東北大學自動化研究中心 張傑卿       羅克韋爾自動化有限公司  劉曉龍

 

    摘要：本文介紹了Rockwell 1336PLUSⅡ變頻器在選礦生產過程控製中的成功應用案例和針對特殊現場情況下

，變頻器選型配置及設計上的一些特點。

關鍵詞：1336PLUSⅡ變頻器、選礦過程控製、選型設計特點

    變頻調速在過程控製中具有廣泛的應用前景。由於變頻調速的調速範圍寬、動態響應快、並(bing)且(qie)具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)控(kong)製(zhi)精(jing)度(du)，故(gu)在(zai)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)閉(bi)環(huan)控(kong)製(zhi)中(zhong)
，已(yi)經(jing)被(bei)普(pu)遍(bian)采(cai)用(yong)。尤(you)其(qi)是(shi)以(yi)往(wang)控(kong)製(zhi)回(hui)路(lu)中(zhong)采(cai)用(yong)調(tiao)節(jie)元(yuan)件(jian)如(ru)調(tiao)節(jie)閥(fa)作(zuo)為(wei)執(zhi)行(xing)機(ji)構(gou)時(shi)
，大(da)都(dou)可(ke)以(yi)被(bei)“變頻器+電機+泵”取代。這樣做的好處：（1）大大節省電能（2）避免了調節閥維護和更換費用（3）使控製指標更加穩定和精確。

zaibianpinqidexuanxingshejizhong，yinggenjuxianchangdejutigongyiqingkuanghegongchengtedian，xuanzeheshidebianpinqijiqixiangguandefujian

，zheyangzuobujinhelidikongzhitouzi，erqiegengnenggoumanzushengchangongyidexuqiu。

    某選礦廠在進行自動化係統改造前，其22台焙燒礦石的豎爐（煤氣加熱爐）的進風口鼓風機的電機沒有調速裝置
，電機（其功率基本為45KW）處於工頻運行狀態。煤氣燃燒狀態隻靠手調加熱煤氣量來保證；7個係列磨機的電振給礦機的給料量的控製是通過調節其振動頻率來保證的（下料量很不穩定）
；7個係列旋流器給礦壓力的控製是通過調節旋流器給礦泵（其拖動電機功率基本為75KW）出口管路上的閥門開度大小來控製的；5台濃縮機底流管路內礦漿度的控製是通過調節其底流泵（其拖動電機基本為115KW）出口管路上的閥門開度大小來實現的。

    由於沒有自動化係統，在控製方式上隻能靠手動調節。這不僅影響到生產工藝指標的實現，而且由於采用“電機+風機/泵+調節閥”調節方式，造成浪費電能並且調節閥維護、更換費用較大。總之，以往的調節方式使得生產工藝指標很不穩定，生產運行方式很不經濟。

    我們在對該選礦廠進行自動化係統改造後，通過采用“變頻器+電機+風機/泵”方案，不僅能夠穩定控製住生產工藝指標
，而且節能效果明顯。

    本選礦自動化係統中
，共使用變頻器50台。其中用於豎爐鼓風機風量調節的變頻器22台
，用於磨機給礦機給礦量調節的變頻器16台（給礦機改為皮帶給礦機，其電動滾筒功率為2.2KW），用於旋流器給礦壓力調節的變頻器7台，用於濃縮機底流濃度調節的變頻器5台。控製方案說明如下：

    1）通過使用變頻器對鼓風機拖動電機的調速，完成22台豎爐進風量的調節，進而完成空/燃比控製。

    2）通過使用變頻器對給礦機電動滾筒的調速，完成磨機給礦量的恒定閉環控製。

    3）通過使用變頻器對旋流器給礦泵池泵拖動電機的調速，實現旋流器給礦壓力的閉環控製。

    4）通過使用變頻器對濃縮機底流泵拖動電機的調速完成濃縮機底流礦漿濃度的閉環控製。

變頻器係統選型配置與設計總的原則為:在保證生產工藝要求並保證生產安全、穩定的前提下
，盡量節省投資。

    1）變頻器類型的選擇
    考慮到該選礦生產過程使用的變頻器都用於對生產工藝過程的回路控製，在生產工藝製上最終控製指標為：溫度、給礦量、壓力、濃度、生產指標。該過程控製對變頻器的質量
、可靠性要求較高，但對變頻器本身的性能指標要求不高。變頻器具有普通的U/f控製等功能即可以滿足生產要求，並不需要使用磁場定向矢量控製高性能型變頻器。故在變頻器選型設計上，選擇了ROCKWELL 1336PLUSⅡ變頻器（該種變頻器為全數字、交-直-交電壓型、具有組網通訊功能，在控製方式上具有V/F控製和無傳感器矢量控製兩種控製模式），而沒有選用ROCKWELL 1336IMPACT、 1336FORCE磁場定向控製高性能型變頻器。

    2）變頻器容量的選擇

    變頻器容量的選擇首先考慮了電機功率
、電機在正常工頻運行情況下的實際電流大小以及電機的負載類型（皮帶給礦機為恒轉距類型負載，該鼓風機、泥漿泵為風機/泵類型負載），來作為選擇變頻器的容量的主要依據。

    同時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），及安裝場所（電磁站內）的環境溫度，以及變頻器為封閉式且采用櫃內安裝等因素來適當放大變頻器的額定容量。

    3）變頻器電網側元件的選擇

    由you於yu變bian頻pin器qi的de整zheng流liu側ce使shi用yong的de可ke控kong矽gui功gong率lv器qi件jian

，故gu在zai變bian頻pin器qi的de進jin線xian側ce選xuan擇ze快kuai速su熔rong斷duan器qi進jin行xing短duan路lu保bao護hu。另ling外wai
，根gen據ju工gong程cheng現xian場chang的de供gong配pei電dian情qing況kuang，在zai變bian頻pin器qi的de進jin線xian側ce都dou選xuan用yong了le進jin線xian電dian抗kang器qi。

    4）變頻器負載側元件的選擇

    工業現場中，變頻器安裝地點一般遠離電機,即變頻器的出線動力電纜長度較長。本工程中使用的變頻器出線電纜長度大多在100米以上。以豎爐鼓風機電機為例，其變頻器和電機之間連接的動力電纜長度見表一：

    由(you)於(yu)由(you)變(bian)頻(pin)器(qi)給(gei)電(dian)機(ji)供(gong)電(dian)時(shi)
，線(xian)電(dian)壓(ya)為(wei)方(fang)波(bo)而(er)非(fei)正(zheng)弦(xian)波(bo)，該(gai)電(dian)壓(ya)波(bo)形(xing)在(zai)電(dian)動(dong)機(ji)終(zhong)端(duan)處(chu)疊(die)迭(die)加(jia)，稱(cheng)為(wei)反(fan)射(she)波(bo)現(xian)象(xiang)。該(gai)現(xian)象(xiang)在(zai)變(bian)頻(pin)器(qi)到(dao)電(dian)機(ji)之(zhi)間(jian)動(dong)力(li)電(dian)纜(lan)較(jiao)長(chang)時(shi)將(jiang)發(fa)生(sheng)。反(fan)射(she)波(bo)現(xian)象(xiang)會(hui)降(jiang)低(di)電(dian)機(ji)的(de)絕(jue)緣(yuan)壽(shou)命(ming)。ROCKWELL變頻器使用外加輸出電抗器或電機終結器（Terminiter）電器元件來將反射波電壓限製在電機絕緣允許的範圍之內。對於變頻器出線電纜特別長的情況
，可以選用ROCKWELL的長線驅動器（LLD），其可以允許使變頻器出線電纜長度在1000米之內。

    在實際的選型設計中，綜合考慮了變頻器出線電纜長度、非鎧裝電纜、電機的絕緣等級等因素，在大多數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終接器1204―TFB2。對於變頻器出線電纜特長的情況（如207米），選用了LLD產品。           

    5）變頻器一對二電機傳動方案的設計

    選礦廠使用的旋流器給礦泵每個生產係列為二泵互備使用生產方式（共7個係列），每台濃縮機底流泵亦為二泵互備使用生產方式（共5台濃縮機）。考慮到旋流器給礦泵、濃縮機底流泵功率較大
，其拖動電機單機功率分別為75KW、115KW。如(ru)果(guo)對(dui)每(mei)台(tai)電(dian)機(ji)都(dou)配(pei)置(zhi)一(yi)台(tai)變(bian)頻(pin)器(qi)，則(ze)一(yi)次(ci)性(xing)投(tou)資(zi)較(jiao)大(da)。另(ling)外(wai)
，從(cong)生(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)上(shang)看(kan)，這(zhe)種(zhong)變(bian)頻(pin)器(qi)與(yu)電(dian)機(ji)一(yi)對(dui)一(yi)配(pei)置(zhi)方(fang)式(shi)也(ye)不(bu)十(shi)分(fen)必(bi)要(yao)。故(gu)在(zai)電(dian)機(ji)傳(chuan)動(dong)方(fang)案(an)上(shang)采(cai)用(yong)了(le)一(yi)台(tai)變(bian)頻(pin)器(qi)分(fen)時(shi)控(kong)製(zhi)兩(liang)台(tai)互(hu)備(bei)電(dian)機(ji)的(de)方(fang)案(an)，這(zhe)裏(li)稱(cheng)“變頻器一對二電機傳動方案”。針對本工程，使用此方案可以節省投資100多萬元。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電氣櫃中，這裏稱“變頻切換櫃”
，變頻器和電抗器裝到變頻器櫃中。在該方案的電氣二次回路設計上，通過安裝在現場操作箱上的轉換開關實現接觸器KM1-KM5的開閉選擇，實現四種電機控製方式選擇：停機、非變頻手動控製
、變頻手動控製、PLC控製模式。其中電機非變頻運行控製模式（工頻運行）在手動和PLC控製模式下都可以實現
，從而保證在變頻器故障的情況下，電機能夠繼續運行。             

    使用該方案應注意以下幾點：兩台互備電機應功率相同或接近
；生產工藝上應允許變頻切換櫃短時停電檢修；在通過PLC或手動控製變頻器時


，應避免帶負荷分斷變頻器出線側的接觸器，這可以延長該接觸器和變頻器的使用壽命。              

    6） 變頻器與控製器之間的通訊方案的設計

    由(you)於(yu)該(gai)選(xuan)礦(kuang)廠(chang)自(zi)動(dong)化(hua)係(xi)統(tong)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)變(bian)頻(pin)器(qi)較(jiao)多(duo)
，並(bing)且(qie)都(dou)是(shi)參(can)與(yu)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)控(kong)製(zhi)閉(bi)環(huan)調(tiao)節(jie)的(de)。變(bian)頻(pin)器(qi)的(de)運(yun)行(xing)狀(zhuang)態(tai)及(ji)起(qi)停(ting)命(ming)令(ling)及(ji)其(qi)頻(pin)率(lv)給(gei)定(ding)都(dou)是(shi)通(tong)過(guo)其(qi)所(suo)屬(shu)的(de)各(ge)個(ge)控(kong)製(zhi)站(zhan)（PLC）來下達的。但由於變頻器安裝的物理位置比較分散（共分散在7個電磁站內），並且變頻器安裝位置到與其相關的控製器（PLC）的安裝位置距離較遠。如果通過硬線（最長電纜長度在300米左右）完成變頻器與控製器之間的信號聯係將有很多缺點和不足：需要大量的施工材料並加大施工的工程量；控製站獲得的信息量小，對變頻器的狀態監視能力減弱；在信號的長距離傳輸時，惡劣的工業現場環境會對信號產生幹擾，進而會影響到變頻器的穩定、準確、可靠運行。

    考慮到以上幾種因素

，在控製器與變頻器之間的信號聯係上，采用ROCKWELL公司的設備網通訊方案完成。該方案不僅節省了模擬量、shuziliangxinhaodianlan，bingqieshixianlequanshuzitongxun，chongfenfahuilekongzhixitongdeyoushi
，zuizhongshixianleduikongzhizhanduibianpinqidezhinenghuajiankong。bianpinqixitongtongxunfangankuangturuer：

 

 

    該選礦自動化係統控製器采用的是ROCKWELL公司的Controllogix係統。變頻器1336PLUSⅡ與之組網通訊有多種辦法,其中典型的有: ControlNet通訊、DeviceNet通訊
、RS232/RS422/RS485通訊。在本設計中根據實際情況，采用了 DeviceNet通訊方案。DeviceNet設備網是采用CAN總線協議的典型的設備級網絡，其一個網段的通訊距離為500米。其具體實現如下：在相關的Controllogix控製站機架的插槽上加入一塊1756-DNB通訊模塊
，在每台變頻器上都加入一塊1336-GM5通訊模塊。通過通訊電纜1485-P1-A500將相關的變頻器1336-GM5通訊模塊串接在一起，最終接到相關控製器的1756-DNB通訊模塊上。通過Controllogix係統對變頻器進行組態和通訊
，完成控製器與變頻器之間的通訊。

    5.      變頻器在選礦廠的應用效果

    經(jing)過(guo)一(yi)年(nian)多(duo)來(lai)的(de)工(gong)業(ye)運(yun)行(xing)表(biao)明(ming)
，該(gai)選(xuan)礦(kuang)廠(chang)自(zi)動(dong)化(hua)係(xi)統(tong)中(zhong)變(bian)頻(pin)器(qi)選(xuan)型(xing)配(pei)置(zhi)合(he)理(li)，運(yun)行(xing)穩(wen)定(ding)可(ke)靠(kao)。即(ji)滿(man)足(zu)了(le)生(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)的(de)要(yao)求(qiu)，又(you)有(you)效(xiao)控(kong)製(zhi)節(jie)省(sheng)了(le)投(tou)資(zi)。

    1）回路控製效果

    2）節能效果

    在選礦進行自動化改造前，采用“電機+泵+調節閥”方案進行對旋流器給礦壓力
、濃nong縮suo機ji底di流liu濃nong度du的de調tiao節jie

，在zai調tiao節jie過guo程cheng中zhong由you於yu電dian機ji的de轉zhuan速su是shi不bu可ke變bian的de，因yin此ci很hen多duo能neng量liang都dou消xiao耗hao到dao閥fa門men上shang，造zao成cheng電dian能neng的de浪lang費fei。閥fa門men的de開kai度du越yue小xiao
，浪lang費fei的de電dian能neng越yue多duo。采cai用yong“變頻器+電機+泵”方案後，電動機的速度由原來的不可變變為可調，電動機根據控製調節的要求實時地調節轉速
，加之泵類負載電動機的軸輸出功率P與電動機轉速n的立方成正比
，因此節能效果比較明顯。經過長期的工業運行證明了這一點。

如該選礦廠某濃縮機底流礦漿管路濃度采用“電機+泵+調節閥”調節時
，電機原工頻運行時輸入功率在98KW左右
，其泵管路上的閥門開度在30%左右。采用“變頻器+電機+泵”調節，將礦漿管路閥門全開
，並保證同樣礦漿濃度的前提下，變頻器輸出功率在68KW左右。僅此一台設備全年就可節省電20多萬度。

    3）節省了調節閥的維護和更換費用

    選(xuan)礦(kuang)廠(chang)使(shi)用(yong)的(de)調(tiao)節(jie)閥(fa)都(dou)安(an)裝(zhuang)在(zai)礦(kuang)漿(jiang)管(guan)路(lu)上(shang)。礦(kuang)漿(jiang)在(zai)管(guan)路(lu)內(nei)快(kuai)速(su)流(liu)動(dong)時(shi)
，較(jiao)高(gao)濃(nong)度(du)的(de)顆(ke)粒(li)狀(zhuang)礦(kuang)漿(jiang)流(liu)體(ti)，會(hui)對(dui)調(tiao)節(jie)閥(fa)有(you)較(jiao)大(da)的(de)磨(mo)損(sun)。即(ji)使(shi)使(shi)用(yong)耐(nai)磨(mo)性(xing)強(qiang)的(de)材(cai)質(zhi)的(de)調(tiao)節(jie)閥(fa)，也(ye)不(bu)可(ke)避(bi)免(mian)地(di)需(xu)要(yao)經(jing)常(chang)維(wei)修(xiu)和(he)更(geng)換(huan)，造(zao)成(cheng)較(jiao)大(da)的(de)維(wei)護(hu)費(fei)用(yong)和(he)維(wei)修(xiu)工(gong)作(zuo)量(liang)。選(xuan)用(yong)“變頻器+電機+泵”對礦漿流量進行調節時
，可以不用調節閥，即可以節省維護費用，又能保證生產穩定。

    隨sui著zhe變bian頻pin調tiao速su技ji術shu的de發fa展zhan及ji其qi相xiang關guan產chan品pin質zhi量liang性xing能neng的de不bu斷duan提ti高gao，在zai生sheng產chan流liu程cheng行xing業ye大da量liang使shi用yong的de籠long型xing感gan應ying電dian機ji，有you了le較jiao為wei理li想xiang並bing可ke以yi完wan全quan信xin賴lai的de調tiao速su設she備bei――變頻器。以往在流程行業廣泛使用的“電機+泵+調節閥”生產過程調節方式
，大多被“變頻器+電機+泵”調(tiao)節(jie)方(fang)式(shi)所(suo)取(qu)代(dai)，這(zhe)已(yi)經(jing)和(he)正(zheng)在(zai)給(gei)企(qi)業(ye)帶(dai)來(lai)了(le)巨(ju)大(da)的(de)效(xiao)益(yi)。這(zhe)種(zhong)效(xiao)益(yi)不(bu)完(wan)全(quan)體(ti)現(xian)在(zai)節(jie)能(neng)降(jiang)耗(hao)上(shang)

，而(er)且(qie)表(biao)現(xian)在(zai)對(dui)生(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)指(zhi)標(biao)的(de)控(kong)製(zhi)更(geng)易(yi)實(shi)現(xian)
、生產更加穩定、運行維護費用降低和操作更加方便等諸多方麵。

值zhi得de注zhu意yi的de是shi，目mu前qian國guo內nei使shi用yong變bian頻pin調tiao速su的de電dian機ji大da多duo並bing非fei變bian頻pin專zhuan用yong電dian機ji，在zai工gong藝yi設she計ji中zhong如ru果guo缺que乏fa各ge個ge專zhuan業ye之zhi間jian的de溝gou通tong，會hui出chu現xian電dian機ji功gong率lv選xuan擇ze不bu當dang的de現xian象xiang。這zhe會hui表biao現xian在zai生sheng產chan過guo程cheng中zhong電dian機ji運yun行xing頻pin率lv（平衡點）偏低，結果會使電機過熱（對於負載為恒轉距類的電機尤為嚴重）進而影響了電機的使用壽命。

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

 

    ⑴《近代交流調速》 冶金工業出版社  佟純厚主編

    ⑵ 1336PLUSⅡ變頻器用戶手冊

    ⑶ Controllogix 控製器用戶手冊

    作者簡介：張傑卿  男 41歲  工學碩士  東北大學自動化研究中心 高級工程師 主要從事選礦生產過程自動化係統和電氣傳動自動化係統的開發
、設計和實施。