礦用高壓輥磨機電控系統淺析

曲星宇 曹 鵬 劉 嘉 翟 飛

（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141）

礦用高壓輥磨機電控系統淺析

曲星宇 曹 鵬 劉 嘉 翟 飛

（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141）

礦用高壓輥磨機是新型粉磨設備，在金屬礦山礦石物料粉碎工藝流程中占據日益重要的作用，層壓破碎的破碎機理使其具有高效的生產效率，顯著節能特性等優點。高壓輥磨機電氣系統輸入多，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，并采用西門子工業以太網與遠程DCS通信。本文簡單論述了礦用高壓輥磨機電氣系統構建的一種可行方案。

高壓輥磨機；PLC；電氣控制；輥縫動態糾偏

礦用高壓輥磨機是在水泥用輥壓機基礎上研究開發的新型粉磨設備。由于其具有高效的生產效率、顯著的節能特性、維修方便以及工作環境好等優點，在全世界范圍內得到廣泛的發展應用。20世紀90年代初，世界上工業發達的國家，如美國、德國、俄羅斯、巴西等國家在選礦等工業領域中，已成功地應用高壓輥磨機。高壓輥磨機電氣系統作為整機的重要一環，其設計的先進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

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

縱觀發展歷程，可將此新型粉磨設備25年的應用進展分劃為3個階段。

（1）20世紀80年代中期到90年代末期，高壓輥磨機首先在金剛石礦業和水泥行業得到廣泛的應用發展，而且逐漸成為行業生產流程中標準的設備配置。

（2）20世紀90年代中期到21世紀頭十年初期，在鐵礦加工領域的逐步推廣應用與柱釘輥面技術的研發和改進相互促進，在黃金礦山和銅礦山實現半工業規模和工業規模的實驗性應用。

（3）21世紀頭十年中期起，高壓輥磨機在有色和貴金屬礦山的硬質礦石破碎流程中得到大規模的發展應用。據不完全統計，截至2009年底，全球范圍內投入工業應用的高壓輥磨機在鐵礦加工領域有50臺，在有色和貴金屬礦山用于硬質礦石破碎的有35臺，在金剛石行業應用也已超過35臺。

自20世紀90年代后期，高壓輥磨機在鐵礦石的加工領域得到應用最多，包括鐵礦石的細碎與超細碎及鐵精礦球團前的預處理。與傳統大型碎礦磨礦設備相比，高壓輥磨機具有處理量大、占地面積小、結構緊湊、粉碎能耗低、介質消耗少等優點。

2.礦用高壓輥磨機系統簡介

高壓輥磨技術的理論基礎為層壓粉碎，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以可編程控制器（PLC）為核心。在設備正常工作過程中，PLC通過位移傳感器，實時監測活動輥與固定輥之間的距離和平行度，通過內部邏輯算法，輸出控制指令保持兩輥水平度和距離都在系統設定范圍內。高壓輥磨機潤滑站，液壓站內置溫度傳感器，壓力傳感器以及一些電動執行機構，PLC通過這些傳感器實時監控設備運行狀況。一旦出現與系統設定值不相符的偏差，PLC對電動執行機構發出控制指令，對運行中的設備進行調節。如果PLC發出的指令沒有更改設備錯誤的運行狀態，PLC會發出報警或者停機信號，以實現對運行中設備的保護。

3.電氣系統構成與原理

高壓輥磨機電氣系統由綜合控制柜、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、液位開關、換向電磁閥、冷卻電磁閥以及各工作電機等構成。

開啟主電機前，控制系統通過分布在設備各處的傳感器和開關量報警點采集各個執行機構狀態信息，檢測系統是否滿足啟動條件。數據經過PLC內部程序處理，PLC可發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接收設備傳感器和開關量報警點的信號，經過內部程序運算，輸出控制指令給各執行機構，保證設備平穩運行。當設備運行出現故障時，PLC立即控制聲光報警機構發出報警信號，觸摸屏讀取PLC內部數據，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備運行參數，例如液壓站和潤滑站電機運行狀態、油箱溫度、系統壓力，輥縫的位移和差值等，根據監測到數據，操作者可通過操作觸摸屏對PLC發出控制指令，以調整設備運行狀態，使其回歸正常。西門子PLC與觸摸屏是整個電控系統的核心，操作者通過觸摸屏既可掌握設備運行所有的信息又可根據顯示的信息，向PLC發出控制指令調整設備運行狀態。運用西門子高度發展集成的控制單元使礦用高壓輥磨機自動化程度更高，系統運行更穩定，開環與閉環控制更精確，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。硬連接為無源開關量常開點，軟連接選用西門子現場工業以太網通訊方式。兩種連接方式并用大大減少單機與DCS通信故障的可能性，保證設備正常運行。

4.輥縫動態糾偏

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動。物料經過輥縫，活動輥兩側的推力油缸向活動輥施加巨大壓力，擠壓破碎物料。控制系統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，高壓輥磨機的控制系統通過實時調節推力油缸的壓力來調節輥縫，輥縫動態糾偏是高壓輥磨機自動控制的難點與核心。目前國內對于輥縫動態糾偏控制工藝的研究還處于初級階段。

5.自動控制系統的軟件設計

控制系統以可編程控制器PLC為核心，PLC采用西門子工業自動化生產線最新推出的1200系列產品。SIMATICS71200可編程控制器充分滿足中小型自動化系統的需求。西門子工業自動化在研發的過程中充分考慮了系統、控制器、人機界面和軟件的無縫整合和高效協調的需求。使用戶硬件組態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，結構緊湊合理，節省空間，該系列PLC數據處理速度更快，集成度更高，擴展性更強。程序員了解設備生產工藝后通過梯形圖編寫程序語言，內部控制程序通過接收到的數據信號進行運算，使用比較、置位、計時器等指令判斷設備運行情況。通過實時讀取的數據，PLC程序可判斷設備是否有發生故障的趨勢，如果有故障趨勢，PLC程序可控制相應執行機構進行去故障操作，具有很強的自我糾正能力。當系統檢測到無法糾正的故障時，也可以停機報警，保護設備安全。該控制邏輯既有閉環控制，又有開環控制，自動調節性強，可靠性高，可保證設備長期安全，平穩的運行。

操作界面是人機交互的通道，是操作者獲取設備運行狀態，下達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。

為了更好地區分主次，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備各個部分的功能。分界面是集成各個子系統的詳細信息，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、參數設置界面等。分界面的功能是啟動電機、電磁閥、加熱器等執行機構；顯示傳感器測得的工程量和設置報警故障范圍；顯示備妥狀態；查詢報警信息及查詢歷史報警記錄等。

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

結語

高壓輥磨機是90年代發展起來的高新技術產品，廣泛應用于水泥、礦山、冶金、化工等工業部門。從高壓輥磨機近幾年金屬礦山的應用情況來看，存在的主要問題是輥面磨損問題。導致輥面磨損的原因，我認為主要有以下幾點：

（1）輥面的結構形式和加工工藝。

（2）礦石性質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是我公司開發的首臺礦用高壓輥磨機產品，自身性能和控制工藝需要在實際生產中總結經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，創造大效益。

［1］李維強.高壓輥磨機在礦業生產領域的研究及應用［Z］.維普網，2005.

［2］柴瑞娟.西門子PLC編程技術及工程應用［M］.北京：機械工業出版社，2007.

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