矿用高压辊磨机电控系统浅析

2016-12-13曲星宇

中国新技术新产品 2016年15期

关键词：辊缝磨机矿用

曲星宇曹鹏刘嘉翟飞

（北方重工集团有限公司，辽宁沈阳 110141）

矿用高压辊磨机电控系统浅析

曲星宇曹鹏刘嘉翟飞

（北方重工集团有限公司，辽宁沈阳 110141）

矿用高压辊磨机是新型粉磨设备，在金属矿山矿石物料粉碎工艺流程中占据日益重要的作用，层压破碎的破碎机理使其具有高效的生产效率，显著节能特性等优点。高压辊磨机电气系统输入多，输出多，控制精度要求高。通过西门子1200系列PLC，搭建高压辊磨机自动控制系统，并采用西门子工业以太网与远程DCS通信。本文简单论述了矿用高压辊磨机电气系统构建的一种可行方案。

高压辊磨机；PLC；电气控制；辊缝动态纠偏

矿用高压辊磨机是在水泥用辊压机基础上研究开发的新型粉磨设备。由于其具有高效的生产效率、显著的节能特性、维修方便以及工作环境好等优点，在全世界范围内得到广泛的发展应用。20世纪90年代初，世界上工业发达的国家，如美国、德国、俄罗斯、巴西等国家在选矿等工业领域中，已成功地应用高压辊磨机。高压辊磨机电气系统作为整机的重要一环，其设计的先进性和可靠性将直接影响高压辊磨机的使用和性能。

1.矿用高压辊磨机历史简介

与在水泥行业取得的巨大成功相比较，高压辊磨机在矿用加工领域发展的就没那么一帆风顺了，矿用高压辊磨机受诸多因素掣肘，发展缓慢。尽管如此，从1986年首次进入金刚石矿业以来，高压辊磨机就在矿物加工领域应用得到长足的发展。

纵观发展历程，可将此新型粉磨设备25年的应用进展分划为3个阶段。

（1）20世纪80年代中期到90年代末期，高压辊磨机首先在金刚石矿业和水泥行业得到广泛的应用发展，而且逐渐成为行业生产流程中标准的设备配置。

（2）20世纪90年代中期到21世纪头十年初期，在铁矿加工领域的逐步推广应用与柱钉辊面技术的研发和改进相互促进，在黄金矿山和铜矿山实现半工业规模和工业规模的实验性应用。

（3）21世纪头十年中期起，高压辊磨机在有色和贵金属矿山的硬质矿石破碎流程中得到大规模的发展应用。据不完全统计，截至2009年底，全球范围内投入工业应用的高压辊磨机在铁矿加工领域有50台，在有色和贵金属矿山用于硬质矿石破碎的有35台，在金刚石行业应用也已超过35台。

自20世纪90年代后期，高压辊磨机在铁矿石的加工领域得到应用最多，包括铁矿石的细碎与超细碎及铁精矿球团前的预处理。与传统大型碎矿磨矿设备相比，高压辊磨机具有处理量大、占地面积小、结构紧凑、粉碎能耗低、介质消耗少等优点。

2.矿用高压辊磨机系统简介

高压辊磨技术的理论基础为层压粉碎，层压粉碎是指大量颗粒受到高度的空间约束而集聚在一起，在强大外力作用下互相接触、挤压所形成的群体粉碎。高压辊磨机电控系统以可编程控制器（PLC）为核心。在设备正常工作过程中，PLC通过位移传感器，实时监测活动辊与固定辊之间的距离和平行度，通过内部逻辑算法，输出控制指令保持两辊水平度和距离都在系统设定范围内。高压辊磨机润滑站，液压站内置温度传感器，压力传感器以及一些电动执行机构，PLC通过这些传感器实时监控设备运行状况。一旦出现与系统设定值不相符的偏差，PLC对电动执行机构发出控制指令，对运行中的设备进行调节。如果PLC发出的指令没有更改设备错误的运行状态，PLC会发出报警或者停机信号，以实现对运行中设备的保护。

3.电气系统构成与原理

高压辊磨机电气系统由综合控制柜、机旁操作盒、温度传感器、压力传感器、位移传感器、加热器、温度开关、液位开关、换向电磁阀、冷却电磁阀以及各工作电机等构成。

开启主电机前，控制系统通过分布在设备各处的传感器和开关量报警点采集各个执行机构状态信息，检测系统是否满足启动条件。数据经过PLC内部程序处理，PLC可发出允许启动和不允许启动的信号。如果不允许启动，操作人员可通过电控柜上嵌入的西门子触摸屏查询无法正常启动的原因。在正常工作时，PLC接收设备传感器和开关量报警点的信号，经过内部程序运算，输出控制指令给各执行机构，保证设备平稳运行。当设备运行出现故障时，PLC立即控制声光报警机构发出报警信号，触摸屏读取PLC内部数据，显示实时故障信息和历史故障信息。操作人员可通过西门子触摸屏浏览到设备运行参数，例如液压站和润滑站电机运行状态、油箱温度、系统压力，辊缝的位移和差值等，根据监测到数据，操作者可通过操作触摸屏对PLC发出控制指令，以调整设备运行状态，使其回归正常。西门子PLC与触摸屏是整个电控系统的核心，操作者通过触摸屏既可掌握设备运行所有的信息又可根据显示的信息，向PLC发出控制指令调整设备运行状态。运用西门子高度发展集成的控制单元使矿用高压辊磨机自动化程度更高，系统运行更稳定，开环与闭环控制更精确，可操作性更强，操作者及维修人员判断故障原因的过程更也更快捷，简单。高压辊磨机与DCS通信方式可分为硬连接和软连接。硬连接为无源开关量常开点，软连接选用西门子现场工业以太网通讯方式。两种连接方式并用大大减少单机与DCS通信故障的可能性，保证设备正常运行。

4.辊缝动态纠偏

高压辊磨机的破碎单元为固定辊与活动辊。固定辊与活动辊相向转动。物料经过辊缝，活动辊两侧的推力油缸向活动辊施加巨大压力，挤压破碎物料。控制系统对活动辊与固定辊之间的辊缝有很高的控制要求，同时对活动辊与固定辊的水平度要求也非常高。在实际工作的过程中，由于待破碎的物料物理特性的差异，辊缝处于实时变化的状态，高压辊磨机的控制系统通过实时调节推力油缸的压力来调节辊缝，辊缝动态纠偏是高压辊磨机自动控制的难点与核心。目前国内对于辊缝动态纠偏控制工艺的研究还处于初级阶段。

5.自动控制系统的软件设计

控制系统以可编程控制器PLC为核心，PLC采用西门子工业自动化生产线最新推出的1200系列产品。SIMATICS71200可编程控制器充分满足中小型自动化系统的需求。西门子工业自动化在研发的过程中充分考虑了系统、控制器、人机界面和软件的无缝整合和高效协调的需求。使用户硬件组态与软件编程的过程更简单方便。1200系列PLC安装简单方便，端子可拆卸，结构紧凑合理，节省空间，该系列PLC数据处理速度更快，集成度更高，扩展性更强。程序员了解设备生产工艺后通过梯形图编写程序语言，内部控制程序通过接收到的数据信号进行运算，使用比较、置位、计时器等指令判断设备运行情况。通过实时读取的数据，PLC程序可判断设备是否有发生故障的趋势，如果有故障趋势，PLC程序可控制相应执行机构进行去故障操作，具有很强的自我纠正能力。当系统检测到无法纠正的故障时，也可以停机报警，保护设备安全。该控制逻辑既有闭环控制，又有开环控制，自动调节性强，可靠性高，可保证设备长期安全，平稳的运行。

操作界面是人机交互的通道，是操作者获取设备运行状态，下达操作指令最重要的渠道。该矿用高压辊磨机人机界面采用西门子精简系列触摸屏，触摸屏交互程序基于西门子最新平台博图开发。

为了更好地区分主次，故将触摸屏界面程序分为主界面与分界面。主界面将所有子系统的重要信息归类到一起，辅以图像元素使操作者更好地理解设备各个部分的功能。分界面是集成各个子系统的详细信息，包括润滑站操作界面、液压站操作界面、辊缝界面、主电机界面、备妥信息界面、参数设置界面等。分界面的功能是启动电机、电磁阀、加热器等执行机构；显示传感器测得的工程量和设置报警故障范围；显示备妥状态；查询报警信息及查询历史报警记录等。

设计者可使用软件内丰富的元件库实现多种多样的功能。通过棒状图形象生动的显示辊磨机两侧辊缝动态变化及平行度水平。通过图形元素颜色的变化显示设备电机，电磁阀等执行机构的开关状态。通过按钮可实现控制设备执行机构的启停和触摸屏界面的切换浏览。通过输入/输出域显示设备运行过程中的压力值，温度值，辊缝偏差值等参数，并可以将数据写入PLC内部程序，修改报警和故障的设定值。通过以组态报警列表，可查询到设备故障的时间和故障点等详细的信息，方便操作者快速排查故障。将设备运行中重要的参数进行归档操作，可将其存储到标准的SD卡中，方便以后进行数据分析工作。操作者还可以通过趋势图直观的观察已组态数据的动态变化，分析设备运行状态。