一種立式輥磨機傳動裝置控制系統的研究及設計

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備已廣泛應用于冶金、建材等行業，在工藝生產線上起著關鍵的作用[1]。立式輥磨機運行時，傳動裝置將電動機輸出動力轉化為低速大轉矩動力的同時，又要對磨輥碾壓磨盤產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的子系統，由立式輥磨機的控制系統來控制；二是作為工藝控制系統的子系統，由工藝控制系統來控制。因無專屬配套控制系統，傳統立式輥磨機傳動裝置的調試周期較長，維護不方便，使用后期設備的升級換代、整體換型也受到一定程度的限制。基于上述原因，設計開發一套立式輥磨機傳動裝置配套控制系統非常必要。

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、液壓潤滑系統等組成，液壓潤滑系統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、內部花鍵傳到第一級行星齒輪副，經第一級行星齒輪轉架輸出到第二級行星齒輪副，第二級行星齒輪轉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

1.2.1 低壓潤滑部分

液壓潤滑系統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、循環過濾泵、循環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。雙筒過濾器前設有溢流閥 5，當低壓油油壓高于溢流閥設定值時，溢流閥打開，低壓油經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，低壓油經雙筒過濾器過濾后進入水冷卻器 4，經水冷卻器調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，對設備進行潤滑，另一路到高壓液壓部分。

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

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

1.2.2 高壓液壓部分

液壓潤滑系統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，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節，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 傳動裝置控制系統的功能

根據立式輥磨機傳動裝置的工作原理及使用要求，其控制系統控制功能如下。

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

(2)齒輪箱下油箱油溫控制 液壓潤滑系統運行前，控制系統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，使其穩定在正常設定值范圍內。下油箱油溫低于設定值時，控制系統自動啟動電加熱器；高于正常設定值時電加熱器停止工作。

(3)液壓潤滑系統的邏輯控制 控制系統自動運行時，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；② 齒輪箱下油箱油溫處于正常設定值范圍內；③低壓油泵電動機、循環過濾泵電動機處于待開啟狀態。高壓液壓部分 4 臺高壓油泵電動機處于待開啟狀態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，控制系統應有備妥信號顯示和輸出。啟動命令發出后，低壓油泵電動機開始運行。隨著低壓油泵電動機的運行，循環過濾泵電動機也將啟動運行，經過一段時間后，若低壓油流量正常，4 臺高壓油泵電動機同時啟動，液壓潤滑系統進入運行狀態。

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

(5)高壓液壓部分儀表檢測及控制 控制系統在液壓潤滑系統高壓液壓部分的 16 個高壓管路的輸出端分別設立了 16 個壓力傳感器，用于監測高壓液壓部分及 16 個推力瓦塊的狀態。高壓油泵運行，若 16 個推力瓦塊在同一水平面上，應承受相同的載荷，其油囊壓力應相等，高壓管路的壓力檢測值應相等。設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定值，控制系統將以此判斷該高壓油路異常，控制系統會實時發出故障信號。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定值，控制系統將判定 16 個推力瓦塊的水平度發生了異常，同時發出相應的故障信號。

(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。設備運行過程中若上述溫度超過其相應的溫度設定值，說明系統異常，控制系統會發出相應的故障信號。設備正常運行時，振動傳感器檢測值應在設定值范圍內，若超過設定值，控制系統會發出相應的故障信號。

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

(8)控制系統通信 控制系統可以通過無源干接點或通信總線與中控系統通信。

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

3 控制系統硬件設計

立式輥磨機傳動裝置控制系統的控制內容包括：液壓潤滑系統的 1 臺低壓油泵電動機、1 臺循環過濾泵電動機和 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。控制系統控制點數為：28 個標準模擬量輸入信號、58 個開關量輸入信號及 28 個開關量輸出信號。

立式輥磨機傳動裝置控制系統選用西門子 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的中央控制器選用 CPU315-2DP。該 CPU 內置 2個串口：第一個串口支持多點接口協議，采用 MPI協議與 MP277 觸摸屏通信；第二個串口支持 Profibus DP 協議與中控系統通信。CPU 外部接口選用 5 塊 8通道模擬量輸入模塊，用于采集系統內的溫度、壓力、流量等標準模擬量信號；選用 2 塊 32 位數字量輸入模塊，用于主令開關、設備狀態、開關儀表狀態的輸入；選用 1 塊 32 位數字量輸出模塊，用于設備的驅動、系統狀態輸出。其硬件配置如圖 4 所示。

4 控制系統軟件設計

4.1 控制系統程序設計

立式輥磨機傳動裝置控制系統采用西門子 Step7編程軟件完成程序設計?？刂瞥绦蛑饕ㄒ韵聝热荩?/p>

(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/數轉換器轉為數字量信號進入 CPU。編程開始時，將數字量轉化為十進制數后，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 控制系統自動運行時，根據齒輪箱下油箱溫度傳感器檢測數據，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。

(3)低壓油泵電動機、循環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定值，低壓油泵電動機、循環過濾泵電動機、高壓油泵電動機處于待開啟狀態，控制系統備妥。這時若發出啟動命令，低壓油泵電動機運行，循環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)系統報警及故障判斷 控制系統自動運行時，CPU 實時檢測控制儀表的傳輸數據，當數據超出設定范圍時，控制系統將會發出報警和故障輸出。系統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)外部聯鎖邏輯處理及輸出 液壓潤滑系統運行正常，控制系統無故障，允許主電動機啟動；反之主電動機跳停?？刂葡到y邏輯功能如圖 5 所示。

4.2 控制系統上位機畫面設計

立式輥磨機傳動裝置控制系統通過西門子Winccflexible 編程軟件完成人機界面設計，通過人機界面實時監控系統運行狀況，了解控制系統實時數據[6]，主要包括主畫面、狀態畫面、報警畫面、故障畫面、設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的全部綜合信息，如圖 6所示。

圖4 控制系統硬件配置Fig.4 Hardware configuration of control system

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

通過主畫面內的導航按鈕可依次進入狀態畫面、報警畫面、故障畫面、設定值畫面和趨勢畫面。狀態畫面顯示了低壓油泵電動機和循環過濾泵電動機、高壓油泵電動機和電加熱器等設備的狀態；報警畫面、故障畫面分別顯示了控制系統內所有報警信息和故障信息；設定值畫面中對各設定值分配了輸入域，通過相應的輸入域可以對立式輥磨機傳動裝置控制系統的運行參數進行修改；趨勢畫面中顯示了立式輥磨機傳動裝置控制系統中主要壓力、流量、溫度等控制參數的歷史趨勢。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的狀態和信息，又可以將設定值寫入系統，實現人機對話。

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

5 結語

采用“PLC+觸摸屏”控制技術設計的立式輥磨機傳動裝置控制系統已在國內外多個生產現場使用。使用后證明：該控制系統可靠性高，抗干擾能力強，使用簡單，維護方便，滿足了設備控制要求及工藝使用要求。該控制系統的成功運行為立式輥磨機的發展起到了積極的推動作用。