东北大学自动化研究中心 张杰卿       罗克韦尔自动化有限公司  刘晓龙

 

    摘要：本文介绍了Rockwell 1336PLUSⅡ变频器在选矿生产过程控制中的成功应用案例和针对特殊现场情况下，变频器选型配置及设计上的一些特点。

关键词：1336PLUSⅡ变频器、选矿过程控制、选型设计特点

    变频调速在过程控制中具有广泛的应用前景。由于变频调速的调速范围宽、动态响应快、并且具有较高的控制精度，故在生产过程闭环控制中，已经被普遍采用。尤其是以往控制回路中采用调节元件如调节阀作为执行机构时，大都可以被“变频器+电机+泵”取代。这样做的好处：（1）大大节省电能（2）避免了调节阀维护和更换费用（3）使控制指标更加稳定和精确。

在变频器的选型设计中，应根据现场的具体工艺情况和工程特点，选择合适的变频器及其相关的附件，这样做不仅合理地控制投资，而且更能够满足生产工艺的需求。

    某选矿厂在进行自动化系统改造前，其22台焙烧矿石的竖炉（煤气加热炉）的进风口鼓风机的电机没有调速装置，电机（其功率基本为45KW）处于工频运行状态。煤气燃烧状态只靠手调加热煤气量来保证；7个系列磨机的电振给矿机的给料量的控制是通过调节其振动频率来保证的（下料量很不稳定）；7个系列旋流器给矿压力的控制是通过调节旋流器给矿泵（其拖动电机功率基本为75KW）出口管路上的阀门开度大小来控制的；5台浓缩机底流管路内矿浆度的控制是通过调节其底流泵（其拖动电机基本为115KW）出口管路上的阀门开度大小来实现的。

    由于没有自动化系统，在控制方式上只能靠手动调节。这不仅影响到生产工艺指标的实现，而且由于采用“电机+风机/泵+调节阀”调节方式，造成浪费电能并且调节阀维护、更换费用较大。总之，以往的调节方式使得生产工艺指标很不稳定，生产运行方式很不经济。

    我们在对该选矿厂进行自动化系统改造后，通过采用“变频器+电机+风机/泵”方案，不仅能够稳定控制住生产工艺指标，而且节能效果明显。

    本选矿自动化系统中，共使用变频器50台。其中用于竖炉鼓风机风量调节的变频器22台，用于磨机给矿机给矿量调节的变频器16台（给矿机改为皮带给矿机，其电动滚筒功率为2.2KW），用于旋流器给矿压力调节的变频器7台，用于浓缩机底流浓度调节的变频器5台。控制方案说明如下：

    1）通过使用变频器对鼓风机拖动电机的调速，完成22台竖炉进风量的调节，进而完成空/燃比控制。

    2）通过使用变频器对给矿机电动滚筒的调速，完成磨机给矿量的恒定闭环控制。

    3）通过使用变频器对旋流器给矿泵池泵拖动电机的调速，实现旋流器给矿压力的闭环控制。

    4）通过使用变频器对浓缩机底流泵拖动电机的调速完成浓缩机底流矿浆浓度的闭环控制。

变频器系统选型配置与设计总的原则为:在保证生产工艺要求并保证生产安全、稳定的前提下，尽量节省投资。

    1）变频器类型的选择
    考虑到该选矿生产过程使用的变频器都用于对生产工艺过程的回路控制，在生产工艺制上最终控制指标为：温度、给矿量、压力、浓度、生产指标。该过程控制对变频器的质量、可靠性要求较高，但对变频器本身的性能指标要求不高。变频器具有普通的U/f控制等功能即可以满足生产要求，并不需要使用磁场定向矢量控制高性能型变频器。故在变频器选型设计上，选择了ROCKWELL 1336PLUSⅡ变频器（该种变频器为全数字、交-直-交电压型、具有组网通讯功能，在控制方式上具有V/F控制和无传感器矢量控制两种控制模式），而没有选用ROCKWELL 1336IMPACT、 1336FORCE磁场定向控制高性能型变频器。

    2）变频器容量的选择

    变频器容量的选择首先考虑了电机功率、电机在正常工频运行情况下的实际电流大小以及电机的负载类型（皮带给矿机为恒转距类型负载，该鼓风机、泥浆泵为风机/泵类型负载），来作为选择变频器的容量的主要依据。

    同时综合考虑了变频器安装地理位置的海拔高度（该选矿厂海拔1600M），及安装场所（电磁站内）的环境温度，以及变频器为封闭式且采用柜内安装等因素来适当放大变频器的额定容量。

    3）变频器电网侧元件的选择

    由于变频器的整流侧使用的可控硅功率器件，故在变频器的进线侧选择快速熔断器进行短路保护。另外，根据工程现场的供配电情况，在变频器的进线侧都选用了进线电抗器。

    4）变频器负载侧元件的选择

    工业现场中，变频器安装地点一般远离电机,即变频器的出线动力电缆长度较长。本工程中使用的变频器出线电缆长度大多在100米以上。以竖炉鼓风机电机为例，其变频器和电机之间连接的动力电缆长度见表一：

    由于由变频器给电机供电时，线电压为方波而非正弦波，该电压波形在电动机终端处叠迭加，称为反射波现象。该现象在变频器到电机之间动力电缆较长时将发生。反射波现象会降低电机的绝缘寿命。ROCKWELL变频器使用外加输出电抗器或电机终结器（Terminiter）电器元件来将反射波电压限制在电机绝缘允许的范围之内。对于变频器出线电缆特别长的情况，可以选用ROCKWELL的长线驱动器（LLD），其可以允许使变频器出线电缆长度在1000米之内。

    在实际的选型设计中，综合考虑了变频器出线电缆长度、非铠装电缆、电机的绝缘等级等因素，在大多数变频器的出线端接入了输出电抗器，少量变频器的出线端接入了电机终接器1204—TFB2。对于变频器出线电缆特长的情况（如207米），选用了LLD产品。           

    5）变频器一对二电机传动方案的设计

    选矿厂使用的旋流器给矿泵每个生产系列为二泵互备使用生产方式（共7个系列），每台浓缩机底流泵亦为二泵互备使用生产方式（共5台浓缩机）。考虑到旋流器给矿泵、浓缩机底流泵功率较大，其拖动电机单机功率分别为75KW、115KW。如果对每台电机都配置一台变频器，则一次性投资较大。另外，从生产工艺上看，这种变频器与电机一对一配置方式也不十分必要。故在电机传动方案上采用了一台变频器分时控制两台互备电机的方案，这里称“变频器一对二电机传动方案”。针对本工程，使用此方案可以节省投资100多万元。该方案的电气主回路原理如图一。从图中可以看出该方案将电器元件安装到一个电气柜中，这里称“变频切换柜”，变频器和电抗器装到变频器柜中。在该方案的电气二次回路设计上，通过安装在现场操作箱上的转换开关实现接触器KM1-KM5的开闭选择，实现四种电机控制方式选择：停机、非变频手动控制、变频手动控制、PLC控制模式。其中电机非变频运行控制模式（工频运行）在手动和PLC控制模式下都可以实现，从而保证在变频器故障的情况下，电机能够继续运行。             

    使用该方案应注意以下几点：两台互备电机应功率相同或接近；生产工艺上应允许变频切换柜短时停电检修；在通过PLC或手动控制变频器时，应避免带负荷分断变频器出线侧的接触器，这可以延长该接触器和变频器的使用寿命。              

    6） 变频器与控制器之间的通讯方案的设计

    由于该选矿厂自动化系统中使用的变频器较多，并且都是参与生产过程控制闭环调节的。变频器的运行状态及起停命令及其频率给定都是通过其所属的各个控制站（PLC）来下达的。但由于变频器安装的物理位置比较分散（共分散在7个电磁站内），并且变频器安装位置到与其相关的控制器（PLC）的安装位置距离较远。如果通过硬线（最长电缆长度在300米左右）完成变频器与控制器之间的信号联系将有很多缺点和不足：需要大量的施工材料并加大施工的工程量；控制站获得的信息量小，对变频器的状态监视能力减弱；在信号的长距离传输时，恶劣的工业现场环境会对信号产生干扰，进而会影响到变频器的稳定、准确、可靠运行。

    考虑到以上几种因素，在控制器与变频器之间的信号联系上，采用ROCKWELL公司的设备网通讯方案完成。该方案不仅节省了模拟量、数字量信号电缆，并且实现了全数字通讯，充分发挥了控制系统的优势，最终实现了对控制站对变频器的智能化监控。变频器系统通讯方案框图如二：

 

 

    该选矿自动化系统控制器采用的是ROCKWELL公司的Controllogix系统。变频器1336PLUSⅡ与之组网通讯有多种办法,其中典型的有: ControlNet通讯、DeviceNet通讯、RS232/RS422/RS485通讯。在本设计中根据实际情况，采用了 DeviceNet通讯方案。DeviceNet设备网是采用CAN总线协议的典型的设备级网络，其一个网段的通讯距离为500米。其具体实现如下：在相关的Controllogix控制站机架的插槽上加入一块1756-DNB通讯模块，在每台变频器上都加入一块1336-GM5通讯模块。通过通讯电缆1485-P1-A500将相关的变频器1336-GM5通讯模块串接在一起，最终接到相关控制器的1756-DNB通讯模块上。通过Controllogix系统对变频器进行组态和通讯，完成控制器与变频器之间的通讯。

    5.      变频器在选矿厂的应用效果

    经过一年多来的工业运行表明，该选矿厂自动化系统中变频器选型配置合理，运行稳定可靠。即满足了生产工艺的要求，又有效控制节省了投资。

    1）回路控制效果

    2）节能效果

    在选矿进行自动化改造前，采用“电机+泵+调节阀”方案进行对旋流器给矿压力、浓缩机底流浓度的调节，在调节过程中由于电机的转速是不可变的，因此很多能量都消耗到阀门上，造成电能的浪费。阀门的开度越小，浪费的电能越多。采用“变频器+电机+泵”方案后，电动机的速度由原来的不可变变为可调，电动机根据控制调节的要求实时地调节转速，加之泵类负载电动机的轴输出功率P与电动机转速n的立方成正比，因此节能效果比较明显。经过长期的工业运行证明了这一点。

如该选矿厂某浓缩机底流矿浆管路浓度采用“电机+泵+调节阀”调节时，电机原工频运行时输入功率在98KW左右，其泵管路上的阀门开度在30%左右。采用“变频器+电机+泵”调节，将矿浆管路阀门全开，并保证同样矿浆浓度的前提下，变频器输出功率在68KW左右。仅此一台设备全年就可节省电20多万度。

    3）节省了调节阀的维护和更换费用

    选矿厂使用的调节阀都安装在矿浆管路上。矿浆在管路内快速流动时，较高浓度的颗粒状矿浆流体，会对调节阀有较大的磨损。即使使用耐磨性强的材质的调节阀，也不可避免地需要经常维修和更换，造成较大的维护费用和维修工作量。选用“变频器+电机+泵”对矿浆流量进行调节时，可以不用调节阀，即可以节省维护费用，又能保证生产稳定。

    随着变频调速技术的发展及其相关产品质量性能的不断提高，在生产流程行业大量使用的笼型感应电机，有了较为理想并可以完全信赖的调速设备——变频器。以往在流程行业广泛使用的“电机+泵+调节阀”生产过程调节方式，大多被“变频器+电机+泵”调节方式所取代，这已经和正在给企业带来了巨大的效益。这种效益不完全体现在节能降耗上，而且表现在对生产工艺指标的控制更易实现、生产更加稳定、运行维护费用降低和操作更加方便等诸多方面。

值得注意的是，目前国内使用变频调速的电机大多并非变频专用电机，在工艺设计中如果缺乏各个专业之间的沟通，会出现电机功率选择不当的现象。这会表现在生产过程中电机运行频率（平衡点）偏低，结果会使电机过热（对于负载为恒转距类的电机尤为严重）进而影响了电机的使用寿命。

    建议在使用变频调速时，在电机的功率选择上要慎重考虑，尽量选用变频专用电机，。

 

    ⑴《近代交流调速》 冶金工业出版社  佟纯厚主编

    ⑵ 1336PLUSⅡ变频器用户手册

    ⑶ Controllogix 控制器用户手册

    作者简介：张杰卿  男 41岁  工学硕士  东北大学自动化研究中心 高级工程师 主要从事选矿生产过程自动化系统和电气传动自动化系统的开发、设计和实施。