diǎn)對應(yīng)的電磁給油器發(fā)出驅(qū)動信號。電磁給油器控制內(nèi)部柱塞的運(yùn)動來切換油路的通斷，油流傳感器利用霍爾傳感原理檢測柱塞運(yùn)動，反饋給油動作至PLC。一個電磁給油器配套一個油流傳感器，過濾器將來自給油管潤滑脂中夾帶的渣屑過濾，防止堵塞油路。

3.4 立磨機(jī)鋼球填充率檢測方法

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%，鋼球填充率過高不僅會減小筒體內(nèi)有效磨礦容積，而且會增大磨機(jī)的負(fù)荷；鋼球填充率過低則會降低磨機(jī)的磨礦效率，現(xiàn)有檢測立磨機(jī)加球量的主要方法是有功功率法，已經(jīng)應(yīng)用在國內(nèi)、外很多立磨機(jī)上，但是存在檢測誤差偏大問題?？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，鋼球與鋼球間以及鋼球與筒體間撞擊會增大，發(fā)出的聲音頻率會變高，聲強(qiáng)也增大；當(dāng)立磨機(jī)內(nèi)鋼球量少時，立磨機(jī)發(fā)出的聲音頻率會降低，聲強(qiáng)也會減弱，所以音頻分析方法可以用于檢測磨機(jī)內(nèi)鋼球填充率。

通過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 鋼球填充率檢測方法

通過音頻傳感器獲取立磨機(jī)工作時內(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)，通過數(shù)據(jù)分析軟件對噪音數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號處理，將獲取的立磨機(jī)工作時的聲音中夾雜的環(huán)境噪聲濾掉，確保檢測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

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)檢測到立磨機(jī)內(nèi)鋼球量較少時，可以自動或手動補(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

(1)硬件設(shè)計：在綜合考慮各因素后，系統(tǒng)選用了德國西門子公司提供的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，通過音頻傳感器檢測磨機(jī)內(nèi)的鋼球填充率；液位變送器對立磨機(jī)油站內(nèi)的油位進(jìn)行檢測；振動加速度變送器檢測主軸的振動；溫度變送器對潤滑油溫度進(jìn)行檢測；壓力變送器對潤滑油的壓力進(jìn)行檢測；電壓、電流、功率變送器則對驅(qū)動電機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測。而PLC控制器則對上述檢測到的數(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)程對立磨機(jī)的工作情況進(jìn)行監(jiān)測與控制，實(shí)現(xiàn)立磨機(jī)的遠(yuǎn)程自動控制。

(2)軟件設(shè)計：立磨機(jī)的軟件設(shè)計基于安全、穩(wěn)定、可靠、智能的控制要求，實(shí)現(xiàn)了多個回路的連鎖控制。其中包括：主軸故障信號與油位開關(guān)及主軸溫度信號連鎖；減速機(jī)軸承故障信號與輸入端、輸出端軸溫信號及振動信號連鎖；滑動軸承故障信號與軸承溫度信號連鎖；主電機(jī)故障信號與主電機(jī)電流、軸承溫度連鎖；主電機(jī)備妥信號與主軸故障、減速機(jī)軸承故障、稀油站重度故障、滑動軸承故障、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，電機(jī)備妥信號燈才會亮起，主電機(jī)才可以啟動。所有的溫度監(jiān)測信號都設(shè)計兩個閾值，當(dāng)監(jiān)測到的信號超過低閾值時觸發(fā)輕度報警，提醒注意設(shè)備安全，此時不會停機(jī)；當(dāng)監(jiān)測到的信號超過高閾值時會觸發(fā)重度報警，立磨機(jī)會自動停機(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

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、滑動軸承自動潤滑控制3個部分，并且控制系統(tǒng)對設(shè)備運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測，在多個回路實(shí)現(xiàn)了故障連鎖報警功能。當(dāng)運(yùn)行參數(shù)低于或超過設(shè)定的閾值時，控制系統(tǒng)能夠發(fā)出報警信號，故障嚴(yán)重時會自動停機(jī)，確保不對設(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，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)備自動控制研究設(shè)計及技術(shù)推廣工作。

TD453

A

1003-8884(2014)02-0001-05

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