球磨机同步电机励磁系统数字化改造

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４ 基于ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ、工业以太网 的车间级自动化网络的构建
选矿厂球磨机系统的自动化网络结构，采用 了目前自动化领域领先的现场总线和工业以太网 技术。如图３所示，ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ现场总线将球 磨生产线所有分布式Ｉ／Ｏ从站及６ＲＡ７０整流器串 连起来，与主站ｓ７．３００ＰＬＣ进行通信。主站ｓ７． ３００ＰＬＣ负责控制各６ＲＡ７０对各自同步电动机直流 励磁的自动投入，并通过分布式Ｉ／Ｏ从站ＥＴ２００Ｍ 对励磁系统相关的Ｉ／Ｏ信号进行连接与控制，以实
参考文献
［１］ ＳＩＭＯＲＥＧ ＤＣ Ｍａｓｔｅｒ ６ＲＡ７０系列全数字直流调速装置使用说 明书［ｚ］．西门子股份有限公司．２００２
［２］崔坚．西门子工业网络通信指南（上）［Ｍ］．北京：机械工业 出版社，２００５
［３］程宪平．机电传动与控制（第２版）［Ｍ］．武汉：华中科技大 学出版社，２００３
作者筒介：徐敏（１９７５一），女，一级实习指导教师，硕士 研究生，研究方向为工业自动化网络控制。
一８２一 万方数据
球磨机同步电机励磁系统数字化改造
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)：
徐敏， XU Min 昆明理工大学,信息工程与自动化学院,昆明,650051;四川机电职业技术学院,攀枝花,617000
微电机 MICROMOTORS 2007,40(6)
参考文献(3条) 1.SIMOREG DC Master 6RA70系列全数字直流调速装置使用说明书 2002 2.崔坚 西门子工业网络通信指南 2005 3.程宪平 机电传动与控制 2003
３数字化改造分析
对球磨同步电机励磁系统（图１）各组成单元的 工作原理分别进行介绍。
１）变压器：将定子电源６ ｋＶ高压母线降为４００ Ｖ 作为整流器的电源，同时还可将同步电机的无功补偿 回馈到电网一次侧，从而提高６ ｋＶ母线的功率因素。
２）自动灭磁环节：由于同步机在定子降压或 全压异步起动时，转子绕组将产生很大的感应电 动势，因此必须设计转子灭磁电路，用以保证在 正常起动转矩的同时达到转子自动灭磁的效果。
６）ｓ７—３００ＰＬＣ：Ｓ７—３００ＰＬＣ作为系统的自动化 站，通过ＤＰ总线对３２台６ＲＡ７０的励磁投入进行 集中控制，同时采集各６ＲＡ７０的反馈信息送至 ＨＭＩ中进行实时监控。
ＰＬＣ的程序设计采用了“模块化”的编程方式，即 按照控制任务将程序划分成几个功能块，具体包括： 自动程序、ＤＰ通信程序、控制芒影机旁两地手动与检 修程序、显示及故障报警程序、主要执行设备定期检 修提示程序以及系统初始化与复位程序。
５）６ＲＡ７０整流器：６ＲＡ７０通过其中央控制器 控制功率整流单元，通过电流电压数字变换器采 集反馈信号实现恒电压输出（不需要调速）。在投 励时，主站ＰＬＣ命令６ＲＡ７０的电枢输出部分向同 步电机的转子输出一阶跃直流电源，将电机拖入 同步。通过对６ＲＡ７０励磁电压和电流的合理设置， 可使同步电机的功率因素达到ｏ．９０～０．９５左右， 从而体现了同步电机对电网的无功补偿功能。
７）同步电机的电气保护：同步电机除了６ＲＡ７０ —８１—
微电机２００７年第４０卷第６期（总第１６２期）
本身所具有的直流输出过流、过压等保护以外，在 励磁回路及定子高压部分还设计有一套完善的继电 保护系统。如励磁回路的零励磁保护及失步保护、 定子主回路的定子过电压阻容保护、定子过电流断 路器跳闸保护、电机轴承过热保护、电机独立冷却 风机跳闸保护以及减速机稀油润滑回路保护等。
Ｕ
‘ｆ∥八小 球磨同步
电机起动
Ｖ 过程转子
＼√ Ｖ
＼
‘ｆ． 电压波形
／。
滑差检测 —— 环节光耦 输出波形
图２球磨同步电机励磁系统滑差检测原理波形示意图
４）无功补偿环节：由于球磨机为大功率负载， 同步电机主回路电流随负载变化而变化。为保持 转子同步，６ＲＡ７０通过检测定子主回路的有功电 流信号（如图ｌ所示），并通过自己内部的电流调 节器自动调整励磁输出，实现自动增磁，从而使 同步电机在负载波动的情况下能保持转子同步及 较稳定的功率因数，可靠运行。
１原球磨同步电机励磁系统的缺点
目前大多数同步电机都采用异步起动的方法， 当转速上升到亚同步转速（／７，＝９５％凡。）时，再给励 磁绕组通以直流励磁电流，使转子建立磁场，依
收稿日期：２００６—１０－１３
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靠定子、转子磁场相互作用所产生的电磁转矩将 转子牵入同步。可见，同步电机励磁系统的性能 直接影响到电机起动和运行的可靠性与稳定性。
选矿厂原球磨同步电机励磁装置采用的是三 相全控整流桥模拟控制电路，运用电压负反馈，６ 块触发脉冲板分别对可控硅进行触发，但缺点较 多：励磁系统和触发脉冲环节性能不稳定，模拟 控制线路复杂，调节精度低，稳定性较差。系统 参数修改不方便，无法进行精确量化调试，输出 波形质量差，影响产品质量和生产效率。模拟电 路元件精度低，特性差，存在温度、时间漂移， 易损坏，维修、备件费用较大。
微电机２００７年第４０卷第６期（总第１６２期）
中图分类号：ＴＭ３４１ ＴＭ３４４．６
文献标识码：Ｂ
文章编号：１００１－６８４８（２００７）０６—００８０—０３
球磨机同步电机励磁系统数字化改造
徐敏１，２
（１．昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明６５００５１；２．四川机电职业技术学院，攀枝花６１７０００）
万方数据
３）滑差检测环节：如图２所示，同步电机在 异步起动过程中，转子回路的感应电压是一个频 率由５０ Ｈｚ向０ Ｈｚ衰减的正弦波，某一时段转子 电压的频率（厶）对应着该时段电机的滑差率（５）。 当同步电机起动至亚同步转速（同步转速的９５％） 时，可得此时转差率Ｓ＝０．０５，又因五＝工ＸＳ，可 得此时转子电压的频率．疋＝２．５（Ｈｚ），即周期疋＝ ０．４ ｓ。如图１所示，滑差检测环节检测到的转子 电压滑差信号经光电耦合器转换为方波信号送至 ＰＬＣ中，当ＰＬＣ检测到该方波信号达到０．４ ｓ且在 上升沿时，即向６ＲＡ７０发出投励命令，从而实现 了同步电机的自动投励。
现电气保护和故障报警等功能。由于分布在整个 生产线上的ＰＲＯＦＩＢＵＳ从站数超过了３２个（一个 ＰＲＯＦＩＢＵＳ网段最多可有３２个站点），所以将ＤＰ 总线分为两段，并用ＲＳ４８５中继器进行两个ＰＲＯ— ＦＩＢＵＳ网段的连接。
另外，主站ＰＬＣ通过ＣＰ３４３．１工业以太网通 讯处理器、ＥＳＭ电气网络交换模块与车间级自动 化网络一工业以太网进行通信。在车间级工业以太 网中，通过工程师站（Ｅｓ）实现对生产参数的输入， 实时进行数据监控和管理以及ＨＭＩ的设计与发布。 通过操作员站（Ｏｓ）访问ＥＳ发布的ＨＭＩ，还可实现 对整个球磨生产线生产状况（包括传动系统的动作 情况及电机的参数、曲线及故障报警等信息）的实 时远程监控。
基于ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ、工业以太网的车间级自 动化网络的构建，大大提高了系统的技术含量及 装备水平。
３ＡＣ一６ｋＶ（３２台球磨机同步电机的定子电源）
ｌ艨磨同步ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ动机
３２艨磨同步电动机
图３基于ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ的车间级自动化网络结构示意图
５结语
选矿厂球磨同步电机励磁系统的全数字化改 造，实现了电机起动过程中转子滑差自动检测、 自动投励、准确的阻容灭磁、零励磁保护、失步 保护、励磁驱动器故障保护等功能，同时还实现 了基于ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ、工业以太网的车间级自动 化网络的远程监控。系统经改造并投人生产后， 运行稳定、可靠，控制精确，自动化程度高，现 场使用、维护方便，事故次数及时间明显减少， 取得了良好的技术和经济效益。
摘 要：针对选矿厂球磨机同步电机原励磁系统的缺点，运用西门子６ＲＡ７０整流器、Ｓ７－３００ＰＬＣ 及ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ现场总线技术对励磁系统进行了数字化改造，构建了车间自动化网络，取得了 良好的技术和经济效益。 关键词：球磨机；同步电机；励磁系统；６ＲＡ７０；Ｓ７—３００ＰＬＣ；ＰＲＯＦＩＢＵＳ·ＤＰ；数字化改造
ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：Ｂａｌｌ—ｍｉｌｌ ｍａｃｈｉｎｅ；Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；６ＲＡ７０；Ｓ７—３００ＰＬＣ；
ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ；Ｄｉｇｉｔｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
Ｏ引言
球磨机是选矿生产工艺中的重要设备，矿石经 矿仓送入球磨机内，钢球在低速旋转的球磨机圆筒 内滚动，对矿石进行破碎和研磨。球磨机能否正常 运行，将直接影响到整个选矿生产工艺下游生产线 的工作及产量。某选矿厂现有３２台球磨机，鉴于控 制要求及负荷较大的特点，球磨机采用同步电机进 行拖动。同步电机具有转速恒定、不受负载影响的 特性，广泛用于大功率恒速机械拖动，其功率因素 可以调节，是提高电源功率因素的有效措施之一。 根据球磨机的传动要求，原系统的同步电机选型为： 功率１ ３００ ｋＷ，定子６ ｋＶ／１５０ Ａ，励磁１４０ Ｖ／ ２７０ Ａ，转速１５０ ｒ／ｍｉｎ，Ｙ接法。
Ｄｉｇｉｔｉｚａｔｉｏｎ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｂａｌｌ－ｍｉｌｌ Ｍａｃｈｉｎｅ
ＸＵ Ｍｉｎｌ，２
（１．Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５００５ １，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｉｃｈｕａｎ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，Ｐａｎｚｈｉｈｕａ ６ １７０００，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｗｅａｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｂａｌｌ—ｍｉｌｌ ｍａｃｈｉｎｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ’ｍｏ— ｔｏｒ ｉｎ ｍｉｌｌ ｒｕｎ ｆａｃｔｏｒｙ，ｓｕｃｃｅｅｄｓ ｉｎ ｄｉｇｉｔｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ａｄ— ｖａｎｃｅｄ Ｓｉｅｍｅｎｓ ６ＲＡ７０ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，￥７－３００ ＰＬＣ ａｎｄ ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ ｆｉｅｌｄｂｕｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓ ａｕｔｏｍａ— ｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｓｈｏｐ，ａｎｄ ａｃｑｕｉｒｅｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔ．
ＰＬＣ选用西门子中小控制规模的Ｓ７－３００ＰＬＣ （ＣＰ Ｕ ３１５－２ＤＰ）作为ＤＰ主站负责３２台球磨机的自 动化控制，通过ＤＰ总线对６ＲＡ７０的电枢输出（即同 步电机的励磁投入）进行控制，同时采集６ＲＡ７０的 反馈信息送至上位机ＰＣ，并在ＨＭＩ中实时监控。
２）软件选型 ＳＴＥＰ７（Ｖ５．３）：用于由ＳＩＭＡＨＣ Ｓ７·３００／４００ ＰＬＣ控制的自动化系统的硬件与软件的管理，可实 现ＰＬＣ的硬件配置、参数设置、通信组态、编程 测试、运行监控及诊断维护等功能； ＷｉｎＣＣ（Ｖ６．０）：西门子视窗控制中心，用于 人机界面（ＨＭＩ）的开发设计软件； ＤｒｉｖｅＭｏｎｉｔｅｒ：西门子传动控制软件，用于对 ６ＲＡ７０进行参数设置与监控。
２励磁系统改造方案
２．１概述
选矿厂球磨同步电机励磁系统改造的结构原 理框图如图１所示。球磨同步电机的直流励磁给定 采用全数字直流调速装置（西门子６ＲＡ７０整流器）。 ６ＲＡ７０整流器作为同步电机的直流励磁电源，其 自动投入是通过“滑差检测环节”检测同步电机转
球磨机同步电机励磁系统数字化改造徐敏
子滑差的变化，并将检测信号反馈至ｓ７．３００ＰＬＣ， 最后通过ＰＬＣ发出命令，控制６ＲＡ７０实现对同步 电机的直流励磁电源自动控制。
图１ 球磨同步电机励磁系统改造原理框图
２．２硬件、软件选型 １）硬件设备选型 根据球磨同步电机励磁电压／电流（１４０ Ｖ／２７０
Ａ）的具体参数要求，选用型号为Ｄ４２０／４００ Ｍｒｅｑ— ＧｅＧＦ６Ｖ６２（输出４００ Ｖ／４００ Ａ）的ＳＩＭＯＲＥＧ ＤＣ Ｍａｓｔｅｒ ６ＲＡ７０整流器作为励磁驱动装置。