大型立磨機控制系統的設計與研究

武 濤， 楊文旺， 盧世杰

(北京礦冶研究總院， 北京 100160)

大型立磨機控制系統的設計與研究

武 濤， 楊文旺， 盧世杰

(北京礦冶研究總院， 北京 100160)

立磨機自動控制系統是立磨裝備的重要組成部分，可以提高設備運轉率并保障設備的安全運行。本文介紹了大型立磨機控制系統的組成，并重點介紹了主電機、減速機稀油站、滑動軸承潤滑的控制對象、控制方法和控制目標，立磨機內鋼球填球率的噪音檢測方法，以及系統軟、硬件設計方法。該控制系統可以保障設備安全、穩定、高效地運行。

立磨機； 自動控制； 噪音檢測

能源是國民經濟的命脈之所在，隨著我國經濟的快速發展，我國能源結構中的供需矛盾日漸尖銳。據統計，在全國工業能源消耗結構中，有色金屬行業消耗能源比達到了3.5%以上[1]。因此，實現有色金屬行業的節能降耗成為了一個急需解決的問題。在礦產資源開發利用過程中，技術與裝備是最為重要的工具手段。提升采、選、冶技術裝備的科技水平，對于降低有色金屬行業的能源消耗，提高能源的利用效率具有重要的作用。

我國許多礦山工業都使用普通臥式球磨機磨礦，存在磨礦效率低、產品粒度達不到要求等問題，而立式磨機具有中低速、較高的介質填充高度、螺旋攪拌器、細磨或超細磨時能量利用率高的特點，是一種極具發展前景的細磨設備[2]。

立磨機自動控制系統作為立磨裝備的重要組成部分，不僅可以使操作人員方便地實時掌握設備過程運轉狀態，而且對于設備的安全穩定運行意義重大。同時智能化操作運行可以大幅降低人工操作強度，大大減少設備維護工作量、減輕工人勞動強度，增加設備運轉率，降低安全隱患。

1 系統組成

立磨機控制主要分為自動檢測和自動運行兩大部分。首先是對系統內各個參數的檢測，其中主要包括電機電壓、電流、功耗、軸承溫度、潤滑油壓、振動等狀態參數；其次是自動運行，根據實時參數檢測確定設備運轉狀況并及時作出調整，主要包括主電機控制、減速機稀油站控制、滑動軸承自動潤滑控制。本文將對以上關鍵技術進行具體介紹。

圖1 立磨機控制系統組成

2 系統功能

(1)立磨機主電機狀態監測和控制功能，主要包括：電壓、電流、功率實時顯示，主電機備妥信號提示，以及電機加熱器控制；

(2)減速機軸承狀態監測，包括軸溫、振動值監測；

(3)稀油站自動潤滑控制，包括出口的油壓、油溫檢測和控制，以及油箱內液位高低、油濾器壓差過大報警；

(4)滑動軸承智能潤滑以及軸溫監測，實現滑動軸承部分的定時、定量加油功能；

(5)利用音頻信號檢測立磨機內鋼球填充率功能，解決了因鋼球填加過多會增大磨機負荷；鋼球量填加過少會降低磨礦效率的弊端；

(6)立磨機主軸狀態監測，包括軸溫、振動檢測和油位過低報警；

(7)數據管理功能，實現對現場采集到的數據進行保存和查詢；

(8)留有遠程通訊接口，允許遠程集中控制。

3 關鍵技術

3.1 主電機控制

大型立磨機主電機作為立磨機的動力中樞，其穩定、可靠性運行直接關系到整個工藝流程的通暢。其額定功率一般在300 kW以上，電壓等級為中、高壓6000 V或10 kV。電機主控回路單獨配置一臺啟動柜，除具備常規所需控制電機的啟、停功能外，還配有電機運行狀態下的三相電流、三相電壓以及累計功耗監測功能，實現對立磨機負荷和運轉情況的在線檢測。

考慮到電機停機后可能受潮，導致線圈絕緣性變差因素，對此專門配置了電機加熱裝置。當停機時間較長再準備開機前，先要開啟電機加熱器一段時間，將電機線圈上的水露快速蒸發掉，以確保主電機的安全啟動。

圖2 主電機控制

3.2 稀油站控制

減速機屬于立磨機的重要傳動裝置，是立磨機得以穩定運轉的重要保證。而減速機要正常工作則離不開與其配套的稀油站控制。稀油站的主要構成器件有油箱、油泵、管路、電機、電加熱器、油濾器、安全閥、冷凝裝置以及溫度和壓力傳感器等。稀油站的工作原理是將油箱中存放的油液利用油泵在電動機的驅使下從送油管路輸送至潤滑降溫目標區，然后再通過回油管路將油液用油濾器過濾后送回油箱。要實現對稀油站潤滑系統的控制，最為重要的兩個控制參數分別是供油溫度與供油壓力。

(1)油溫控制：當油箱出口油溫高于某一設定的溫度(如45 ℃)時，水閥自動開啟，冷卻器投入工作，直到油溫恢復正常為止(如溫度降到40 ℃以下時電磁水閥自動關閉)。如冷卻器已投入工作，系統的油溫繼續升高，達到油溫設定的最高溫度時(如80 ℃)，立磨機系統將發出油溫過熱報警信號，必須停掉主電機，檢查故障點。

當油箱的油溫低于某一設定值(如20 ℃)時，油泵不能啟動，電加熱器自動運行，對油液進行加熱，直到達到正常工作油溫為止，油泵可以啟動。超過另一設定值時(如30 ℃)時，自動切斷電加熱器。

(2)油壓控制：稀油站的供油口(出口)的油壓需達到設計值。

正常工作時，油泵一臺工作，一臺備用。當檢測到出口油壓低于設定值(如0.2 MPa)時，備用泵自動開啟，與工作泵一起工作直到壓力正常(0.3 MPa)時，備用泵自動停止。若油壓繼續下降到另外一個設定值時(如0.15 MPa),立磨機系統將發出報警信號，并停掉主電機(聯鎖狀態下)。

另外，油箱裝有低油位和高油位報警液位開關，當低于油位下限時，要求往油箱注油；當高于油位上限時，停止往油箱注油。以及雙筒網式過濾器裝置，當壓差大于一定值時(0.15 MPa)，需要更換或清洗濾芯。

3.3 滑動軸承潤滑控制

滑動軸承潤滑采用智能潤滑技術，該技術將可編程邏輯控制技術和閉環定量給油技術相結合，可以實現定時、定量潤滑。智能潤滑系統主要由主控制器、電動潤滑泵、電磁給油箱、檢測單元和潤滑油路組成。

(1)主控制器

主控制器集成于立磨機PLC控制系統，實時監測潤滑泵過程變量參數(壓力、重力等)，同時通過modbus總線協議與電磁給油箱內的信息識別器進行信息交互(潤滑指令和反饋指令)。用戶可以靈活調整各個潤滑點的注油量和注油頻率，同時也可實時監視潤滑點的運行狀態、故障報警等信息。

(2)電動潤滑泵

電動潤滑泵容積為6 L，滑動軸承潤滑量為10 mL/d，電動潤滑泵配備壓力傳感器，出口油壓保持在5 bar以上，當壓力傳感器檢測到泵出口油壓低于設定下限壓力時，潤滑泵開始升壓，當高于設定上限壓力時，潤滑泵停止運行。

電動潤滑泵配置稱重傳感器，通過該傳感器間接判斷儲脂筒內油脂的重量，如油脂過少，則系統產生報警信號。

(3)電磁給油箱

電磁給油箱由信息識別器、過濾器、電磁給油器和油流傳感器組成，其中電磁給油器和油流傳感器共有兩組(一用一備)，兩組電磁給油器工作時互不關聯，任何一路堵塞都不會影響其他油路的正常工作。

信息識別器內嵌微控芯片，接收主控制器通過modbus總線傳輸過來的控制指令信息，解析指令后向目標潤滑點對應的電磁給油器發出驅動信號。電磁給油器控制內部柱塞的運動來切換油路的通斷，油流傳感器利用霍爾傳感原理檢測柱塞運動，反饋給油動作至PLC。一個電磁給油器配套一個油流傳感器，過濾器將來自給油管潤滑脂中夾帶的渣屑過濾，防止堵塞油路。

3.4 立磨機鋼球填充率檢測方法

立磨機內鋼球的填充率是影響磨礦粒度的重要因素，一般而言立磨機內磨礦介質的填充率約為筒體有效容積的30%～50%，鋼球填充率過高不僅會減小筒體內有效磨礦容積，而且會增大磨機的負荷；鋼球填充率過低則會降低磨機的磨礦效率，現有檢測立磨機加球量的主要方法是有功功率法，已經應用在國內、外很多立磨機上，但是存在檢測誤差偏大問題?？紤]到立磨機發出的噪音正比于鋼球與物料的重量比，即當立磨機內鋼球量加多時，鋼球與鋼球間以及鋼球與筒體間撞擊會增大，發出的聲音頻率會變高，聲強也增大；當立磨機內鋼球量少時，立磨機發出的聲音頻率會降低，聲強也會減弱，所以音頻分析方法可以用于檢測磨機內鋼球填充率。

通過音頻分析確定立磨機內鋼球的填充率，實現該方法的系統如圖3所示，該方法具體包括以下步驟：

圖3 鋼球填充率檢測方法

通過音頻傳感器獲取立磨機工作時內部的聲音，音頻傳感器將獲取的聲音轉換為4～20 mA的電流信號后輸出給PLC模塊，PLC模塊利用以太網總線將噪音數據傳輸給上位機(工控機)，上位機內安裝有數據分析軟件(如MATLAB軟件)，通過數據分析軟件對噪音數據進行數字信號處理，將獲取的立磨機工作時的聲音中夾雜的環境噪聲濾掉，確保檢測到的噪聲值為立磨機發出的有效工作噪聲值。

圖4 立磨機硬件設計

有效工作噪聲值可以直觀反應球磨機內鋼球填充量的多少，當檢測到立磨機內鋼球量較少時，可以自動或手動補加鋼球，達到立磨機的穩產、降耗、提高產品質量的目的。

4 立磨機控制系統軟件和硬件設計

(1)硬件設計：在綜合考慮各因素后，系統選用了德國西門子公司提供的S7- 300型PLC控制器?？刂葡到y的硬件結構如圖4中所示，其中核心控制器為S7- 300型PLC控制器，通過音頻傳感器檢測磨機內的鋼球填充率；液位變送器對立磨機油站內的油位進行檢測；振動加速度變送器檢測主軸的振動；溫度變送器對潤滑油溫度進行檢測；壓力變送器對潤滑油的壓力進行檢測；電壓、電流、功率變送器則對驅動電機的相關參數進行檢測。而PLC控制器則對上述檢測到的數據，根據事先制定的控制模型輸出相應控制量確保立磨機在穩定負荷內工作。

系統的人機交互界面為觸摸屏，并使用PROFIBUS現場總線技術同上位機之間相連，使得在監控室中就可以遠程對立磨機的工作情況進行監測與控制，實現立磨機的遠程自動控制。

(2)軟件設計：立磨機的軟件設計基于安全、穩定、可靠、智能的控制要求，實現了多個回路的連鎖控制。其中包括：主軸故障信號與油位開關及主軸溫度信號連鎖；減速機軸承故障信號與輸入端、輸出端軸溫信號及振動信號連鎖；滑動軸承故障信號與軸承溫度信號連鎖；主電機故障信號與主電機電流、軸承溫度連鎖；主電機備妥信號與主軸故障、減速機軸承故障、稀油站重度故障、滑動軸承故障、主電機故障、主電機緊急停按鈕連鎖。只有當主軸、減速機、稀油站等設備都正常時，電機備妥信號燈才會亮起，主電機才可以啟動。所有的溫度監測信號都設計兩個閾值，當監測到的信號超過低閾值時觸發輕度報警，提醒注意設備安全，此時不會停機；當監測到的信號超過高閾值時會觸發重度報警，立磨機會自動停機，確保設備的安全。系統的控制流程圖如圖5所示。

圖5 立磨機軟件設計

5 總結

該大型立磨機的控制系統包含了主電機控制、減速機稀油站控制、滑動軸承自動潤滑控制3個部分，并且控制系統對設備運行關鍵參數進行了實時監測，在多個回路實現了故障連鎖報警功能。當運行參數低于或超過設定的閾值時，控制系統能夠發出報警信號，故障嚴重時會自動停機，確保不對設備造成損傷。該控制系統完全可以實現大型立磨機安全、穩定、智能地運行。

[1] 劉全民，張洪國，何發鈺，曾紅.有色金屬礦山節約資源能源與減排[J].礦產保護與利用，2009，(1):38-42.

[2] 張國旺，李自強，李曉東，等.立式螺旋攪拌磨礦機在鐵精礦再磨中的應用[J].金屬礦山，2008，(5):93-95.

DesignandResearchofLargeVerticalGrindingMillControlSystem

WU Tao，YANG Wen-wang，LU Shi-jie
(Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy, Beijing 100160, China)

Automatic control system is an important part of the vertical grinding mill equipment, which can improves equipment operation rate and guarantees safe operation of the equipment. This article describes the vertical grinding mill control system components, and highlights the main motor, gear lubrication oil station, sliding bearings lubricated control object, control methods and control objectives, noise detection rate of ball filling the vertical grinding mill, design methods of system hardware and software. The control system can protect the device in safe, stable and efficient operation.

vertical grinding mill；automatic control；noise detection

2014-01-10

北京市科技計劃(D121100001312001)

武 濤(1983-)，男，河北衡水人，工程師，碩士研究生，主要從事選礦設備研究設計及技術推廣工作。

楊文旺(1983-)，男，山西運城人，工程師，碩士研究生，主要從事選礦設備自動控制研究設計及技術推廣工作。

TD453

A

1003-8884(2014)02-0001-05

盧世杰(1972-)，男，河北景縣人，教授級高級工程師，碩士研究生，主要從事選礦設備研究設計及技術推廣工作，現任北京礦冶研究總院機械研究設計所副所長。