沈良福

摘要： Siemens G150變頻器在球磨機(jī)系統(tǒng)砂泵電機(jī)上的應(yīng)用，提高了球磨機(jī)產(chǎn)物從物料池到旋流器組的穩(wěn)定性，增加了系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性，可以根據(jù)球磨循環(huán)量的變化，適時(shí)的調(diào)節(jié)砂泵電機(jī)的頻率，減少對(duì)泵的磨損，節(jié)約能源，提高效率。

Abstract： The application of Siemens G150 frequency converter in the sand pump motor of ball mill system improves the stability of the ball mill products from the material pool to the cyclone group， increases the adjustability of the system， can adjust the frequency of the sand pump motor timely according to the change of the ball grinding cycle， reduce the wear of the pump， save energy and improve efficiency.

關(guān)鍵詞： Siemens G150變頻器;砂泵;調(diào)節(jié);節(jié)能

Key words： Siemens G150 transducer;sand pump;regulation;energy saving

中圖分類號(hào)：TE922 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）01-0082-03

0 ?引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，綠色可持續(xù)發(fā)展已然成為全球的一種必然趨勢(shì)，越來(lái)越多的工業(yè)企業(yè)在追求綠色可持續(xù)發(fā)展，綠色發(fā)展成為一種新風(fēng)尚，更加高效節(jié)能的設(shè)備使用給企業(yè)減負(fù)提供了一條持久的經(jīng)濟(jì)之道。就選礦廠工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)而言，存在著諸多的電機(jī)系統(tǒng)，如球磨機(jī)電機(jī)、給礦電機(jī)、砂泵電機(jī)、浮選機(jī)電機(jī)、浮選泡沫泵電機(jī)等。然而，在很多狀況下電機(jī)并不需要滿負(fù)荷運(yùn)行，使用工頻直接控制大功率電機(jī)顯然已經(jīng)不滿足節(jié)能降耗的大趨勢(shì)了、不符合綠色可持續(xù)的發(fā)展、不利于成本的把控。變頻器因其具有調(diào)速、節(jié)能的作用備受歡迎，得到廣泛的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)，并可根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)速，為礦山的智能化、節(jié)約化建設(shè)提供了一定基礎(chǔ)。

1 ?Siemens G150變頻器

西門子公司對(duì)SiemensG150變頻器進(jìn)行了更加系統(tǒng)的優(yōu)化，具有更加優(yōu)良的性能。G150是柜體式單傳動(dòng)的變頻器，采用了最新半導(dǎo)體技術(shù)并對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，大大提高了冷卻效果，使其能適用于更加惡劣的環(huán)境，提升了系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，為穩(wěn)定生產(chǎn)保駕護(hù)航，變頻器柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊有序，運(yùn)行噪音低。SiemensG150為了便于設(shè)備維護(hù)，將可更換部件基于方便維護(hù)接近、能快速更換的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，為客戶維護(hù)提供了較大便利，提高了設(shè)備的可更換及維修性，增加了設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率，減少了設(shè)備維修時(shí)間，產(chǎn)生更大收益。

G150變頻器采用了LCD圖形化的AOP30高級(jí)操作面板，可以通過(guò)AOP30高級(jí)面板進(jìn)行調(diào)試和參數(shù)設(shè)定并進(jìn)行電機(jī)優(yōu)化，為用戶現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試提供極大的便利，減少了調(diào)試的操作難度，隨時(shí)顯示電壓、電流、頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速，具有很強(qiáng)的自診斷、指示能力，可檢測(cè)各部分的運(yùn)行狀態(tài)、較完整的故障檢測(cè)電路，能夠精確的進(jìn)行故障定位。G150 的客戶端子，不是直接連接在操作面板上，而是有一個(gè)獨(dú)立出來(lái)的客戶端子板TM31，一旦端子不小心損壞，只須替換TM31端子板即可不需要更換AOP高級(jí)操作面板，節(jié)約了維護(hù)成本。圖1為端子TM31模塊。

X542.3號(hào)端子作為運(yùn)行指示;

X542.5、X542.6號(hào)端子作為變頻器的故障指示;

X520.1號(hào)端子作為控制變頻器啟/停的信號(hào)輸入;

X522.4、X224.5號(hào)端子作為電壓值模擬量輸出;

X521.1、X521.2號(hào)端子作為頻率給定信號(hào)。

2 ?方案的實(shí)施

在球磨機(jī)控制系統(tǒng)使用了一臺(tái)Siemens G150變頻器控制砂泵電機(jī)，根據(jù)球磨機(jī)循環(huán)量的多少來(lái)調(diào)節(jié)砂泵的頻率，相比于工頻運(yùn)行無(wú)法調(diào)節(jié)頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，采用G150能提高泵的使用效率，減少對(duì)泵的磨損，節(jié)約了消耗件的成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)工廠智能化建設(shè)。

根據(jù)轉(zhuǎn)速公式：n=（60*f/p）*（1-s）r/min

式中p為電機(jī)極對(duì)數(shù)，式中p是不變的，s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率，電機(jī)極對(duì)數(shù)是固定不變的，當(dāng)轉(zhuǎn)差率不變的情況下，頻率和轉(zhuǎn)速成一定的比例關(guān)系，電動(dòng)機(jī)調(diào)速過(guò)程中必須要確保供電電壓，電壓波動(dòng)易導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，產(chǎn)生跳閘甚至損壞設(shè)備。對(duì)于泵來(lái)說(shuō)，流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。根據(jù)他們之間的關(guān)系變化，當(dāng)泵的流量減少時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，功率按其轉(zhuǎn)速的三次方下降。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降10%時(shí)，電機(jī)功率下降了27%，由此可見(jiàn)，當(dāng)采用變頻器調(diào)速，其節(jié)能效果十分明顯。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采用工頻電源直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流為額定電流的6～7倍，因此，將產(chǎn)生機(jī)械電氣上的沖擊，對(duì)電網(wǎng)及電氣設(shè)備產(chǎn)生不可逆的影響。而采用變頻器控制電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)，起動(dòng)時(shí)，隨著電機(jī)的加速相應(yīng)提高頻率和電壓，起動(dòng)電流被限制在1.5倍額定電流以下（視情況而定），起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為70%～120%額定轉(zhuǎn)矩;對(duì)于帶有轉(zhuǎn)矩自動(dòng)增強(qiáng)功能的變頻器，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為100%以上，可以帶全負(fù)載起動(dòng)。在低轉(zhuǎn)速滿足條件的情況下降低了對(duì)泵的沖擊，減少了對(duì)泵的磨損。

整套變頻器控制系統(tǒng)由變壓器、G150變頻器、西門子電機(jī)、配置柜、球磨機(jī)PLC控制系統(tǒng)、DCS遠(yuǎn)程操作站和現(xiàn)場(chǎng)控制箱組成。

變頻器G150：輸入頻率50-60Hz，電壓660-690V，電流598A;

輸出頻率0-550Hz，電壓0-690V，電流575A。

因現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境粉塵較大，工作環(huán)境不是十分理想，原有的IP54的防護(hù)等級(jí)難以滿足需求，故將原IP54的防護(hù)等級(jí)要求進(jìn)一步提高，原柜體上的下方進(jìn)氣濾網(wǎng)開(kāi)口比較粗大，容易吸入較大顆粒粉塵，為兼顧通風(fēng)及防塵效果，將空氣濾網(wǎng)進(jìn)行了更換，使用密度更小一級(jí)的過(guò)濾網(wǎng)，并對(duì)出風(fēng)口濾網(wǎng)進(jìn)行了檢查，出風(fēng)導(dǎo)槽原是向下導(dǎo)風(fēng)，將其改為向上導(dǎo)風(fēng)，確保帶有熱量的空氣向上散播而不是向下噴出再次被吸入進(jìn)氣口進(jìn)行循環(huán)，提高設(shè)備降溫效果。

西門子電機(jī)1LA8405-6PM8三相鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)， 電機(jī)輸入電壓690V，額定電流445A，轉(zhuǎn)速993r/min，功率因數(shù)0.85，功率435kW。自冷式冷卻風(fēng)扇，電機(jī)帶有軸承測(cè)溫及電機(jī)繞組測(cè)溫輸出，能夠全面及時(shí)的發(fā)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行狀況，將溫度信號(hào)采集進(jìn)入PLC，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，一旦電機(jī)出現(xiàn)繞組或軸承溫度異常，可以通過(guò)PLC控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)診斷并上傳到中控室進(jìn)行報(bào)警，便于維護(hù)人員及時(shí)處理。如果溫度上升瞬間過(guò)高并保持幾秒則判斷電機(jī)出現(xiàn)故障，PLC做出故障指示并停止電機(jī)，維修人員確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行故障確認(rèn)方可重新開(kāi)啟。

變頻器的控制電源由配置柜提供，變頻器的數(shù)據(jù)通過(guò)PROFIBUS送到球磨機(jī)PLC控制系統(tǒng)，具有遠(yuǎn)程和本機(jī)控制功能，本機(jī)控制時(shí)可就地人工啟動(dòng)、停止，調(diào)整轉(zhuǎn)速頻率等。DCS遠(yuǎn)程控制設(shè)在中控操作室，在中控操作室可以進(jìn)行電機(jī)的遠(yuǎn)程啟停，給定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，中控電腦上可顯示變頻器故障信息，顯示實(shí)時(shí)電機(jī)電流、電壓、電機(jī)繞組及軸承溫度變化曲線并進(jìn)行溫度報(bào)警。通過(guò)PROFIBUS通訊將變頻器與球磨機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)全流程控制，接入中控室實(shí)現(xiàn)中控室、現(xiàn)場(chǎng)、配電室三地控制，控制權(quán)限逐步增強(qiáng)，中控室實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控及遠(yuǎn)程啟停操作，現(xiàn)場(chǎng)控制箱設(shè)置遠(yuǎn)程＼就地、啟＼停、緊急停止等，配電室配置本柜啟停、遠(yuǎn)程＼就地、緊急停止等。但考慮到現(xiàn)場(chǎng)控制柜開(kāi)放的使用環(huán)境，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制柜的啟＼停功能進(jìn)行了隔離。

圖2為PLC控制砂泵程序。

中控室操作人員可以通過(guò)液位探測(cè)計(jì)，根據(jù)泵池的液位快速高效在中控室通過(guò)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)頻率來(lái)控制變頻器的輸出，進(jìn)而調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變物料池的液位，優(yōu)化整個(gè)球磨流程，提高球磨效率，減少了打空泵的概率，節(jié)約電能。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)為G150配置了一個(gè)控制柜，將變頻器的輸入、輸出、控制接口等引出至配置柜，在配置柜內(nèi)有外接電源為控制設(shè)備單獨(dú)供電，配置柜內(nèi)設(shè)有現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程、就地，本配置柜的遠(yuǎn)程、就地，啟?？刂?，運(yùn)行反饋和故障反饋中繼進(jìn)行指示，便于對(duì)設(shè)備進(jìn)行日常的檢查和維護(hù)，也為變頻器故障維修提供便利。同時(shí)考慮到生產(chǎn)任務(wù)緊，一旦維修需要時(shí)間較長(zhǎng)，使用配置柜可以更加快速的實(shí)現(xiàn)備用變頻器的更換，也為維修變頻器提供更加富裕的維修時(shí)間，便于做更加完整的檢測(cè)，減少了設(shè)備的空宕時(shí)間，提高了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率。

配置柜電氣控制圖，如圖3。

3 ?調(diào)試

經(jīng)過(guò)PROFIBUS通信模塊能夠?qū)150方便的集成到自動(dòng)化系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)PROFIBUS通訊與軟件Starter進(jìn)行通訊，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)參數(shù)、靜態(tài)測(cè)試等進(jìn)行調(diào)試和存儲(chǔ)參數(shù)、拷貝數(shù)據(jù)，方便故障之后能快速進(jìn)行維護(hù)。西門子軟件STARTER，是一款由西門子官方所推出的專業(yè)調(diào)試工具，這款軟件完美支持SINAMICS系列DRIVE類產(chǎn)品，用戶可以按照自己的想法進(jìn)行調(diào)試操作，能夠很好的避免了各種問(wèn)題的發(fā)生，用戶可以根據(jù)自身的設(shè)備及運(yùn)行需求進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)以及調(diào)試。調(diào)試分為以下幾個(gè)步驟：①電機(jī)的靜態(tài)識(shí)別和優(yōu)化，參考電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)，變頻器根據(jù)輸入的電機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行自整定建立數(shù)學(xué)模型，此時(shí)不啟動(dòng)電機(jī)，只是做電機(jī)的信息錄入;②對(duì)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別，在做動(dòng)態(tài)識(shí)別之前，需確定電機(jī)是空載空轉(zhuǎn)的，帶有一定負(fù)載做動(dòng)態(tài)識(shí)別會(huì)影響后續(xù)電機(jī)的性能，對(duì)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，啟動(dòng)變頻器，變頻器輸出電流，電機(jī)運(yùn)行，變頻器通過(guò)運(yùn)行的電機(jī)，對(duì)靜態(tài)識(shí)別情況下電機(jī)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算和優(yōu)化確定，使電機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定高效的運(yùn)行區(qū)間;

③對(duì)變頻器的調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，電機(jī)加減速時(shí)間的設(shè)定、變頻器故障顯示及面板顯示數(shù)據(jù)的設(shè)定等。通過(guò)將電機(jī)額定參數(shù)輸入并進(jìn)行調(diào)試，后將加速時(shí)間調(diào)為15秒，減速時(shí)間調(diào)為10秒，能夠較好的達(dá)到生產(chǎn)工藝要求。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有電腦時(shí)，用戶也可以通過(guò)面板根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試過(guò)程與STARTER調(diào)試過(guò)程一樣，但是要對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，調(diào)試好的程序和參數(shù)將存儲(chǔ)于Flashcard中，便于用戶保存提取使用。調(diào)試后的數(shù)據(jù)可用Flashcard適配器讀取，可以存儲(chǔ)在硬盤中，或刻成光盤存檔。當(dāng)有一樣功率，一樣功用的電機(jī)設(shè)備需要安裝連接變頻器時(shí)可以將數(shù)據(jù)直接拷貝到新的變頻器中的Flashcard中，不需設(shè)置任何參數(shù)即可直接使用。同樣的一旦設(shè)備的參數(shù)被誤修改但是又不知道修改的地方，或Flashcard損壞也可用以上的辦法進(jìn)行維護(hù)而不再需要重新對(duì)變頻器進(jìn)行參數(shù)輸入和調(diào)試，減少了維護(hù)時(shí)間，提高了設(shè)備的使用率。

4 ?使用效果

使用變頻器之前，砂泵電機(jī)運(yùn)行電流約450A;使用變頻器后，砂泵電機(jī)運(yùn)行電流230A;節(jié)電約48.9%。通過(guò)變頻控制實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，有效避免了對(duì)電網(wǎng)及電動(dòng)機(jī)繞組的沖擊，降低了設(shè)備啟動(dòng)時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)和泵體的震動(dòng)。采用變頻器進(jìn)行砂泵電機(jī)控制，有效的降低了電力成本，一定程度上降低了對(duì)泵的損壞，在節(jié)能環(huán)保方面具有良好的效果。

5 ?后期改進(jìn)

現(xiàn)有的砂泵變頻控制，只是對(duì)泵池液位進(jìn)行顯示，人工根據(jù)顯示調(diào)節(jié)砂泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，未引入過(guò)程自動(dòng)控制，未對(duì)砂泵變頻調(diào)速進(jìn)行自整定控制，沒(méi)有將液位與變頻自動(dòng)聯(lián)合起來(lái)。下一步將引入使用PLC的PID控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)泵池液位和電機(jī)變頻調(diào)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)，液位高則提高轉(zhuǎn)速，液位低則降低轉(zhuǎn)速。根據(jù)砂泵泵池液位的高低，通過(guò)比例、積分、微分三種混合調(diào)節(jié)方式改變變頻器頻率輸出進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，進(jìn)一步提升智能化水平，一定程度上減少中控室操作人員的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量并更加快速的根據(jù)設(shè)定經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行自動(dòng)操作，進(jìn)一步集約化，使用PID調(diào)節(jié)進(jìn)行參數(shù)整定，可以提高系統(tǒng)反應(yīng)速率、增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力、減少震蕩時(shí)間及震蕩幅度，較好的保證泵池液位的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)球磨流程的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)更加高效的節(jié)能。優(yōu)化配電室及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境，進(jìn)行室內(nèi)密封降塵等措施保障設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境。PID概念示意圖如圖4。

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