1336PLUSⅡ變頻調(diào)速在選礦生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

1 引言

變頻調(diào)速在過程控制中具有廣泛的應(yīng)用前景。由于變頻調(diào)速的調(diào)速范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、并且具有較高的控制精度，故在生產(chǎn)過程閉環(huán)控制中，已經(jīng)被普遍采用。尤其是以往控制回路中采用調(diào)節(jié)元件如調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，大都可以被“變頻器+電機(jī)+泵”取代。這樣做的好處：（1）大大節(jié)省電能（2）避免了調(diào)節(jié)閥維護(hù)和更換費(fèi)用（3）使控制指標(biāo)更加穩(wěn)定和精確。

在變頻器的選型設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體工藝情況和工程特點(diǎn)，選擇合適的變頻器及其相關(guān)的附件，這樣做不僅合理地控制投資，而且更能夠滿足生產(chǎn)工藝的需求。

2. 工程背景簡(jiǎn)介

某選礦廠在進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)改造前，其22臺(tái)焙燒礦石的豎爐（煤氣加熱爐）的進(jìn)風(fēng)口鼓風(fēng)機(jī)的電機(jī)沒有調(diào)速裝置，電機(jī)（其功率基本為45KW）處于工頻運(yùn)行狀態(tài)。煤氣燃燒狀態(tài)只靠手調(diào)加熱煤氣量來保證；7個(gè)系列磨機(jī)的電振給礦機(jī)的給料量的控制是通過調(diào)節(jié)其振動(dòng)頻率來保證的（下料量很不穩(wěn)定）；7個(gè)系列旋流器給礦壓力的控制是通過調(diào)節(jié)旋流器給礦泵（其拖動(dòng)電機(jī)功率基本為75KW）出口管路上的閥門開度大小來控制的；5臺(tái)濃縮機(jī)底流管路內(nèi)礦漿度的控制是通過調(diào)節(jié)其底流泵（其拖動(dòng)電機(jī)基本為115KW）出口管路上的閥門開度大小來實(shí)現(xiàn)的。

由于沒有自動(dòng)化系統(tǒng)，在控制方式上只能靠手動(dòng)調(diào)節(jié)。這不僅影響到生產(chǎn)工藝指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，而且由于采用“電機(jī)+風(fēng)機(jī)/泵+調(diào)節(jié)閥”調(diào)節(jié)方式，造成浪費(fèi)電能并且調(diào)節(jié)閥維護(hù)、更換費(fèi)用較大。總之，以往的調(diào)節(jié)方式使得生產(chǎn)工藝指標(biāo)很不穩(wěn)定，生產(chǎn)運(yùn)行方式很不經(jīng)濟(jì)。

3. 變頻調(diào)節(jié)控制方案說明

我們?cè)趯?duì)該選礦廠進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)改造后，通過采用“變頻器+電機(jī)+風(fēng)機(jī)/泵”方案，不僅能夠穩(wěn)定控制住生產(chǎn)工藝指標(biāo)，而且節(jié)能效果明顯。

本選礦自動(dòng)化系統(tǒng)中，共使用變頻器50臺(tái)。其中用于豎爐鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)的變頻器22臺(tái)，用于磨機(jī)給礦機(jī)給礦量調(diào)節(jié)的變頻器16臺(tái)（給礦機(jī)改為皮帶給礦機(jī)，其電動(dòng)滾筒功率為2.2KW），用于旋流器給礦壓力調(diào)節(jié)的變頻器7臺(tái)，用于濃縮機(jī)底流濃度調(diào)節(jié)的變頻器5臺(tái)。控制方案說明如下：

1）通過使用變頻器對(duì)鼓風(fēng)機(jī)拖動(dòng)電機(jī)的調(diào)速，完成22臺(tái)豎爐進(jìn)風(fēng)量的調(diào)節(jié)，進(jìn)而完成空/燃比控制。

2）通過使用變頻器對(duì)給礦機(jī)電動(dòng)滾筒的調(diào)速，完成磨機(jī)給礦量的恒定閉環(huán)控制。

3）通過使用變頻器對(duì)旋流器給礦泵池泵拖動(dòng)電機(jī)的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)旋流器給礦壓力的閉環(huán)控制。

4）通過使用變頻器對(duì)濃縮機(jī)底流泵拖動(dòng)電機(jī)的調(diào)速完成濃縮機(jī)底流礦漿濃度的閉環(huán)控制。

4. 變頻器系統(tǒng)選型配置與設(shè)計(jì)方案

變頻器系統(tǒng)選型配置與設(shè)計(jì)總的原則為:在保證生產(chǎn)工藝要求并保證生產(chǎn)安全、穩(wěn)定的前提下，盡量節(jié)省投資。

1）變頻器類型的選擇
考慮到該選礦生產(chǎn)過程使用的變頻器都用于對(duì)生產(chǎn)工藝過程的回路控制，在生產(chǎn)工藝制上最終控制指標(biāo)為：溫度、給礦量、壓力、濃度、生產(chǎn)指標(biāo)。該過程控制對(duì)變頻器的質(zhì)量、可靠性要求較高，但對(duì)變頻器本身的性能指標(biāo)要求不高。變頻器具有普通的U/f控制等功能即可以滿足生產(chǎn)要求，并不需要使用磁場(chǎng)定向矢量控制高性能型變頻器。故在變頻器選型設(shè)計(jì)上，選擇了ROCKWELL 1336PLUSⅡ變頻器（該種變頻器為全數(shù)字、交-直-交電壓型、具有組網(wǎng)通訊功能，在控制方式上具有V/F控制和無傳感器矢量控制兩種控制模式），而沒有選用ROCKWELL 1336IMPACT、 1336FORCE磁場(chǎng)定向控制高性能型變頻器。

2）變頻器容量的選擇

變頻器容量的選擇首先考慮了電機(jī)功率、電機(jī)在正常工頻運(yùn)行情況下的實(shí)際電流大小以及電機(jī)的負(fù)載類型（皮帶給礦機(jī)為恒轉(zhuǎn)距類型負(fù)載，該鼓風(fēng)機(jī)、泥漿泵為風(fēng)機(jī)/泵類型負(fù)載），來作為選擇變頻器的容量的主要依據(jù)。

同時(shí)綜合考慮了變頻器安裝地理位置的海拔高度（該選礦廠海拔1600M），及安裝場(chǎng)所（電磁站內(nèi)）的環(huán)境溫度，以及變頻器為封閉式且采用柜內(nèi)安裝等因素來適當(dāng)放大變頻器的額定容量。

3）變頻器電網(wǎng)側(cè)元件的選擇

由于變頻器的整流側(cè)使用的可控硅功率器件，故在變頻器的進(jìn)線側(cè)選擇快速熔斷器進(jìn)行短路保護(hù)。另外，根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的供配電情況，在變頻器的進(jìn)線側(cè)都選用了進(jìn)線電抗器。

4）變頻器負(fù)載側(cè)元件的選擇

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，變頻器安裝地點(diǎn)一般遠(yuǎn)離電機(jī),即變頻器的出線動(dòng)力電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)。本工程中使用的變頻器出線電纜長(zhǎng)度大多在100米以上。以豎爐鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)為例，其變頻器和電機(jī)之間連接的動(dòng)力電纜長(zhǎng)度見表一：

由于由變頻器給電機(jī)供電時(shí)，線電壓為方波而非正弦波，該電壓波形在電動(dòng)機(jī)終端處疊迭加，稱為反射波現(xiàn)象。該現(xiàn)象在變頻器到電機(jī)之間動(dòng)力電纜較長(zhǎng)時(shí)將發(fā)生。反射波現(xiàn)象會(huì)降低電機(jī)的絕緣壽命。ROCKWELL變頻器使用外加輸出電抗器或電機(jī)終結(jié)器（Terminiter）電器元件來將反射波電壓限制在電機(jī)絕緣允許的范圍之內(nèi)。對(duì)于變頻器出線電纜特別長(zhǎng)的情況，可以選用ROCKWELL的長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器（LLD），其可以允許使變頻器出線電纜長(zhǎng)度在1000米之內(nèi)。

在實(shí)際的選型設(shè)計(jì)中，綜合考慮了變頻器出線電纜長(zhǎng)度、非鎧裝電纜、電機(jī)的絕緣等級(jí)等因素，在大多數(shù)變頻器的出線端接入了輸出電抗器，少量變頻器的出線端接入了電機(jī)終接器1204—TFB2。對(duì)于變頻器出線電纜特長(zhǎng)的情況（如207米），選用了LLD產(chǎn)品。

5）變頻器一對(duì)二電機(jī)傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)

選礦廠使用的旋流器給礦泵每個(gè)生產(chǎn)系列為二泵互備使用生產(chǎn)方式（共7個(gè)系列），每臺(tái)濃縮機(jī)底流泵亦為二泵互備使用生產(chǎn)方式（共5臺(tái)濃縮機(jī)）。考慮到旋流器給礦泵、濃縮機(jī)底流泵功率較大，其拖動(dòng)電機(jī)單機(jī)功率分別為75KW、115KW。如果對(duì)每臺(tái)電機(jī)都配置一臺(tái)變頻器，則一次性投資較大。另外，從生產(chǎn)工藝上看，這種變頻器與電機(jī)一對(duì)一配置方式也不十分必要。故在電機(jī)傳動(dòng)方案上采用了一臺(tái)變頻器分時(shí)控制兩臺(tái)互備電機(jī)的方案，這里稱“變頻器一對(duì)二電機(jī)傳動(dòng)方案”。針對(duì)本工程，使用此方案可以節(jié)省投資100多萬(wàn)元。該方案的電氣主回路原理如圖一。從圖中可以看出該方案將電器元件安裝到一個(gè)電氣柜中，這里稱“變頻切換柜”，變頻器和電抗器裝到變頻器柜中。在該方案的電氣二次回路設(shè)計(jì)上，通過安裝在現(xiàn)場(chǎng)操作箱上的轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)接觸器KM1-KM5的開閉選擇，實(shí)現(xiàn)四種電機(jī)控制方式選擇：停機(jī)、非變頻手動(dòng)控制、變頻手動(dòng)控制、PLC控制模式。其中電機(jī)非變頻運(yùn)行控制模式（工頻運(yùn)行）在手動(dòng)和PLC控制模式下都可以實(shí)現(xiàn)，從而保證在變頻器故障的情況下，電機(jī)能夠繼續(xù)運(yùn)行。

使用該方案應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：兩臺(tái)互備電機(jī)應(yīng)功率相同或接近；生產(chǎn)工藝上應(yīng)允許變頻切換柜短時(shí)停電檢修；在通過PLC或手動(dòng)控制變頻器時(shí)，應(yīng)避免帶負(fù)荷分?jǐn)嘧冾l器出線側(cè)的接觸器，這可以延長(zhǎng)該接觸器和變頻器的使用壽命。

6） 變頻器與控制器之間的通訊方案的設(shè)計(jì)

由于該選礦廠自動(dòng)化系統(tǒng)中使用的變頻器較多，并且都是參與生產(chǎn)過程控制閉環(huán)調(diào)節(jié)的。變頻器的運(yùn)行狀態(tài)及起停命令及其頻率給定都是通過其所屬的各個(gè)控制站（PLC）來下達(dá)的。但由于變頻器安裝的物理位置比較分散（共分散在7個(gè)電磁站內(nèi)），并且變頻器安裝位置到與其相關(guān)的控制器（PLC）的安裝位置距離較遠(yuǎn)。如果通過硬線（最長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度在300米左右）完成變頻器與控制器之間的信號(hào)聯(lián)系將有很多缺點(diǎn)和不足：需要大量的施工材料并加大施工的工程量；控制站獲得的信息量小，對(duì)變頻器的狀態(tài)監(jiān)視能力減弱；在信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾，進(jìn)而會(huì)影響到變頻器的穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠運(yùn)行。

考慮到以上幾種因素，在控制器與變頻器之間的信號(hào)聯(lián)系上，采用ROCKWELL公司的設(shè)備網(wǎng)通訊方案完成。該方案不僅節(jié)省了模擬量、數(shù)字量信號(hào)電纜，并且實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字通訊，充分發(fā)揮了控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制站對(duì)變頻器的智能化監(jiān)控。變頻器系統(tǒng)通訊方案框圖如二：

該選礦自動(dòng)化系統(tǒng)控制器采用的是ROCKWELL公司的Controllogix系統(tǒng)。變頻器1336PLUSⅡ與之組網(wǎng)通訊有多種辦法,其中典型的有: ControlNet通訊、DeviceNet通訊、RS232/RS422/RS485通訊。在本設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際情況，采用了 DeviceNet通訊方案。DeviceNet設(shè)備網(wǎng)是采用CAN總線協(xié)議的典型的設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)，其一個(gè)網(wǎng)段的通訊距離為500米。其具體實(shí)現(xiàn)如下：在相關(guān)的Controllogix控制站機(jī)架的插槽上加入一塊1756-DNB通訊模塊，在每臺(tái)變頻器上都加入一塊1336-GM5通訊模塊。通過通訊電纜1485-P1-A500將相關(guān)的變頻器1336-GM5通訊模塊串接在一起，最終接到相關(guān)控制器的1756-DNB通訊模塊上。通過Controllogix系統(tǒng)對(duì)變頻器進(jìn)行組態(tài)和通訊，完成控制器與變頻器之間的通訊。

5. 變頻器在選礦廠的應(yīng)用效果

經(jīng)過一年多來的工業(yè)運(yùn)行表明，該選礦廠自動(dòng)化系統(tǒng)中變頻器選型配置合理，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。即滿足了生產(chǎn)工藝的要求，又有效控制節(jié)省了投資。

1）回路控制效果

工業(yè)運(yùn)行證明，ROCKWELL1336PLUSⅡ變頻器的動(dòng)態(tài)性能、精度和啟動(dòng)力矩等特性完全可以滿足選礦生產(chǎn)自動(dòng)化過程控制的要求，達(dá)到預(yù)期的控制效果。圖三給出了5#濃縮機(jī)底流濃度控制曲線。從中可以看到較好的控制效果。

2）節(jié)能效果

在選礦進(jìn)行自動(dòng)化改造前，采用“電機(jī)+泵+調(diào)節(jié)閥”方案進(jìn)行對(duì)旋流器給礦壓力、濃縮機(jī)底流濃度的調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過程中由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速是不可變的，因此很多能量都消耗到閥門上，造成電能的浪費(fèi)。閥門的開度越小，浪費(fèi)的電能越多。采用“變頻器+電機(jī)+泵”方案后，電動(dòng)機(jī)的速度由原來的不可變變?yōu)榭烧{(diào)，電動(dòng)機(jī)根據(jù)控制調(diào)節(jié)的要求實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，加之泵類負(fù)載電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率P與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的立方成正比，因此節(jié)能效果比較明顯。經(jīng)過長(zhǎng)期的工業(yè)運(yùn)行證明了這一點(diǎn)。

如該選礦廠某濃縮機(jī)底流礦漿管路濃度采用“電機(jī)+泵+調(diào)節(jié)閥”調(diào)節(jié)時(shí)，電機(jī)原工頻運(yùn)行時(shí)輸入功率在98KW左右，其泵管路上的閥門開度在30%左右。采用“變頻器+電機(jī)+泵”調(diào)節(jié)，將礦漿管路閥門全開，并保證同樣礦漿濃度的前提下，變頻器輸出功率在68KW左右。僅此一臺(tái)設(shè)備全年就可節(jié)省電20多萬(wàn)度。

3）節(jié)省了調(diào)節(jié)閥的維護(hù)和更換費(fèi)用

選礦廠使用的調(diào)節(jié)閥都安裝在礦漿管路上。礦漿在管路內(nèi)快速流動(dòng)時(shí)，較高濃度的顆粒狀礦漿流體，會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)閥有較大的磨損。即使使用耐磨性強(qiáng)的材質(zhì)的調(diào)節(jié)閥，也不可避免地需要經(jīng)常維修和更換，造成較大的維護(hù)費(fèi)用和維修工作量。選用“變頻器+電機(jī)+泵”對(duì)礦漿流量進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，可以不用調(diào)節(jié)閥，即可以節(jié)省維護(hù)費(fèi)用，又能保證生產(chǎn)穩(wěn)定。

6. 結(jié)束語(yǔ)

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展及其相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量性能的不斷提高，在生產(chǎn)流程行業(yè)大量使用的籠型感應(yīng)電機(jī)，有了較為理想并可以完全信賴的調(diào)速設(shè)備——變頻器。以往在流程行業(yè)廣泛使用的“電機(jī)+泵+調(diào)節(jié)閥”生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)方式，大多被“變頻器+電機(jī)+泵”調(diào)節(jié)方式所取代，這已經(jīng)和正在給企業(yè)帶來了巨大的效益。這種效益不完全體現(xiàn)在節(jié)能降耗上，而且表現(xiàn)在對(duì)生產(chǎn)工藝指標(biāo)的控制更易實(shí)現(xiàn)、生產(chǎn)更加穩(wěn)定、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用降低和操作更加方便等諸多方面。

值得注意的是，目前國(guó)內(nèi)使用變頻調(diào)速的電機(jī)大多并非變頻專用電機(jī)，在工藝設(shè)計(jì)中如果缺乏各個(gè)專業(yè)之間的溝通，會(huì)出現(xiàn)電機(jī)功率選擇不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象。這會(huì)表現(xiàn)在生產(chǎn)過程中電機(jī)運(yùn)行頻率（平衡點(diǎn)）偏低，結(jié)果會(huì)使電機(jī)過熱（對(duì)于負(fù)載為恒轉(zhuǎn)距類的電機(jī)尤為嚴(yán)重）進(jìn)而影響了電機(jī)的使用壽命。

建議在使用變頻調(diào)速時(shí)，在電機(jī)的功率選擇上要慎重考慮，盡量選用變頻專用電機(jī)。