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1336PLUSⅡ變頻調速在選礦生產過程中的應用
東北大學自動化研究中心 張杰卿 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制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、選礦過程控制、選型設計特點
1 引言
變頻調速在過程控制中具有廣泛的應用前景。由于變頻調速的調速范圍寬、動態響應快、并且具有較高的控制精度，故在生產過程閉環控制中，已經被普遍采用。尤其是以往控制回路中采用調節元件如調節閥作為執行機構時，大都可以被“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）使控制指標更加穩定和精確。
在變頻器的選型設計中，應根據現場的具體工藝情況和工程特點，選擇合適的變頻器及其相關的附件，這樣做不僅合理地控制投資，而且更能夠滿足生產工藝的需求。
2. 工程背景簡介
某選礦廠在進行自動化系統改造前，其22臺焙燒礦石的豎爐（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）處于工頻運行狀態。煤氣燃燒狀態只靠手調加熱煤氣量來保證；7個系列磨機的電振給礦機的給料量的控制是通過調節其振動頻率來保證的（下料量很不穩定）；7個系列旋流器給礦壓力的控制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制的；5臺濃縮機底流管路內礦漿度的控制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。
由于沒有自動化系統，在控制方式上只能靠手動調節。這不僅影響到生產工藝指標的實現，而且由于采用“電機+風機/泵+調節閥”調節方式，造成浪費電能并且調節閥維護、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。
3. 變頻調節控制方案說明
我們在對該選礦廠進行自動化系統改造后，通過采用“變頻器+電機+風機/泵”方案，不僅能夠穩定控制住生產工藝指標，而且節能效果明顯。
本選礦自動化系統中，共使用變頻器50臺。其中用于豎爐鼓風機風量調節的變頻器22臺，用于磨機給礦機給礦量調節的變頻器16臺（給礦機改為皮帶給礦機，其電動滾筒功率為2.2KW），用于旋流器給礦壓力調節的變頻器7臺，用于濃縮機底流濃度調節的變頻器5臺。控制方案說明如下：
1）通過使用變頻器對鼓風機拖動電機的調速，完成22臺豎爐進風量的調節，進而完成空/燃比控制。
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制。
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制。
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制。
4. 變頻器系統選型配置與設計方案
變頻器系統選型配置與設計總的原則為:在保證生產工藝要求并保證生產安全、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于對生產工藝過程的回路控制，在生產工藝制上最終控制指標為：溫度、給礦量、壓力、濃度、生產指標。該過程控制對變頻器的質量、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控制等功能即可以滿足生產要求，并不需要使用磁場定向矢量控制高性能型變頻器。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柜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
由于變頻器的整流側使用的可控硅功率器件，故在變頻器的進線側選擇快速熔斷器進行短路保護。另外，根據工程現場的供配電情況，在變頻器的進線側都選用了進線電抗器。
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：
由于由變頻器給電機供電時，線電壓為方波而非正弦波，該電壓波形在電動機終端處疊迭加，稱為反射波現象。該現象在變頻器到電機之間動力電纜較長時將發生。反射波現象會降低電機的絕緣壽命。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制在電機絕緣允許的范圍之內。對于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。對于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系列為二泵互備使用生產方式（共7個系列），每臺濃縮機底流泵亦為二泵互備使用生產方式（共5臺濃縮機）。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。如果對每臺電機都配置一臺變頻器，則一次性投資較大。另外，從生產工藝上看，這種變頻器與電機一對一配置方式也不十分必要。故在電機傳動方案上采用了一臺變頻器分時控制兩臺互備電機的方案，這里稱“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，實現四種電機控制方式選擇：停機、非變頻手動控制、變頻手動控制、PLC控制模式。其中電機非變頻運行控制模式（工頻運行）在手動和PLC控制模式下都可以實現，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：兩臺互備電機應功率相同或接近；生產工藝上應允許變頻切換柜短時停電檢修；在通過PLC或手動控制變頻器時，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） 變頻器與控制器之間的通訊方案的設計
由于該選礦廠自動化系統中使用的變頻器較多，并且都是參與生產過程控制閉環調節的。變頻器的運行狀態及起停命令及其頻率給定都是通過其所屬的各個控制站（PLC）來下達的。但由于變頻器安裝的物理位置比較分散（共分散在7個電磁站內），并且變頻器安裝位置到與其相關的控制器（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）完成變頻器與控制器之間的信號聯系將有很多缺點和不足：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干擾，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，在控制器與變頻器之間的信號聯系上，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、數字量信號電纜，并且實現了全數字通訊，充分發揮了控制系統的優勢，最終實現了對控制站對變頻器的智能化監控。變頻器系統通訊方案框圖如二：
該選礦自動化系統控制器采用的是ROCKWELL公司的Controllogix系統。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控制站機架的插槽上加入一塊1756-DNB通訊模塊，在每臺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，最終接到相關控制器的1756-DNB通訊模塊上。通過Controllogix系統對變頻器進行組態和通訊，完成控制器與變頻器之間的通訊。
5. 變頻器在選礦廠的應用效果
經過一年多來的工業運行表明，該選礦廠自動化系統中變頻器選型配置合理，運行穩定可靠。即滿足了生產工藝的要求，又有效控制節省了投資。
1）回路控制效果
工業運行證明，ROCKWELL1336PLUSⅡ變頻器的動態性能、精度和啟動力矩等特性完全可以滿足選礦生產自動化過程控制的要求，達到預期的控制效果。圖三給出了5#濃縮機底流濃度控制曲線。從中可以看到較好的控制效果。
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、濃縮機底流濃度的調節，在調節過程中由于電機的轉速是不可變的，因此很多能量都消耗到閥門上，造成電能的浪費。閥門的開度越小，浪費的電能越多。采用“變頻器+電機+泵”方案后，電動機的速度由原來的不可變變為可調，電動機根據控制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，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
選礦廠使用的調節閥都安裝在礦漿管路上。礦漿在管路內快速流動時，較高濃度的顆粒狀礦漿流體，會對調節閥有較大的磨損。即使使用耐磨性強的材質的調節閥，也不可避免地需要經常維修和更換，造成較大的維護費用和維修工作量。選用“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。
6. 結束語
隨著變頻調速技術的發展及其相關產品質量性能的不斷提高，在生產流程行業大量使用的籠型感應電機，有了較為理想并可以完全信賴的調速設備——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”調節方式所取代，這已經和正在給企業帶來了巨大的效益。這種效益不完全體現在節能降耗上，而且表現在對生產工藝指標的控制更易實現、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面。
值得注意的是，目前國內使用變頻調速的電機大多并非變頻專用電機，在工藝設計中如果缺乏各個專業之間的溝通，會出現電機功率選擇不當的現象。這會表現在生產過程中電機運行頻率（平衡點）偏低，結果會使電機過熱（對于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，。
參考文獻
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 控制器用戶手冊
作者簡介：張杰卿 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系統和電氣傳動自動化系統的開發、設計和實施。
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