水泥磨新型驅(qū)動單元控制系統(tǒng)設(shè)計

湯春球，胡力文

(武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

目前，相關(guān)政策對水泥產(chǎn)業(yè)提出了節(jié)能降耗的明確要求[1]。水泥磨作為水泥生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備之一，其能耗占據(jù)生產(chǎn)總能耗的35%以上。因此國內(nèi)外許多專家學(xué)者對提高水泥磨生產(chǎn)效率，降低其能耗的方法進(jìn)行了研究。研究方向主要集中在預(yù)粉磨技術(shù)應(yīng)用，水泥磨局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)及控制算法優(yōu)化上[2-4]。根據(jù)水泥生產(chǎn)線實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)生產(chǎn)線產(chǎn)量相同時，單臺水泥磨產(chǎn)量越高生產(chǎn)單位質(zhì)量水泥的平均能耗越低[5]。因此提高水泥磨產(chǎn)量是實現(xiàn)水泥生產(chǎn)節(jié)能降耗的有效途徑。限制水泥磨產(chǎn)量的關(guān)鍵點之一是水泥磨驅(qū)動單元的負(fù)載能力，然而對于新型水泥磨驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)研究目前尚屬于起步階段，僅西門子等少數(shù)公司設(shè)計出了高負(fù)載水泥磨新型驅(qū)動單元。筆者旨在根據(jù)非凡公司的新型水泥磨驅(qū)動單元機電結(jié)構(gòu)設(shè)計其控制系統(tǒng)，并通過現(xiàn)場測試來檢驗該控制系統(tǒng)的可靠性，為以后新型水泥磨驅(qū)動單元控制系統(tǒng)的設(shè)計提供一定的參考。

1 水泥磨驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)

非凡公司設(shè)計制造的MVR 6700-6新型水泥立磨有5臺磨主電機及兩臺輔傳電機，主電機為正常工作提供動力，輔傳電機負(fù)責(zé)提供維護、檢修時的動力。5臺磨主電機呈2-2-1分組，每組間隔120°，其結(jié)構(gòu)分布如圖1所示。

圖1 磨主電機空間分布圖

圖1中標(biāo)記的1～5為5臺磨主電機。

該水泥磨減速箱與一般立磨相同，采用了較為常用的雙排行星齒輪機構(gòu)以保證較大的功率密度。在生產(chǎn)過程中，物料質(zhì)量、磨輥研磨壓力等負(fù)載可以通過普通軸承直接傳遞到磨機基礎(chǔ)上，保證大齒圈周邊上的齒輪不承載額外負(fù)荷。

磨主電機電氣模塊主要由兩部分組成，第一部分是移相變壓器，第二部分是西門子G150變頻器。移相變壓器包含了Δ和Y兩組副邊。能夠?qū)?1 kV工業(yè)高壓轉(zhuǎn)換成兩組相互隔離且成一定角度的電源輸出。其輸出在G150變頻器中經(jīng)三相整流橋后轉(zhuǎn)變成帶0電平的直流電，經(jīng)電容濾波后保持電壓不變，輸送給逆變器逆變?yōu)榭勺冾l率交流電。G150變頻器能夠滿足平方轉(zhuǎn)矩和恒量轉(zhuǎn)矩負(fù)載的變頻驅(qū)動要求，因此能夠適應(yīng)水泥磨的工作狀態(tài)。在每臺磨主電機上都加了一個脈沖發(fā)生器作為電機轉(zhuǎn)速反饋來實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制，從而保證控制精度。

2 水泥磨驅(qū)動單元控制系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 水泥磨驅(qū)動單元控制要求

水泥磨是大功率重載設(shè)備，在啟動及運行過程中需要保證磨主電機的轉(zhuǎn)速追隨設(shè)定轉(zhuǎn)速并且保持穩(wěn)定。同時，由于采用了多臺磨主電機驅(qū)動，在啟動和工作中，需要保證磨主電機之間的轉(zhuǎn)速相等，負(fù)載均衡。并且為了提高驅(qū)動單元的可靠性，當(dāng)任意一臺磨主電機檢修或者維護時，要求其余磨主電機能夠正常工作，因此需要保證每臺磨主電機控制的獨立性。同時熟料粉磨車間包含較多重要設(shè)備，彼此狀態(tài)之間相互影響較大。某些重要設(shè)備的運行狀態(tài)是否正常決定了水泥磨能否正常啟動和運行，因此要添加相關(guān)連鎖保障設(shè)備安全運行，并通過硬件組態(tài)和上位機畫面結(jié)合，監(jiān)控、記錄重要設(shè)備的運行參數(shù)，完成實時調(diào)整。

根據(jù)控制要求，該驅(qū)動單元控制系統(tǒng)設(shè)計可以分為兩個部分，一部分是通過現(xiàn)場PLC和變頻器實現(xiàn)的電機多傳動，另一部分是基于西門子PCS7軟件的設(shè)備間過程控制及狀態(tài)監(jiān)控。兩部分之間通過Profibus DP協(xié)議實現(xiàn)通信。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 磨主電機多傳動控制

常用的多傳動控制方法有基礎(chǔ)雙閉環(huán)控制、從機速度跟隨控制、從機轉(zhuǎn)矩跟隨控制等。由于后兩種方式都是用主機參數(shù)對從機進(jìn)行限定來實現(xiàn)。在工作過程中，主機運行狀態(tài)一旦出現(xiàn)問題或者需要檢修，整個水泥磨車間必須停車，等待檢修完成或者更改現(xiàn)場程序。采用基礎(chǔ)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠滿足轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的控制要求，并且能夠保證各磨主電機的獨立性，但是由于不同的磨主電機之間機械特性存在差異，難以保證功率的均衡分配。為實現(xiàn)控制要求，將下垂控制器鑲嵌于常用的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中。

2.2.1 下垂控制基本原理

下垂控制經(jīng)常用于電網(wǎng)中以實現(xiàn)并聯(lián)逆變器的有用功率和無用功率均衡分配，如在使用UPS或者DC/DC轉(zhuǎn)換器的場合[6-7]。在交流供電系統(tǒng)中，下垂控制特性可以用一個擁有負(fù)反饋系數(shù)的頻率-實際功率函數(shù)式表達(dá)，如式(1)所示：

ωi=ω0-KDPi

(1)

式中：ωi和ω0為各逆變器的實際角頻率和額定角頻率；Pi為實際輸出功率；KD為下垂控制系數(shù)。當(dāng)某個逆變器輸出功率提升時，其實際角頻率就會下降。

在多傳動控制系統(tǒng)中采用下垂控制器，可以實現(xiàn)任意電機負(fù)載較大時，自動降低其額定轉(zhuǎn)速，從而降低實際轉(zhuǎn)速，減小負(fù)載。其原理與電網(wǎng)中采用下垂控制特性相似，參照電網(wǎng)下垂控制表達(dá)式，多傳動控制系統(tǒng)中單臺電機實際給定轉(zhuǎn)速n和理論給定轉(zhuǎn)速nset之間的關(guān)系如式(2)所示：

n=nset-KDi

(2)

式中：KD為下垂系數(shù)；i為給定電流。其下垂特性如圖3所示。

圖3 速度下垂特性

假定下垂系數(shù)KD=0時，該系統(tǒng)為不含下垂功能的速度控制器，理論給定轉(zhuǎn)速nset與實際給定轉(zhuǎn)速n值相等，此時輸出速度由速度控制器調(diào)節(jié)，在給定轉(zhuǎn)速下電機做功。由于各電機之間的負(fù)載特性不同，因此輸出功率存在差異。引入下垂控制器后，根據(jù)速度控制器提供的自身負(fù)載設(shè)定來調(diào)節(jié)實際轉(zhuǎn)速設(shè)定值，進(jìn)而微調(diào)各電機的速度來平衡由于電機的負(fù)載特性不同造成的轉(zhuǎn)矩差，實現(xiàn)電機之間的功率平衡[8]。

2.2.2 基于PLC的多傳動控制實現(xiàn)

將下垂控制器嵌入雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中后，磨主電機控制系統(tǒng)方框圖如圖4所示。

圖4 磨主電機控制系統(tǒng)方框圖

在工作過程中，各磨主電機的設(shè)定轉(zhuǎn)速由中控室在PCS7軟件中給定，經(jīng)通信傳送給現(xiàn)場PLC，并在其內(nèi)部計算出每臺磨主電機的設(shè)定轉(zhuǎn)速，周期性發(fā)給對應(yīng)磨主電機，經(jīng)過齒輪箱帶動磨盤按照預(yù)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動[9-10]。而速度環(huán)嵌入下垂控制器后其邏輯圖如圖5所示。

圖5 速度環(huán)嵌入下垂控制器邏輯圖

圖5的傳遞函數(shù)可以寫成式(3)的形式：

(3)

式中：τPIS為速度控制器PIS的零狀態(tài)量；τD為與速度控制器PIS環(huán)節(jié)有關(guān)的參量，如果用Ki表示速度控制器自身積分增益，則τD可以用式(4)表達(dá)為：

τD=τPIS+1/(KiKD)

(4)

因此，當(dāng)嵌入下垂控制器后，原本的速度控制器轉(zhuǎn)化為極點-零點對控制器。下垂系數(shù)則是根據(jù)速度控制器的調(diào)節(jié)誤差來確定。對于任意一臺磨主電機，當(dāng)出現(xiàn)卸載情況時，表明在該給定轉(zhuǎn)速下其實際轉(zhuǎn)速低于其他電機，通過下垂調(diào)節(jié)，提高其內(nèi)部設(shè)定轉(zhuǎn)速，從而增加其負(fù)載，使得各臺磨主電機趨于功率均衡。

在水泥磨工作過程中，由于熟料的顆粒大小不穩(wěn)定，根據(jù)破碎原理，其在破碎過程中所需破碎力的大小也是隨時波動的，同時由于調(diào)節(jié)過程會存在遲滯，因此每臺磨主電機的功率也是在某一范圍內(nèi)波動變化的。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由電流控制器對輸出電流進(jìn)行閉環(huán)控制，保證輸出電流的穩(wěn)定性。異步電動機在工作時，其本身可以簡化為由定子電阻R和定子交軸電感L組成的系統(tǒng)，因此，電流控制器邏輯圖如圖6所示。

圖6 電流控制器邏輯圖

圖7 兩臺電機間的多傳動控制邏輯圖

2.3 基于PCS7的過程控制

水泥磨驅(qū)動單元過程控制包括自身連鎖、組內(nèi)設(shè)備間連鎖和組間設(shè)備聯(lián)鎖。其過程控制邏輯如圖8所示。

圖8 水泥磨驅(qū)動單元過程控制邏輯圖

水泥磨系統(tǒng)包含有磨機本體、喂料組、輸送組等。在生產(chǎn)過程中，當(dāng)且僅當(dāng)水泥磨自身備妥且相關(guān)工組工作狀態(tài)正常的情況下才能啟動水泥磨驅(qū)動單元。在過程控制系統(tǒng)設(shè)計中，采用模擬量傳感器采集現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)量如溫度、振動等，并通過Profibus DP協(xié)議傳輸?shù)街髡綜PU，再經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議傳輸?shù)焦こ處熣竞头?wù)器。將采集的狀態(tài)量與PCS7中CFC程序里相關(guān)變量點對應(yīng)，并與Cemat中電機塊的相關(guān)引腳相連，實現(xiàn)設(shè)備的邏輯控制和保護，完成設(shè)備狀態(tài)異常時跳停或者禁止啟動的邏輯判斷。同時，在水泥磨液壓系統(tǒng)中所獲得的如磨輥是否處于限定位置等來自現(xiàn)場PLC的狀態(tài)值也應(yīng)接入CFC程序中以實現(xiàn)連鎖保護。

水泥磨生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)等都需要清晰地顯示在人機界面上，保證操作員能夠隨時監(jiān)控狀態(tài)并完成相應(yīng)的操作。在PCS7中，通過將變量及畫面組態(tài)編譯到WinCC組態(tài)軟件中，將對應(yīng)的參數(shù)實時顯示在上位機畫面上，并設(shè)定Trends功能中相關(guān)參數(shù)，生成狀態(tài)曲線，實現(xiàn)對其工作狀態(tài)的監(jiān)視及相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和記錄。上位機監(jiān)視畫面如圖9所示。

圖9 水泥磨系統(tǒng)上位機監(jiān)視畫面

3 水泥磨驅(qū)動系統(tǒng)控制結(jié)果

控制系統(tǒng)搭建完成后，為完成驅(qū)動系統(tǒng)工作保護，需要進(jìn)行水泥磨單機試車、組試車和帶料試車以檢驗過程控制邏輯是否與實際工況相符，如時間參數(shù)不同造成的設(shè)備啟動失敗等。同時需檢查設(shè)備運行狀況并記錄啟動參數(shù)，完成生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化。完成設(shè)備調(diào)試并優(yōu)化下垂控制參數(shù)后，正常啟動水泥磨，并在額定喂料量下進(jìn)行生產(chǎn)時，得到5臺磨主電機的工作電流曲線如圖10所示。

圖10 磨主電機啟動及工作電流曲線界面圖

在剛啟動時5臺磨主電機電流增加趨勢基本相同，在某時刻由于電機負(fù)載特性不同造成的某臺電機啟動電流增大時，能夠迅速進(jìn)行調(diào)節(jié)使其回歸穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)水泥熟料和添加劑進(jìn)入水泥磨后，五臺磨主電機的電流同步增大，然后很快趨于穩(wěn)定。

在磨主電機正常工作后，一天內(nèi)不同時間段對水泥磨生產(chǎn)的水泥品質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

從表1可知，該水泥磨生產(chǎn)出來的水泥質(zhì)量穩(wěn)定。該成品在水泥庫中均化后各項參數(shù)均能夠達(dá)到所需水平，性能較好。在調(diào)試生產(chǎn)中，由于磨機性能未達(dá)到最好，所生產(chǎn)同等比表面積42.5+水泥的比電耗達(dá)到34.6 kWh/t，在磨機性能穩(wěn)定

表1 生產(chǎn)水泥品質(zhì)記錄表

后水泥生產(chǎn)比電耗可以達(dá)到33 kWh/t，相較于一般42.5+水泥比電耗35～40 kWh/t，有了一定程度的降低。

4 結(jié)論

筆者對非凡公司推出的采用新型多傳動驅(qū)動單元的水泥磨結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，并根據(jù)實際生產(chǎn)情況設(shè)計了水泥磨的控制系統(tǒng)。通過調(diào)試和預(yù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析可知，該控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在實際生產(chǎn)過程中水泥質(zhì)量穩(wěn)定，比電耗也有一定程度的降低。當(dāng)上游設(shè)備出現(xiàn)故障時水泥磨系統(tǒng)能夠及時跳停，避免生產(chǎn)過程中的事故。該控制系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)對水泥產(chǎn)業(yè)新型水泥磨推廣及實現(xiàn)節(jié)能減排有著較好的促進(jìn)意義，同時為新型水泥磨控制系統(tǒng)設(shè)計提供了一定的思路。

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