水泥磨新型驱动单元控制系统设计

汤春球，胡力文

(武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)

目前，相关政策对水泥产业提出了节能降耗的明确要求[1]。水泥磨作为水泥生产关键设备之一，其能耗占据生产总能耗的35%以上。因此国内外许多专家学者对提高水泥磨生产效率，降低其能耗的方法进行了研究。研究方向主要集中在预粉磨技术应用，水泥磨局部结构改进及控制算法优化上[2-4]。根据水泥生产线实际生产数据，当生产线产量相同时，单台水泥磨产量越高生产单位质量水泥的平均能耗越低[5]。因此提高水泥磨产量是实现水泥生产节能降耗的有效途径。限制水泥磨产量的关键点之一是水泥磨驱动单元的负载能力，然而对于新型水泥磨驱动单元的结构、控制系统研究目前尚属于起步阶段，仅西门子等少数公司设计出了高负载水泥磨新型驱动单元。笔者旨在根据非凡公司的新型水泥磨驱动单元机电结构设计其控制系统，并通过现场测试来检验该控制系统的可靠性，为以后新型水泥磨驱动单元控制系统的设计提供一定的参考。

1 水泥磨驱动单元结构

非凡公司设计制造的MVR 6700-6新型水泥立磨有5台磨主电机及两台辅传电机，主电机为正常工作提供动力，辅传电机负责提供维护、检修时的动力。5台磨主电机呈2-2-1分组，每组间隔120°，其结构分布如图1所示。

图1 磨主电机空间分布图

图1中标记的1～5为5台磨主电机。

该水泥磨减速箱与一般立磨相同，采用了较为常用的双排行星齿轮机构以保证较大的功率密度。在生产过程中，物料质量、磨辊研磨压力等负载可以通过普通轴承直接传递到磨机基础上，保证大齿圈周边上的齿轮不承载额外负荷。

磨主电机电气模块主要由两部分组成，第一部分是移相变压器，第二部分是西门子G150变频器。移相变压器包含了Δ和Y两组副边。能够将11 kV工业高压转换成两组相互隔离且成一定角度的电源输出。其输出在G150变频器中经三相整流桥后转变成带0电平的直流电，经电容滤波后保持电压不变，输送给逆变器逆变为可变频率交流电。G150变频器能够满足平方转矩和恒量转矩负载的变频驱动要求，因此能够适应水泥磨的工作状态。在每台磨主电机上都加了一个脉冲发生器作为电机转速反馈来实现电机的闭环控制，从而保证控制精度。

2 水泥磨驱动单元控制系统实现

2.1 水泥磨驱动单元控制要求

水泥磨是大功率重载设备，在启动及运行过程中需要保证磨主电机的转速追随设定转速并且保持稳定。同时，由于采用了多台磨主电机驱动，在启动和工作中，需要保证磨主电机之间的转速相等，负载均衡。并且为了提高驱动单元的可靠性，当任意一台磨主电机检修或者维护时，要求其余磨主电机能够正常工作，因此需要保证每台磨主电机控制的独立性。同时熟料粉磨车间包含较多重要设备，彼此状态之间相互影响较大。某些重要设备的运行状态是否正常决定了水泥磨能否正常启动和运行，因此要添加相关连锁保障设备安全运行，并通过硬件组态和上位机画面结合，监控、记录重要设备的运行参数，完成实时调整。

根据控制要求，该驱动单元控制系统设计可以分为两个部分，一部分是通过现场PLC和变频器实现的电机多传动，另一部分是基于西门子PCS7软件的设备间过程控制及状态监控。两部分之间通过Profibus DP协议实现通信。其系统结构如图2所示。

图2 系统结构图

2.2 磨主电机多传动控制

常用的多传动控制方法有基础双闭环控制、从机速度跟随控制、从机转矩跟随控制等。由于后两种方式都是用主机参数对从机进行限定来实现。在工作过程中，主机运行状态一旦出现问题或者需要检修，整个水泥磨车间必须停车，等待检修完成或者更改现场程序。采用基础双闭环控制系统能够满足转速稳定的控制要求，并且能够保证各磨主电机的独立性，但是由于不同的磨主电机之间机械特性存在差异，难以保证功率的均衡分配。为实现控制要求，将下垂控制器镶嵌于常用的双闭环控制系统中。

2.2.1 下垂控制基本原理

下垂控制经常用于电网中以实现并联逆变器的有用功率和无用功率均衡分配，如在使用UPS或者DC/DC转换器的场合[6-7]。在交流供电系统中，下垂控制特性可以用一个拥有负反馈系数的频率-实际功率函数式表达，如式(1)所示：

ωi=ω0-KDPi

(1)

式中：ωi和ω0为各逆变器的实际角频率和额定角频率；Pi为实际输出功率；KD为下垂控制系数。当某个逆变器输出功率提升时，其实际角频率就会下降。

在多传动控制系统中采用下垂控制器，可以实现任意电机负载较大时，自动降低其额定转速，从而降低实际转速，减小负载。其原理与电网中采用下垂控制特性相似，参照电网下垂控制表达式，多传动控制系统中单台电机实际给定转速n和理论给定转速nset之间的关系如式(2)所示：

n=nset-KDi

(2)

式中：KD为下垂系数；i为给定电流。其下垂特性如图3所示。

图3 速度下垂特性

假定下垂系数KD=0时，该系统为不含下垂功能的速度控制器，理论给定转速nset与实际给定转速n值相等，此时输出速度由速度控制器调节，在给定转速下电机做功。由于各电机之间的负载特性不同，因此输出功率存在差异。引入下垂控制器后，根据速度控制器提供的自身负载设定来调节实际转速设定值，进而微调各电机的速度来平衡由于电机的负载特性不同造成的转矩差，实现电机之间的功率平衡[8]。

2.2.2 基于PLC的多传动控制实现

将下垂控制器嵌入双闭环控制系统中后，磨主电机控制系统方框图如图4所示。

图4 磨主电机控制系统方框图

在工作过程中，各磨主电机的设定转速由中控室在PCS7软件中给定，经通信传送给现场PLC，并在其内部计算出每台磨主电机的设定转速，周期性发给对应磨主电机，经过齿轮箱带动磨盘按照预定转速转动[9-10]。而速度环嵌入下垂控制器后其逻辑图如图5所示。

图5 速度环嵌入下垂控制器逻辑图

图5的传递函数可以写成式(3)的形式：

(3)

式中：τPIS为速度控制器PIS的零状态量；τD为与速度控制器PIS环节有关的参量，如果用Ki表示速度控制器自身积分增益，则τD可以用式(4)表达为：

τD=τPIS+1/(KiKD)

(4)

因此，当嵌入下垂控制器后，原本的速度控制器转化为极点-零点对控制器。下垂系数则是根据速度控制器的调节误差来确定。对于任意一台磨主电机，当出现卸载情况时，表明在该给定转速下其实际转速低于其他电机，通过下垂调节，提高其内部设定转速，从而增加其负载，使得各台磨主电机趋于功率均衡。

在水泥磨工作过程中，由于熟料的颗粒大小不稳定，根据破碎原理，其在破碎过程中所需破碎力的大小也是随时波动的，同时由于调节过程会存在迟滞，因此每台磨主电机的功率也是在某一范围内波动变化的。双闭环控制系统中，由电流控制器对输出电流进行闭环控制，保证输出电流的稳定性。异步电动机在工作时，其本身可以简化为由定子电阻R和定子交轴电感L组成的系统，因此，电流控制器逻辑图如图6所示。

图6 电流控制器逻辑图

图7 两台电机间的多传动控制逻辑图

2.3 基于PCS7的过程控制

水泥磨驱动单元过程控制包括自身连锁、组内设备间连锁和组间设备联锁。其过程控制逻辑如图8所示。

图8 水泥磨驱动单元过程控制逻辑图

水泥磨系统包含有磨机本体、喂料组、输送组等。在生产过程中，当且仅当水泥磨自身备妥且相关工组工作状态正常的情况下才能启动水泥磨驱动单元。在过程控制系统设计中，采用模拟量传感器采集现场设备的状态量如温度、振动等，并通过Profibus DP协议传输到主站CPU，再经工业以太网协议传输到工程师站和服务器。将采集的状态量与PCS7中CFC程序里相关变量点对应，并与Cemat中电机块的相关引脚相连，实现设备的逻辑控制和保护，完成设备状态异常时跳停或者禁止启动的逻辑判断。同时，在水泥磨液压系统中所获得的如磨辊是否处于限定位置等来自现场PLC的状态值也应接入CFC程序中以实现连锁保护。

水泥磨生产过程中，生产参数、设备状态等都需要清晰地显示在人机界面上，保证操作员能够随时监控状态并完成相应的操作。在PCS7中，通过将变量及画面组态编译到WinCC组态软件中，将对应的参数实时显示在上位机画面上，并设定Trends功能中相关参数，生成状态曲线，实现对其工作状态的监视及相关数据的采集和记录。上位机监视画面如图9所示。

图9 水泥磨系统上位机监视画面

3 水泥磨驱动系统控制结果

控制系统搭建完成后，为完成驱动系统工作保护，需要进行水泥磨单机试车、组试车和带料试车以检验过程控制逻辑是否与实际工况相符，如时间参数不同造成的设备启动失败等。同时需检查设备运行状况并记录启动参数，完成生产参数优化。完成设备调试并优化下垂控制参数后，正常启动水泥磨，并在额定喂料量下进行生产时，得到5台磨主电机的工作电流曲线如图10所示。

图10 磨主电机启动及工作电流曲线界面图

在刚启动时5台磨主电机电流增加趋势基本相同，在某时刻由于电机负载特性不同造成的某台电机启动电流增大时，能够迅速进行调节使其回归稳定状态。当水泥熟料和添加剂进入水泥磨后，五台磨主电机的电流同步增大，然后很快趋于稳定。

在磨主电机正常工作后，一天内不同时间段对水泥磨生产的水泥品质进行统计，统计结果如表1所示。

从表1可知，该水泥磨生产出来的水泥质量稳定。该成品在水泥库中均化后各项参数均能够达到所需水平，性能较好。在调试生产中，由于磨机性能未达到最好，所生产同等比表面积42.5+水泥的比电耗达到34.6 kWh/t，在磨机性能稳定

表1 生产水泥品质记录表

后水泥生产比电耗可以达到33 kWh/t，相较于一般42.5+水泥比电耗35～40 kWh/t，有了一定程度的降低。

4 结论

笔者对非凡公司推出的采用新型多传动驱动单元的水泥磨结构进行了介绍，并根据实际生产情况设计了水泥磨的控制系统。通过调试和预生产数据分析可知，该控制系统工作稳定，在实际生产过程中水泥质量稳定，比电耗也有一定程度的降低。当上游设备出现故障时水泥磨系统能够及时跳停，避免生产过程中的事故。该控制系统的设计实现对水泥产业新型水泥磨推广及实现节能减排有着较好的促进意义，同时为新型水泥磨控制系统设计提供了一定的思路。

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