付惠琪, 袁東升, 李長虹

1.焦作市技師學院 河南焦作 454150 2.河南理工大學 安全與科學工程學院 河南焦作 454150

1 研發(fā)背景

某礦山廠有一臺由6 kV高壓電動機驅動的球磨機。該球磨機各組成部分的電控系統(tǒng)由不同生產廠家單獨提供,各設備之間只有簡單的連鎖控制,沒有進行整體保護設計。一些關鍵部位的檢測值僅有儀表指示,缺乏必要的自動報警停機功能。對于高溫引發(fā)跳閘等故障,只能通過人工手動操作,安全性和穩(wěn)定性較差。為了防止運行中設備損壞,需要根據現(xiàn)場生產要求,增加一套球磨機保護系統(tǒng),確保球磨機安全穩(wěn)定運行。

2 保護系統(tǒng)功能

球磨機保護系統(tǒng)的主要功能是實時檢測、傳輸并判斷長時間處于高負荷連續(xù)運行的球磨機各個檢測點信號,可靠發(fā)出報警信號或停機信號,起到保護作用?？梢?球磨機保護系統(tǒng)不僅要整合球磨機各部件的檢測信號、控制信號及故障信號,而且要實現(xiàn)與中控的連鎖控制,并能通過上位機監(jiān)控顯示檢測信號的實時變化及報警信息。

球磨機保護系統(tǒng)主要對球磨機前后軸瓦溫度、高壓電動機前后軸承溫度、高壓電動機定子繞組溫度、冷卻風機運行故障和潤滑油壓力進行實時監(jiān)控。當溫度、壓力到達一定數值時,保護系統(tǒng)發(fā)出報警信號。當溫度、壓力達到極限值或冷卻風機發(fā)生缺相故障時,保護系統(tǒng)使球磨機自動停機。

球磨機保護系統(tǒng)具體控制功能如下:

(1) 球磨機軸瓦溫度高于65 ℃時報警,達到70 ℃時停機;

(2) 高壓電動機軸承溫度高于75 ℃時報警,達到80 ℃時停機;

(3) 高壓電動機定子繞組溫度高于130 ℃時報警,達到140 ℃時停機;

(4) 潤滑油壓力低于0.18～0.2 MPa或高于0.4～0.6 MPa時報警,低于0.15～0.18 MPa時停機,具體閾值可根據設備運行情況調節(jié);

(5) 冷卻風機發(fā)生斷相故障時,報警并停機;

(6) 與中控形成連鎖控制,能接收來自中控的設備啟停、急停信號等,同時能將綜合報警信號及故障信號傳送至中控。

3 硬件設計

3.1 組成

球磨機保護系統(tǒng)采用可編程序控制器和觸摸屏控制,可編程序控制器處理來自現(xiàn)場的各種模擬量信號和開關量信號,并通過程序控制輸出和執(zhí)行元件,在球磨機出現(xiàn)異常情況時實現(xiàn)報警或停機功能。觸摸屏作為可編程序控制器的上位機,主要監(jiān)控球磨機的工作狀態(tài),還可以設置參數、復位系統(tǒng)等,保障球磨機的安全、可靠運行。根據控制要求,球磨機保護系統(tǒng)主要由可編程序控制器、觸摸屏、交流直流轉換模塊、溫度變送器、壓力變送器、直流24 V穩(wěn)壓電源、中間繼電器等組成,其結構如圖1所示。

3.2 選型

球磨機保護系統(tǒng)中,可編程序控制器選用三菱FX2N-32MR型。這一型號可編程序控制器輸入、輸出各有16點,不僅滿足現(xiàn)有功能需求,還有適當冗余,為系統(tǒng)升級留下了空間。可編程序控制器輸出類型為繼電器輸出。

人機界面采用TPC7062K型觸摸屏,這一觸摸屏為7 in(1 in=25.4 mm)液晶顯示屏,其組態(tài)軟件MCGS是國內市場目前占有率較高的組態(tài)軟件,具有功能完善、操作簡便等優(yōu)點。

圖1 球磨機保護系統(tǒng)結構

根據現(xiàn)場情況,溫度信號選用0～200 ℃、4～20 mA G1EI型溫度變送器進行采集,內置Pt100鉑熱電阻溫度檢測傳感器。壓力信號選用0～1 MPa、4～20 mA GB-3000A(G)型擴散硅型壓力變送器進行采集。由于潤滑油站及各溫度信號采集點與可編程序控制器電控柜距離較遠,因此變送器全部選用適合遠距離傳輸的電流信號輸出型,以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

其它硬件,如直流24 V穩(wěn)壓電源、中間繼電器等,根據現(xiàn)場要求合理選擇?？紤]到工作場地噪聲大,異常情況報警選用安裝在控制柜上方的紅色報警燈進行報警,而不選用聲響報警。

現(xiàn)場采集的溫度、壓力信號是模擬量信號,輸入可編程序控制器之前需要進行模數轉換。采用三個FX2N-4AD型擴展模塊實現(xiàn)模數轉換,FX2N-4AD型擴展模塊與溫度或壓力變送器的接線如圖2所示。

圖2 FX2N-4AD型擴展模塊與變送器接線

3.3 輸入、輸出地址分配

球磨機保護系統(tǒng)的大部分信號為模擬量輸入信號,通過FX2N-4AD型擴展模塊傳送至可編程序控制器,不占用可編程序控制器基本單元的輸入點。本著整合信號、集中控制的原則,球磨機保護系統(tǒng)將一些重要輔助設備的控制點及反饋信息,如冷卻風機停機信號、球磨機前后軸瓦報警信號和過熱信號等輸入可編程序控制器基本單元的輸入點,與其它信號一起進行保護控制。球磨機保護系統(tǒng)輸入、輸出地址分配見表1。

表1 球磨機保護系統(tǒng)輸入、輸出地址分配

4 軟件設計

球磨機保護系統(tǒng)軟件主要由可編程序控制器控制程序和人機界面監(jiān)控組態(tài)組成。

4.1 可編程序控制器控制程序

球磨機保護系統(tǒng)可編程序控制器控制程序主要考慮FX2N-4AD型擴展模塊的正確設置,數字量信號的讀出、顯示、比較判斷,以及其它設備傳送信號的處理等。由于人機界面觸摸屏上輸入和顯示的溫度、壓力信號都是非整數,因此編程時要特別注意定點數與浮點數的轉換、計算等問題。球磨機保護系統(tǒng)可編程序控制器控制程序流程如圖3所示。

4.2 人機界面監(jiān)控組態(tài)

為了實現(xiàn)上位機的運行監(jiān)控,需要對人機界面觸摸屏畫面進行組態(tài)設計。在球磨機保護系統(tǒng)中,利用組態(tài)軟件MCGS設計初始畫面,以及運行監(jiān)控、歷史報警信息、實時報警信息、參數設定等組態(tài)畫面。觸摸屏界面結構如圖4所示。

圖3 可編程序控制器控制程序流程

圖4 觸摸屏界面結構

通過運行監(jiān)控畫面,操作人員可以實時查看高壓電動機軸承溫度等信號的實際值。人機界面設有報警顯示功能,若存在報警信號,則會在實時報警信息畫面和歷史報警信息畫面中按時間順序顯示報警的信息和數據,方便技術人員進行故障診斷。報警、停機等極限值可以根據現(xiàn)場實際情況進行更改,具有很大的靈活性和較高的可靠性。人機界面組態(tài)畫面如圖5所示。

5 保護系統(tǒng)應用

球磨機保護系統(tǒng)于2017年3月投入試運行。經過實際運行效果確認,保護系統(tǒng)具有結構合理、功能完善、運行可靠、便于擴展等特點,達到了預期的設計要求,有效保障了球磨機的安全、穩(wěn)定、可靠運行,提高了企業(yè)的生產效率和經濟效益,具有推廣價值。

6 結束語

基于可編程序控制器和觸摸屏控制技術的球磨機保護系統(tǒng)可以實時、自動在線監(jiān)測球磨機各個部件的運行狀況,對故障模式進行自動識別、判斷和預警,實現(xiàn)自我保護,能夠有效預防事故的發(fā)生,對改善企業(yè)安全狀況、提高勞動生產率和經濟效益具有重要意義。

圖5 人機界面組態(tài)畫面

筆者設計球磨機保護系統(tǒng)是一次初步嘗試,需要在后續(xù)運行實踐中不斷改進、完善。

隨著信息技術和人工智能的發(fā)展,可以預見球磨機保護系統(tǒng)將更為可視化、自動化、智能化、模塊化,將具有更為全面和強大的功能,并將更好地服務于礦山生產實踐。