SiemensG150變頻器在球磨機砂泵的應用

沈良福

摘要： Siemens G150變頻器在球磨機系統砂泵電機上的應用，提高了球磨機產物從物料池到旋流器組的穩定性，增加了系統的可調節性，可以根據球磨循環量的變化，適時的調節砂泵電機的頻率，減少對泵的磨損，節約能源，提高效率。

Abstract： The application of Siemens G150 frequency converter in the sand pump motor of ball mill system improves the stability of the ball mill products from the material pool to the cyclone group， increases the adjustability of the system， can adjust the frequency of the sand pump motor timely according to the change of the ball grinding cycle， reduce the wear of the pump， save energy and improve efficiency.

關鍵詞： Siemens G150變頻器;砂泵;調節;節能

Key words： Siemens G150 transducer;sand pump;regulation;energy saving

中圖分類號：TE922 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0082-03

0 ?引言

隨著社會經濟、科學技術的發展，綠色可持續發展已然成為全球的一種必然趨勢，越來越多的工業企業在追求綠色可持續發展，綠色發展成為一種新風尚，更加高效節能的設備使用給企業減負提供了一條持久的經濟之道。就選礦廠工業現場而言，存在著諸多的電機系統，如球磨機電機、給礦電機、砂泵電機、浮選機電機、浮選泡沫泵電機等。然而，在很多狀況下電機并不需要滿負荷運行，使用工頻直接控制大功率電機顯然已經不滿足節能降耗的大趨勢了、不符合綠色可持續的發展、不利于成本的把控。變頻器因其具有調速、節能的作用備受歡迎，得到廣泛的應用，可以實現電機的軟啟動，并可根據生產需要對電機進行實時調速，為礦山的智能化、節約化建設提供了一定基礎。

1 ?Siemens G150變頻器

西門子公司對SiemensG150變頻器進行了更加系統的優化，具有更加優良的性能。G150是柜體式單傳動的變頻器，采用了最新半導體技術并對冷卻系統進行了優化，大大提高了冷卻效果，使其能適用于更加惡劣的環境，提升了系統的運行穩定性，為穩定生產保駕護航，變頻器柜體結構設計緊湊有序，運行噪音低。SiemensG150為了便于設備維護，將可更換部件基于方便維護接近、能快速更換的原則進行設計，為客戶維護提供了較大便利，提高了設備的可更換及維修性，增加了設備的運轉率，減少了設備維修時間，產生更大收益。

G150變頻器采用了LCD圖形化的AOP30高級操作面板，可以通過AOP30高級面板進行調試和參數設定并進行電機優化，為用戶現場調試提供極大的便利，減少了調試的操作難度，隨時顯示電壓、電流、頻率和電機轉速，具有很強的自診斷、指示能力，可檢測各部分的運行狀態、較完整的故障檢測電路，能夠精確的進行故障定位。G150 的客戶端子，不是直接連接在操作面板上，而是有一個獨立出來的客戶端子板TM31，一旦端子不小心損壞，只須替換TM31端子板即可不需要更換AOP高級操作面板，節約了維護成本。圖1為端子TM31模塊。

X542.3號端子作為運行指示;

X542.5、X542.6號端子作為變頻器的故障指示;

X520.1號端子作為控制變頻器啟/停的信號輸入;

X522.4、X224.5號端子作為電壓值模擬量輸出;

X521.1、X521.2號端子作為頻率給定信號。

2 ?方案的實施

在球磨機控制系統使用了一臺Siemens G150變頻器控制砂泵電機，根據球磨機循環量的多少來調節砂泵的頻率，相比于工頻運行無法調節頻率控制電機轉速，采用G150能提高泵的使用效率，減少對泵的磨損，節約了消耗件的成本，實現節約能源，實現工廠智能化建設。

根據轉速公式：n=（60*f/p）*（1-s）r/min

式中p為電機極對數，式中p是不變的，s為電機轉差率，電機極對數是固定不變的，當轉差率不變的情況下，頻率和轉速成一定的比例關系，電動機調速過程中必須要確保供電電壓，電壓波動易導致系統的不穩定，產生跳閘甚至損壞設備。對于泵來說，流量與轉速成正比，揚程與轉速的二次方成正比，功率與轉速的三次方成正比。根據他們之間的關系變化，當泵的流量減少時，電機轉速下降，功率按其轉速的三次方下降。當電機轉速下降10%時，電機功率下降了27%，由此可見，當采用變頻器調速，其節能效果十分明顯。當現場設備采用工頻電源直接起動時，起動電流為額定電流的6～7倍，因此，將產生機械電氣上的沖擊，對電網及電氣設備產生不可逆的影響。而采用變頻器控制電機能夠實現電機的軟啟動，起動時，隨著電機的加速相應提高頻率和電壓，起動電流被限制在1.5倍額定電流以下（視情況而定），起動轉矩為70%～120%額定轉矩;對于帶有轉矩自動增強功能的變頻器，起動轉矩為100%以上，可以帶全負載起動。在低轉速滿足條件的情況下降低了對泵的沖擊，減少了對泵的磨損。

整套變頻器控制系統由變壓器、G150變頻器、西門子電機、配置柜、球磨機PLC控制系統、DCS遠程操作站和現場控制箱組成。

變頻器G150：輸入頻率50-60Hz，電壓660-690V，電流598A;

輸出頻率0-550Hz，電壓0-690V，電流575A。

因現場使用環境粉塵較大，工作環境不是十分理想，原有的IP54的防護等級難以滿足需求，故將原IP54的防護等級要求進一步提高，原柜體上的下方進氣濾網開口比較粗大，容易吸入較大顆粒粉塵，為兼顧通風及防塵效果，將空氣濾網進行了更換，使用密度更小一級的過濾網，并對出風口濾網進行了檢查，出風導槽原是向下導風，將其改為向上導風，確保帶有熱量的空氣向上散播而不是向下噴出再次被吸入進氣口進行循環，提高設備降溫效果。

西門子電機1LA8405-6PM8三相鼠籠式感應電動機， 電機輸入電壓690V，額定電流445A，轉速993r/min，功率因數0.85，功率435kW。自冷式冷卻風扇，電機帶有軸承測溫及電機繞組測溫輸出，能夠全面及時的發現電機的運行狀況，將溫度信號采集進入PLC，經過數據處理，一旦電機出現繞組或軸承溫度異常，可以通過PLC控制器進行數據診斷并上傳到中控室進行報警，便于維護人員及時處理。如果溫度上升瞬間過高并保持幾秒則判斷電機出現故障，PLC做出故障指示并停止電機，維修人員確認無誤后進行故障確認方可重新開啟。

變頻器的控制電源由配置柜提供，變頻器的數據通過PROFIBUS送到球磨機PLC控制系統，具有遠程和本機控制功能，本機控制時可就地人工啟動、停止，調整轉速頻率等。DCS遠程控制設在中控操作室，在中控操作室可以進行電機的遠程啟停，給定電機的轉速，中控電腦上可顯示變頻器故障信息，顯示實時電機電流、電壓、電機繞組及軸承溫度變化曲線并進行溫度報警。通過PROFIBUS通訊將變頻器與球磨機自動控制系統連接，實現全流程控制，接入中控室實現中控室、現場、配電室三地控制，控制權限逐步增強，中控室實現可視化監控及遠程啟停操作，現場控制箱設置遠程＼就地、啟＼停、緊急停止等，配電室配置本柜啟停、遠程＼就地、緊急停止等。但考慮到現場控制柜開放的使用環境，對現場控制柜的啟＼停功能進行了隔離。

圖2為PLC控制砂泵程序。

中控室操作人員可以通過液位探測計，根據泵池的液位快速高效在中控室通過遠程調節頻率來控制變頻器的輸出，進而調整電機轉速，改變物料池的液位，優化整個球磨流程，提高球磨效率，減少了打空泵的概率，節約電能。同時，現場為G150配置了一個控制柜，將變頻器的輸入、輸出、控制接口等引出至配置柜，在配置柜內有外接電源為控制設備單獨供電，配置柜內設有現場遠程、就地，本配置柜的遠程、就地，啟?？刂?，運行反饋和故障反饋中繼進行指示，便于對設備進行日常的檢查和維護，也為變頻器故障維修提供便利。同時考慮到生產任務緊，一旦維修需要時間較長，使用配置柜可以更加快速的實現備用變頻器的更換，也為維修變頻器提供更加富裕的維修時間，便于做更加完整的檢測，減少了設備的空宕時間，提高了設備運轉率。

配置柜電氣控制圖，如圖3。

3 ?調試

經過PROFIBUS通信模塊能夠將G150方便的集成到自動化系統中，經過PROFIBUS通訊與軟件Starter進行通訊，用戶可以根據現場電機參數、靜態測試等進行調試和存儲參數、拷貝數據，方便故障之后能快速進行維護。西門子軟件STARTER，是一款由西門子官方所推出的專業調試工具，這款軟件完美支持SINAMICS系列DRIVE類產品，用戶可以按照自己的想法進行調試操作，能夠很好的避免了各種問題的發生，用戶可以根據自身的設備及運行需求進行參數設計以及調試。調試分為以下幾個步驟：①電機的靜態識別和優化，參考電機的銘牌數據，變頻器根據輸入的電機數據進行自整定建立數學模型，此時不啟動電機，只是做電機的信息錄入;②對電機進行動態識別，在做動態識別之前，需確定電機是空載空轉的，帶有一定負載做動態識別會影響后續電機的性能，對穩定性產生影響，啟動變頻器，變頻器輸出電流，電機運行，變頻器通過運行的電機，對靜態識別情況下電機的各個參數進行準確計算和優化確定，使電機運行在穩定高效的運行區間;

③對變頻器的調節參數進行優化，電機加減速時間的設定、變頻器故障顯示及面板顯示數據的設定等。通過將電機額定參數輸入并進行調試，后將加速時間調為15秒，減速時間調為10秒，能夠較好的達到生產工藝要求。

當現場沒有電腦時，用戶也可以通過面板根據現場電機參數進行調試，調試過程與STARTER調試過程一樣，但是要對一些參數進行設置，調試好的程序和參數將存儲于Flashcard中，便于用戶保存提取使用。調試后的數據可用Flashcard適配器讀取，可以存儲在硬盤中，或刻成光盤存檔。當有一樣功率，一樣功用的電機設備需要安裝連接變頻器時可以將數據直接拷貝到新的變頻器中的Flashcard中，不需設置任何參數即可直接使用。同樣的一旦設備的參數被誤修改但是又不知道修改的地方，或Flashcard損壞也可用以上的辦法進行維護而不再需要重新對變頻器進行參數輸入和調試，減少了維護時間，提高了設備的使用率。

4 ?使用效果

使用變頻器之前，砂泵電機運行電流約450A;使用變頻器后，砂泵電機運行電流230A;節電約48.9%。通過變頻控制實現了軟啟動，有效避免了對電網及電動機繞組的沖擊，降低了設備啟動時對電動機和泵體的震動。采用變頻器進行砂泵電機控制，有效的降低了電力成本，一定程度上降低了對泵的損壞，在節能環保方面具有良好的效果。

5 ?后期改進

現有的砂泵變頻控制，只是對泵池液位進行顯示，人工根據顯示調節砂泵電機運轉速度，未引入過程自動控制，未對砂泵變頻調速進行自整定控制，沒有將液位與變頻自動聯合起來。下一步將引入使用PLC的PID控制調節，實現泵池液位和電機變頻調速的自動調節，液位高則提高轉速，液位低則降低轉速。根據砂泵泵池液位的高低，通過比例、積分、微分三種混合調節方式改變變頻器頻率輸出進而實現快速響應，進一步提升智能化水平，一定程度上減少中控室操作人員的監控數據量并更加快速的根據設定經驗值進行自動操作，進一步集約化，使用PID調節進行參數整定，可以提高系統反應速率、增強系統的抗干擾能力、減少震蕩時間及震蕩幅度，較好的保證泵池液位的穩定，實現球磨流程的穩定性，實現更加高效的節能。優化配電室及現場運行環境，進行室內密封降塵等措施保障設備的運行環境。PID概念示意圖如圖4。

參考文獻：

[1]段蘇振.變頻器的選型配置與維護技術[M].中國電力出版社.

[2]王廷才.變頻器原理及應用[M].高等教育出版社.

[3]SIEMENS G150變頻調速柜使用說明書及參數手冊[S].2006，3.