礦用高壓輥磨機電控系統(tǒng)淺析

曲星宇 曹 鵬 劉 嘉 翟 飛

（北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110141）

礦用高壓輥磨機電控系統(tǒng)淺析

曲星宇 曹 鵬 劉 嘉 翟 飛

（北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110141）

礦用高壓輥磨機是新型粉磨設(shè)備，在金屬礦山礦石物料粉碎工藝流程中占據(jù)日益重要的作用，層壓破碎的破碎機理使其具有高效的生產(chǎn)效率，顯著節(jié)能特性等優(yōu)點。高壓輥磨機電氣系統(tǒng)輸入多，輸出多，控制精度要求高。通過西門子1200系列PLC，搭建高壓輥磨機自動控制系統(tǒng)，并采用西門子工業(yè)以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程DCS通信。本文簡單論述了礦用高壓輥磨機電氣系統(tǒng)構(gòu)建的一種可行方案。

高壓輥磨機；PLC；電氣控制；輥縫動態(tài)糾偏

礦用高壓輥磨機是在水泥用輥壓機基礎(chǔ)上研究開發(fā)的新型粉磨設(shè)備。由于其具有高效的生產(chǎn)效率、顯著的節(jié)能特性、維修方便以及工作環(huán)境好等優(yōu)點，在全世界范圍內(nèi)得到廣泛的發(fā)展應(yīng)用。20世紀(jì)90年代初，世界上工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，如美國、德國、俄羅斯、巴西等國家在選礦等工業(yè)領(lǐng)域中，已成功地應(yīng)用高壓輥磨機。高壓輥磨機電氣系統(tǒng)作為整機的重要一環(huán)，其設(shè)計的先進(jìn)性和可靠性將直接影響高壓輥磨機的使用和性能。

1.礦用高壓輥磨機歷史簡介

與在水泥行業(yè)取得的巨大成功相比較，高壓輥磨機在礦用加工領(lǐng)域發(fā)展的就沒那么一帆風(fēng)順了，礦用高壓輥磨機受諸多因素掣肘，發(fā)展緩慢。盡管如此，從1986年首次進(jìn)入金剛石礦業(yè)以來，高壓輥磨機就在礦物加工領(lǐng)域應(yīng)用得到長足的發(fā)展。

縱觀發(fā)展歷程，可將此新型粉磨設(shè)備25年的應(yīng)用進(jìn)展分劃為3個階段。

（1）20世紀(jì)80年代中期到90年代末期，高壓輥磨機首先在金剛石礦業(yè)和水泥行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用發(fā)展，而且逐漸成為行業(yè)生產(chǎn)流程中標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備配置。

（2）20世紀(jì)90年代中期到21世紀(jì)頭十年初期，在鐵礦加工領(lǐng)域的逐步推廣應(yīng)用與柱釘輥面技術(shù)的研發(fā)和改進(jìn)相互促進(jìn)，在黃金礦山和銅礦山實現(xiàn)半工業(yè)規(guī)模和工業(yè)規(guī)模的實驗性應(yīng)用。

（3）21世紀(jì)頭十年中期起，高壓輥磨機在有色和貴金屬礦山的硬質(zhì)礦石破碎流程中得到大規(guī)模的發(fā)展應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2009年底，全球范圍內(nèi)投入工業(yè)應(yīng)用的高壓輥磨機在鐵礦加工領(lǐng)域有50臺，在有色和貴金屬礦山用于硬質(zhì)礦石破碎的有35臺，在金剛石行業(yè)應(yīng)用也已超過35臺。

自20世紀(jì)90年代后期，高壓輥磨機在鐵礦石的加工領(lǐng)域得到應(yīng)用最多，包括鐵礦石的細(xì)碎與超細(xì)碎及鐵精礦球團(tuán)前的預(yù)處理。與傳統(tǒng)大型碎礦磨礦設(shè)備相比，高壓輥磨機具有處理量大、占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、粉碎能耗低、介質(zhì)消耗少等優(yōu)點。

2.礦用高壓輥磨機系統(tǒng)簡介

高壓輥磨技術(shù)的理論基礎(chǔ)為層壓粉碎，層壓粉碎是指大量顆粒受到高度的空間約束而集聚在一起，在強大外力作用下互相接觸、擠壓所形成的群體粉碎。高壓輥磨機電控系統(tǒng)以可編程控制器（PLC）為核心。在設(shè)備正常工作過程中，PLC通過位移傳感器，實時監(jiān)測活動輥與固定輥之間的距離和平行度，通過內(nèi)部邏輯算法，輸出控制指令保持兩輥水平度和距離都在系統(tǒng)設(shè)定范圍內(nèi)。高壓輥磨機潤滑站，液壓站內(nèi)置溫度傳感器，壓力傳感器以及一些電動執(zhí)行機構(gòu)，PLC通過這些傳感器實時監(jiān)控設(shè)備運行狀況。一旦出現(xiàn)與系統(tǒng)設(shè)定值不相符的偏差，PLC對電動執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制指令，對運行中的設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果PLC發(fā)出的指令沒有更改設(shè)備錯誤的運行狀態(tài)，PLC會發(fā)出報警或者停機信號，以實現(xiàn)對運行中設(shè)備的保護(hù)。

3.電氣系統(tǒng)構(gòu)成與原理

高壓輥磨機電氣系統(tǒng)由綜合控制柜、機旁操作盒、溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、加熱器、溫度開關(guān)、液位開關(guān)、換向電磁閥、冷卻電磁閥以及各工作電機等構(gòu)成。

開啟主電機前，控制系統(tǒng)通過分布在設(shè)備各處的傳感器和開關(guān)量報警點采集各個執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)信息，檢測系統(tǒng)是否滿足啟動條件。數(shù)據(jù)經(jīng)過PLC內(nèi)部程序處理，PLC可發(fā)出允許啟動和不允許啟動的信號。如果不允許啟動，操作人員可通過電控柜上嵌入的西門子觸摸屏查詢無法正常啟動的原因。在正常工作時，PLC接收設(shè)備傳感器和開關(guān)量報警點的信號，經(jīng)過內(nèi)部程序運算，輸出控制指令給各執(zhí)行機構(gòu)，保證設(shè)備平穩(wěn)運行。當(dāng)設(shè)備運行出現(xiàn)故障時，PLC立即控制聲光報警機構(gòu)發(fā)出報警信號，觸摸屏讀取PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)，顯示實時故障信息和歷史故障信息。操作人員可通過西門子觸摸屏瀏覽到設(shè)備運行參數(shù)，例如液壓站和潤滑站電機運行狀態(tài)、油箱溫度、系統(tǒng)壓力，輥縫的位移和差值等，根據(jù)監(jiān)測到數(shù)據(jù)，操作者可通過操作觸摸屏對PLC發(fā)出控制指令，以調(diào)整設(shè)備運行狀態(tài)，使其回歸正常。西門子PLC與觸摸屏是整個電控系統(tǒng)的核心，操作者通過觸摸屏既可掌握設(shè)備運行所有的信息又可根據(jù)顯示的信息，向PLC發(fā)出控制指令調(diào)整設(shè)備運行狀態(tài)。運用西門子高度發(fā)展集成的控制單元使礦用高壓輥磨機自動化程度更高，系統(tǒng)運行更穩(wěn)定，開環(huán)與閉環(huán)控制更精確，可操作性更強，操作者及維修人員判斷故障原因的過程更也更快捷，簡單。高壓輥磨機與DCS通信方式可分為硬連接和軟連接。硬連接為無源開關(guān)量常開點，軟連接選用西門子現(xiàn)場工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式。兩種連接方式并用大大減少單機與DCS通信故障的可能性，保證設(shè)備正常運行。

4.輥縫動態(tài)糾偏

高壓輥磨機的破碎單元為固定輥與活動輥。固定輥與活動輥相向轉(zhuǎn)動。物料經(jīng)過輥縫，活動輥兩側(cè)的推力油缸向活動輥施加巨大壓力，擠壓破碎物料?？刂葡到y(tǒng)對活動輥與固定輥之間的輥縫有很高的控制要求，同時對活動輥與固定輥的水平度要求也非常高。在實際工作的過程中，由于待破碎的物料物理特性的差異，輥縫處于實時變化的狀態(tài)，高壓輥磨機的控制系統(tǒng)通過實時調(diào)節(jié)推力油缸的壓力來調(diào)節(jié)輥縫，輥縫動態(tài)糾偏是高壓輥磨機自動控制的難點與核心。目前國內(nèi)對于輥縫動態(tài)糾偏控制工藝的研究還處于初級階段。

5.自動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)以可編程控制器PLC為核心，PLC采用西門子工業(yè)自動化生產(chǎn)線最新推出的1200系列產(chǎn)品。SIMATICS71200可編程控制器充分滿足中小型自動化系統(tǒng)的需求。西門子工業(yè)自動化在研發(fā)的過程中充分考慮了系統(tǒng)、控制器、人機界面和軟件的無縫整合和高效協(xié)調(diào)的需求。使用戶硬件組態(tài)與軟件編程的過程更簡單方便。1200系列PLC安裝簡單方便，端子可拆卸，結(jié)構(gòu)緊湊合理，節(jié)省空間，該系列PLC數(shù)據(jù)處理速度更快，集成度更高，擴展性更強。程序員了解設(shè)備生產(chǎn)工藝后通過梯形圖編寫程序語言，內(nèi)部控制程序通過接收到的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行運算，使用比較、置位、計時器等指令判斷設(shè)備運行情況。通過實時讀取的數(shù)據(jù)，PLC程序可判斷設(shè)備是否有發(fā)生故障的趨勢，如果有故障趨勢，PLC程序可控制相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行去故障操作，具有很強的自我糾正能力。當(dāng)系統(tǒng)檢測到無法糾正的故障時，也可以停機報警，保護(hù)設(shè)備安全。該控制邏輯既有閉環(huán)控制，又有開環(huán)控制，自動調(diào)節(jié)性強，可靠性高，可保證設(shè)備長期安全，平穩(wěn)的運行。

操作界面是人機交互的通道，是操作者獲取設(shè)備運行狀態(tài)，下達(dá)操作指令最重要的渠道。該礦用高壓輥磨機人機界面采用西門子精簡系列觸摸屏，觸摸屏交互程序基于西門子最新平臺博圖開發(fā)。

為了更好地區(qū)分主次，故將觸摸屏界面程序分為主界面與分界面。主界面將所有子系統(tǒng)的重要信息歸類到一起，輔以圖像元素使操作者更好地理解設(shè)備各個部分的功能。分界面是集成各個子系統(tǒng)的詳細(xì)信息，包括潤滑站操作界面、液壓站操作界面、輥縫界面、主電機界面、備妥信息界面、參數(shù)設(shè)置界面等。分界面的功能是啟動電機、電磁閥、加熱器等執(zhí)行機構(gòu)；顯示傳感器測得的工程量和設(shè)置報警故障范圍；顯示備妥狀態(tài)；查詢報警信息及查詢歷史報警記錄等。

設(shè)計者可使用軟件內(nèi)豐富的元件庫實現(xiàn)多種多樣的功能。通過棒狀圖形象生動的顯示輥磨機兩側(cè)輥縫動態(tài)變化及平行度水平。通過圖形元素顏色的變化顯示設(shè)備電機，電磁閥等執(zhí)行機構(gòu)的開關(guān)狀態(tài)。通過按鈕可實現(xiàn)控制設(shè)備執(zhí)行機構(gòu)的啟停和觸摸屏界面的切換瀏覽。通過輸入/輸出域顯示設(shè)備運行過程中的壓力值，溫度值，輥縫偏差值等參數(shù)，并可以將數(shù)據(jù)寫入PLC內(nèi)部程序，修改報警和故障的設(shè)定值。通過以組態(tài)報警列表，可查詢到設(shè)備故障的時間和故障點等詳細(xì)的信息，方便操作者快速排查故障。將設(shè)備運行中重要的參數(shù)進(jìn)行歸檔操作，可將其存儲到標(biāo)準(zhǔn)的SD卡中，方便以后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析工作。操作者還可以通過趨勢圖直觀的觀察已組態(tài)數(shù)據(jù)的動態(tài)變化，分析設(shè)備運行狀態(tài)。

結(jié)語

高壓輥磨機是90年代發(fā)展起來的高新技術(shù)產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于水泥、礦山、冶金、化工等工業(yè)部門。從高壓輥磨機近幾年金屬礦山的應(yīng)用情況來看，存在的主要問題是輥面磨損問題。導(dǎo)致輥面磨損的原因，我認(rèn)為主要有以下幾點：

（1）輥面的結(jié)構(gòu)形式和加工工藝。

（2）礦石性質(zhì)對高壓輥磨機的適用性。

（3）輥縫自動糾偏控制工藝。

克服上述問題不僅需從要機械加工工藝尋找突破口，還需要不斷提高高壓輥磨機自動化控制程度，尤其是輥縫自動糾偏控制。GYG1410是我公司開發(fā)的首臺礦用高壓輥磨機產(chǎn)品，自身性能和控制工藝需要在實際生產(chǎn)中總結(jié)經(jīng)驗并不斷地提高和完善。相信該礦用高壓輥磨機一定能夠為我公司開辟新市場，創(chuàng)造大效益。

［1］李維強.高壓輥磨機在礦業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的研究及應(yīng)用［Z］.維普網(wǎng)，2005.

［2］柴瑞娟.西門子PLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

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