變頻調速雙驅同步磨機電控系統的設計與應用

高海燕，馮京曉，周 威，韓高翔

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 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洛陽師范學院物理與電子信息學院 河南洛陽 471934

隨著磨機大型化的發展，在其傳動形式、自動化和智能化上都呈現出了多樣化的發展趨勢，如何保證磨機既能穩定運行，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的控制。大型磨機目前主要采用由 GE 公司提供的Quadramatic 雙驅磨機電氣控制系統，其傳動裝置采用2 個 GE 低速同步電動機＋氣動離合器＋小齒輪軸組共同驅動大齒輪，從而帶動磨機筒體旋轉。隨著電力電子技術、微電子技術的發展，交流變頻技術以其卓越的調速性能、顯著的節能效果而被廣泛應用到國民經濟各領域，也給傳統的磨機控制系統注入了新的活力，采用變頻器驅動磨機電控系統的開發和研究也備受人們關注。由中信重工機械股份有限公司推出的變頻調速雙驅同步磨機電氣控制系統的設計方案，不僅實現了磨機的重載軟啟動、調速運行、平滑停車、板結檢測和去除物料板結等功能，還實現了整個磨礦系統的過程控制、工藝流程顯示、設備運行狀態的監測及報警、故障信息的查詢等功能，在確保大型磨機平穩運行的同時，達到了降低能耗的目的，這也正是大型磨機控制發展的新方向[1-2]。

1 雙驅同步磨機電控系統的組成

雙驅同步磨機電控系統主要分為傳動系統和自動化控制系統兩部分：傳動系統電路主要是完成從進線端到電動機的合理配電，確保電動機啟動過程以及正常運行過程中安全平穩，滿足企業生產需求；自動化控制系統則是根據系統工藝控制要求，使執行層設備完成相應的工藝操作和執行動作，并具有對設備實時監控、保護設備安全的功能，以確保設備安全高效地運行。

2 傳動系統的設計

傳動系統設計主要根據磨機啟動、運行、生產需求以及主電動機的工作要求，完成電路設計和各部分動力回路設備及元器件的選型。

2.1 傳動系統的功能設計

(1)重載軟啟動功能 磨機屬于長期工作設備，低轉速恒轉矩負載，必須具有較高的過載能力及啟動轉矩，可實現電動機重負荷啟動的功能。

(2)平滑停車功能 能使磨機很平滑地進入停車位置，在該位置轉速和轉矩都為零，不會產生磨機筒體擺動現象，從而造成小齒輪和大齒圈的打齒撞擊。

(3)自動定位功能 可以根據現場工藝情況任意設置筒體的旋轉角度，進行自動定位控制。

(4)雙驅負載平衡功能 變頻器采用主從控制[3]，主機采用速度控制環，從機采用轉矩控制環，從機跟隨主機做轉矩控制，實現磨機啟停整個速度區間內 2個電動機軸之間的負載平衡功能。

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

(6)板結檢測功能 板結檢測系統通過分析筒體的旋轉角度和電動機的動態轉矩，經過板結檢測算法來判斷筒體內物料是否產生板結，若檢測到板結，變頻器會自動切換到防板結模式運行。

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

2.2 傳動系統主回路結構

磨機的傳動裝置采用 2 個低速無刷勵磁同步電動機直連 2 個小齒輪軸組來共同驅動大齒輪，從而帶動磨機筒體旋轉。傳動系統的一次側主回路如圖 1 所示，可知系統只能運行在變頻工作模式下。中壓開關柜提供現場 13.8 kV 進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，變頻器經過內部二極管整流和 IGCT[4]逆變后再經過無負荷隔離開關，同時驅動 2 臺額定電壓為 3 050 V 的無刷勵磁同步電動機運行，而勵磁控制器由變頻器輸出信號控制。變頻運行狀態下，操作人員可根據實際的工況實時調節磨機轉速。

圖1 傳動系統一次側主回路圖Fig.1 Primary circuit diagram of drive system

啟動變頻器，電動機開始工作，其輸出頻率從 0 Hz 逐步上升到磨機所需運行頻率，同時控制系統優化控制同步電動機勵磁控制器，使電動機功率因數趨近于 1，此時，變頻器的輸出電壓對應地也從 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載對啟動轉矩的特殊要求，其啟動轉矩可以達到磨機轉矩需要，確保啟動成功。

2.3 傳動系統的選型配置

變頻調速雙驅同步磨機傳動系統主要由中壓開關柜、整流變壓器、變頻器、無負荷隔離開關柜以及同步電動機等組成，具體的系統選型配置如表 1 所列。其中中壓開關柜、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繼電器，來保護變壓器和變壓器一次側電纜，并且能夠響應變壓器一次側繞組或一次側進線電纜的短路故障，同時能承受變壓器的沖擊電流，響應變壓器二次側繞組、二次側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 智能微機綜保。另外從安全角度考慮，中壓開關柜內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柜之間的聯鎖功能來保護變頻器，一旦變頻器發生故障，中壓開關柜立即斷開電源。

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

表1 傳動系統選型配置Tab.1 Configuration of drive system

3 自動化控制系統的設計

自動化控制系統是根據系統工藝控制要求來完成相應的硬件選型、組態及其程序設計，最終達到控制保護目標，使設備安全高效運行的目的。自動化控制系統設計主要分兩部分：硬件設計和軟件設計。硬件設計主要有低壓電動機控制柜、PLC 控制柜和遠程分站 IO 控制柜的設計；軟件設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監控層軟件 Factory Talk View 來實現對整個磨機系統的監控和數據采集。

3.1 自動化控制系統的功能要求

(1)多樣化的工作模式 可根據現場磨機操作柜上的就地/遠程選擇開關來選擇磨機的操作模式，還可根據現場輔機操作柜上的手動/自動選擇開關來選擇輔助設備的操作模式。一般情況下，輔機系統組啟和組停時選擇自動模式，檢修期間選擇手動模式。

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

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

(4)開放式工業以太網技術 EtherNet/IP 的選用 EtherNet/IP 技術[7]采用標準的以太網芯片，在應用層采用開放協議 CIP，通過采用 TCP/IP 實現一般信息發送，采用 UDP/IP 實現實時發送，能夠滿足實時工業控制要求。同等條件下，EtherNet/IP 系統通信的吞吐量是某些典型主從式工業以太網的 3 倍以上，實現了與集散控制系統的無縫對接。

(5)實時監控和故障報警記憶功能 通過人機界面可以實時監控磨機運行數據，一旦磨機在運行中出現故障報警，可通過故障報警記憶功能迅速找出原因，并能根據故障性質及時排除故障，保證磨礦段的連續生產，大大提高電控系統的可靠性。

(6)急停按鈕的配備 電控柜上和重要設備旁均設有故障急停按鈕，當設備或過程控制出現異常情況時，可按下急停按鈕迅速切斷所控工藝段所有設備的總動力電源，以保證人身、設備的安全。所有故障信號均進入 PLC，PLC 應對故障信號做出反應，立即發出聲光指示燈報警，并在監控機上彈出故障按鈕的位置提示，同時向相關系統發出報警信息。

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

3.2 硬件設計

根據工藝要求，磨機自動化控制系統由中央控制室的上位機監控系統和 4 個現場控制站組成，整個控制系統采用由工控機和以羅克韋爾公司生產的 PLC為核心控制器構成的分散集中控制系統。該控制系統集控制、數據采集為一體，完成整個磨礦段的過程控制、工藝流程顯示、設備運行狀態監測及故障報警。為了實現與整個磨礦集散自動化系統 (DCS)的無縫對接，選用了支持開放式工業以太網的 EtherNet/IP 協議，該協議具有大吞吐量、高性能實時控制等特點。以球磨機自動化控制系統為例，整個控制系統的硬件結構如圖 2 所示。

3.3 軟件設計

(1)中間控制層 PLC 程序設計 根據磨機生產、安全、系統工藝控制要求以及硬件部分的設計和選型，對磨機控制系統的軟件部分進行設計。其控制工藝流程如圖 3 所示。當磨機啟動命令發出后，應先啟動磨機潤滑系統、電動機潤滑系統和電動機風機設備，并檢測油流、壓力、液位和溫度等信號是否正常，如果出現報警或故障信息，操作人員可按照觸摸屏上的指示進行報警或故障排除。

圖2 磨機自動化控制系統硬件結構Fig.2 Hardware structure of automation control system of mill

圖3 雙驅磨機控制工藝流程Fig.3 Control process of dual-drive mill

(2)上位機畫面部分設計 該部分主要對磨機系統主畫面、油站系統畫面、報警畫面及故障畫面等進行設計，通過監控畫面可以對磨機運行的各部分數據、運行狀態、報警故障等信息進行顯示，為操作人員及技術維護人員提供一定的數據支持，對設備運行狀況進行分析判斷。

4 應用

目前，基于 ABB ACS6000 高壓變頻器和 PLC 的變頻調速雙驅同步磨機電控系統已在南美厄瓜多爾米拉多銅礦廠里的 2 臺φ11 m×5.4 m 半自磨機和 2臺φ7.9 m×13.6 m 球磨機上得到了應用，構成了 2 套粉磨系統。此套變頻電控系統的功能得到了很好的體現，其中傳動系統的重載軟啟動和平滑停車的速度曲線如圖 4 所示，可以看出磨機在啟動和停車過程中非常平穩、平滑，對電網的沖擊小，從一定程度上避免了機械上的磨損與碰撞，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

防板結功能的速度和轉矩曲線如圖 5 所示，可以看出，變頻器通過轉矩疊加的形式輸出，驅動磨機產生一定的剪切力來抖開板結的物料，從而避免了板結的物料下落對磨機筒體襯板造成傷害。

圖5 防板結功能的速度和轉矩曲線Fig.5 Speed and torque curve of frozen charge remove function

自動化控制系統的上位機狀態監控畫面如圖 6 所示，可實時顯示系統中所有的重要參數。通過主畫面可以清晰地看到磨機運行的工作狀態和各部分設備的運行狀況，并以不同顏色加以區分，方便觀察和記錄。

南美厄瓜多爾米拉多銅礦廠里的 2 套粉磨系統經過一年多的運行，雙驅同步磨機電控系統使用狀況良好，不僅各項指標均達到了設計和生產工藝要求，而且還有效提高了設備的運轉率和可靠性，大大縮短了維護時間，僅單套產量就提高了 0.15～0.2 t/h，2 套粉磨系統共提產了 0.4 t/h，每年新增產量 2 376 t，以2019 年銅價 4.5 萬元/t 計算，年新增銷售額達到 54 萬元，為用戶帶來了極大的經濟效益和社會效益。

5 結語

圖6 上位機狀態監控主畫面Fig.6 Monitoring interface for master computer state

基于 ABB ACS6000 高壓變頻器和 PLC 設計的變頻調速雙驅同步磨機電控系統，從設計思路和功能實現上都具有一定的先進性，與傳統的采用 GE Quadramatic 驅動系統的雙驅磨機相比具有以下優點：無需配置空氣離合器，縮減了維護時間和成本；磨機轉速可調，提升了粉磨效益；雙驅負載平衡功能，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碰撞。通過實際運行證明，變頻調速雙驅同步磨機電控系統具有節能減耗、運行穩定、易于維護和安全可靠的特性，為用戶大大縮減了維護時間和成本。

在南美厄瓜多爾米拉多銅礦廠項目的成功應用，標志著中信重工機械股份有限公司在特大型、重載磨機的傳動、控制領域得到了重大的突破，使公司產品更具有市場競爭力和影響力，為國產礦用磨機裝備技術的進一步發展提供了寶貴經驗。