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1、破碎机变频调速破碎机变频调速 PLCPLC 控制系统控制系统摘摘要要： 设计了适用于水泥熟料契约碎机的带有能量回馈装置的变频调速 PLC 控 制系统，利用能量回馈技术克服了制动过程中破碎机在惯性引起的泵升电压， 利用 PLC 完成各种逻辑控制，实现了破碎机的低速、间歇运行。 关关键键词词： 变频调速能量回馈PLC破碎机1引言引言变频调速技术在我国水泥行业的应用日趋广泛。在生产工艺需要调速的许 多环节，如回转窑、单冷机、喂料机、配料系统、风机、水泵等，以交流变频 调速取代调压调速、滑差调速以及直流调速己成为一种必然趋势。在水泥粉磨 工艺中，环磨机入磨物料粒度的大小，对其台时产量影响较大，预破碎工
2、艺作 为提高磨机台时产量、降低粉磨电耗的重要途径，引起了许多水泥企业的重视。 水泥生产工艺决定了水泥立窑放料每次持续 23 分钟，但几乎所有水泥企业中 破碎机处于工频恒速运行状态，24 小时连续运转，造成电能的巨大浪费，并影 响电机和破碎机的使用寿命。另一方面，由于破碎机具有相当大的惯性，不易 频繁启停，所以即使使用变频器也难以解决系统制动时产生的泵升电压引起保 护电路动作，使系统无法正常工作的问题。针对系统的以上特点，本文设计了破碎机变频拖动 PLC 控制系统，利用变 频器实现破碎机的变频调速和软启动，利用再生能量回馈单元克服破碎机制动 过程中产生的过高的泵升电压，利用 PLC 实现系统的逻
3、辑闭环控制，使破碎机 的工作与立窑放料同步，实现间歇运行，从而在改善工艺控制质量的同时，最 大限度地节约了电能，降低了生产成本。现场调试和运行结果表明，系统运行 可靠，节电率可达 60%以上。 2 2粉磨工艺流程粉磨工艺流程 水泥粉磨工艺流程如图 1 所示。 熟料出窑后由提升机送入熟料库，熟料、混合材、石膏按重量配比后进入 皮 带机，出皮带机的物料先 入磨前提升机，再输送到回转筛。回转筛筛余粗料入立筛下的细料则入水泥磨。成品从旋风式选 粉机细粉出口入成品库。立窑每放料一次， 由窑口处的远红外测料仪检测到放料信号后，启动链式输 送机输送物料，每次持续23 分钟，然后间隔 23 分 钟，开始下一次
4、放料和产料。改造前熟料破碎机由工频电源直接供电，在立窑 不放料时，则处于空转状态（空转率达 50%） ，浪费大量能源。再者，由于破碎 机运行速度过高，即使在放料时，也存在严重能源浪费。因而对其进行变频改熟料库底皮带提升机回转筛立式破碎机磨机提升机选粉机FU 链式输送机粗粒细粉 入库图 1 水泥粉磨工艺流程图造能够产生巨大的经济效益。 3 3系统硬件设计及工作原理系统硬件设计及工作原理 本系统主要由变频器、可编程控制器 PLC、能量回馈装置和远红外测料仪组 成。现分别介绍如下： （1） 变频器。水泥熟料破碎机属于大惯性、近似的恒转矩负载，对变频 系 统有特殊要求。保留原交流电机，选用 FRN37
5、G9S-4CE 型恒转矩负载专用通用变 频器，它具有转矩矢量控制、转差补偿、电压 AVR 自整定以及负载转矩自适应 等一系列先进功能，在无速 度传感器的开环运行条件下， 采用磁通矢量控制和电机参 数自动测试等功能后，其调 速性能达到甚至高于直流调 速系统性能。变频器接线原 理如图 2 所示，所有动作都 由 PLC 控制。J10 为能量回馈 单元内部继电器，当能量回 馈单元出现故障时，J10 断开， 使主频器 THR 端子 OFF，可瞬 间封锁 U，V，W 输出，经 PLC（J5on）产生系统故障 连锁和报警。 （2）可编程控制器 PLC。可编程 PLC 因其性能可靠、操作方便、程序修 改简单及
6、适应恶劣工作环境等特点而深受水泥行业科技人员和维护人员的青睐。 本系统选用富士公司的 FLEX-PC NB0-P14 型 PLC，完成系统的逻辑控制及手动/ 自动、工频/变频转换和故障知切换等功能，控制灵活方便。图 3 是其输入输出 外部接线图。当远红外测料仪检测到窑口出料信号，继电器 J4 吸合，经 PLC 延 时 30s 后输出 Y10on，启动变频器开始运行，破碎机开始工作。根据现场工 况的需要，将变频运行给定频设为 43Hz。当立窑放料完毕，继电器 J4 失电， PLC 延时 30s 后输出 Y10Off，变频器按设定的制动时间减速停车。当遇到设 备故障或特殊情况需要停车时，可按下停止
7、按钮 TA1，PLC 输出 Y11=off，此时 破碎机运行于自由停车状态，并在减速到零后，输出 Y12off，断开变频器。 另外，系统设有工频/变频运行切换开关 K4 以及手动/自动运切换开关 K5。 在一般情况下系统要求变频运行，K4 置于“变频”位置，X2=on，PLC 输出 Y12=on，系统进入变频准备状态；如果变频器故障，可将 K4 置于“工频”位置， X2=off，PLC 输出 Y12=off，破碎机工频运行，可继续使用。K5 用于决定破碎 机的工作状态是连续恒频运行还是根据水泥窑送料信号断续调频工作。当 K5 置 于“手动运行”位置，PLC 忽的工作状态是连续恒频运行还是根据水
8、泥窑送料 信号断续调频工作。当 K5 置于“手动运行”位置，PLC 忽视继电器 J4 的状态， 仅根据启动和停止按钮 QA1 和 TA1 的动作控制破碎机的启制动运行；反之，当 K5 置于“自动运行”位置，则 PLC 根据有无“送料信号”经延时滤波后控制破 碎机的起制动运行。（3）再生能量回馈装置。由于水泥立窑放料是间歇运行状态，而且破碎 机属大惯性负载，因而存在着调速装置制动时产生的再生能量的处理问题。通 常的处理方法是将再生能量通过设置在变频器直流回路中的制动电阻放电以热 的形式消耗掉，以达到系统制动的目的。这就存在着电阻器放置的问题以及在 制动时间长或需要连续制动运行的场合，电阻温升的限
9、制。而能量回馈单元可 进行连续的再生制动。我们选用了富士公司的 RHR 系列能量回馈装置，相对电 阻制动方式，本装置可大大节省空间，安装场所的自由度大，而且制动产生的 热量也大幅度减低。图 4 表示变频器和能量回馈装置的连接方式。主回路部分，由晶体管桥、 限流电抗器组成。能量回馈装置和变频器的直流回路连接。电动机电动运行时， 由变频器内部的整流二极管从电网侧提供电能；电动机再生发电运行时，在变 频器直流侧面产生较高的泵升电压，当泵升电压高于 610V，二极管导通，通过 能量回馈装置将再生能量回馈到电网侧，变频器直流侧电压被限制在 610V 以下。 晶体管桥、电网是同步进行通断的。限流电抗器 2
10、ACR 的作用是限制回馈电流， 平衡压差。晶体管开通时，限流电抗器的作用下，装置以有源逆变方式将再生 能量送回电网。 “TA”为紧急停车按钮，为设备故障或需要紧急停车时备用。 4 4PLCPLC 的程序设计的程序设计 PLC 软件采用梯形图语言，实现各种逻辑控制、变频器起制动控制及手动/ 自动、工频/变频转换和故障自切换等功能。程序框图如图 5 所示。 5 5运行结果运行结果 上述系统已于 1998 年 8 月在山东省某水泥厂投入实际运行。系统根据送料 信号自动实现启制动运行，破碎机运行速度连续可调。电机可以实现频繁软启 动，基本无启动电流冲击，启动力矩足够。系统在变频运行条件下，若变频器 突
11、然故障，则自动切换至“工频”状态继续运行，同时发出声光报警信号（内 部可选） 。根据现场工况需要，将有放料信号时变频运行给定频率设为 43Hz， 系统运行电流为 27A，运行电压 280V，改造后的系统平均每年耗电 5.7 万度。 根据现场记录，系统在改造前工作频率为工频 50Hz，运行电流为 32A，运行电 压 400V，平均每年耗电 19.42 万度。改造后的节电率为 70.6%。该系统的突出 优点如下： （1） 利用变频调速技术改造了水泥熟料破碎机的拖动系统，满足了破机的低速、间歇运行特点，保证了工艺控制质量，节能效果明显，并有利于延长 破碎机和电机的使用寿命。 （2） 利用能量回馈控制技术克服破碎机大惯性引起的泵升电压，有效保 证了变频器的安全运行。系统除了变频器和能量回馈装置所具有的 20 余种保护 功能和故障自诊断功能外，还增设了电机过热、控制回路保护及报警。 （3） 利用可编程控制器 PLC 实现了各种逻辑控制、变频器起制动自动制 及手动/自动、工频/变频转换和故障自切换等功能，使系统控制灵活方便，功 能齐全。参参考考文文献献 （1） 富士公司编，FRENIC5000 G9S 使用说明手册.1995. （2） 富士公司编，FHR 再生能量回馈装置使用说明手册.1996.
