SiemensG150变频器在球磨机砂泵的应用

沈良福

摘要： Siemens G150变频器在球磨机系统砂泵电机上的应用，提高了球磨机产物从物料池到旋流器组的稳定性，增加了系统的可调节性，可以根据球磨循环量的变化，适时的调节砂泵电机的频率，减少对泵的磨损，节约能源，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.

关键词： Siemens G150变频器;砂泵;调节;节能

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

中图分类号：TE922                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）01-0082-03

0  引言

随着社会经济、科学技术的发展，绿色可持续发展已然成为全球的一种必然趋势，越来越多的工业企业在追求绿色可持续发展，绿色发展成为一种新风尚，更加高效节能的设备使用给企业减负提供了一条持久的经济之道。就选矿厂工业现场而言，存在着诸多的电机系统，如球磨机电机、给矿电机、砂泵电机、浮选机电机、浮选泡沫泵电机等。然而，在很多状况下电机并不需要满负荷运行，使用工频直接控制大功率电机显然已经不满足节能降耗的大趋势了、不符合绿色可持续的发展、不利于成本的把控。变频器因其具有调速、节能的作用备受欢迎，得到广泛的应用，可以实现电机的软启动，并可根据生产需要对电机进行实时调速，为矿山的智能化、节约化建设提供了一定基础。

1  Siemens G150变频器

西门子公司对SiemensG150变频器进行了更加系统的优化，具有更加优良的性能。G150是柜体式單传动的变频器，采用了最新半导体技术并对冷却系统进行了优化，大大提高了冷却效果，使其能适用于更加恶劣的环境，提升了系统的运行稳定性，为稳定生产保驾护航，变频器柜体结构设计紧凑有序，运行噪音低。SiemensG150为了便于设备维护，将可更换部件基于方便维护接近、能快速更换的原则进行设计，为客户维护提供了较大便利，提高了设备的可更换及维修性，增加了设备的运转率，减少了设备维修时间，产生更大收益。

G150变频器采用了LCD图形化的AOP30高级操作面板，可以通过AOP30高级面板进行调试和参数设定并进行电机优化，为用户现场调试提供极大的便利，减少了调试的操作难度，随时显示电压、电流、频率和电机转速，具有很强的自诊断、指示能力，可检测各部分的运行状态、较完整的故障检测电路，能够精确的进行故障定位。G150 的客户端子，不是直接连接在操作面板上，而是有一个独立出来的客户端子板TM31，一旦端子不小心损坏，只须替换TM31端子板即可不需要更换AOP高级操作面板，节约了维护成本。图1为端子TM31模块。

X542.3号端子作为运行指示;

X542.5、X542.6号端子作为变频器的故障指示;

X520.1号端子作为控制变频器启/停的信号输入;

X522.4、X224.5号端子作为电压值模拟量输出;

X521.1、X521.2号端子作为频率给定信号。

2  方案的实施

在球磨机控制系统使用了一台Siemens G150变频器控制砂泵电机，根据球磨机循环量的多少来调节砂泵的频率，相比于工频运行无法调节频率控制电机转速，采用G150能提高泵的使用效率，减少对泵的磨损，节约了消耗件的成本，实现节约能源，实现工厂智能化建设。

根据转速公式：n=（60*f/p）*（1-s）r/min

式中p为电机极对数，式中p是不变的，s为电机转差率，电机极对数是固定不变的，当转差率不变的情况下，频率和转速成一定的比例关系，电动机调速过程中必须要确保供电电压，电压波动易导致系统的不稳定，产生跳闸甚至损坏设备。对于泵来说，流量与转速成正比，扬程与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方成正比。根据他们之间的关系变化，当泵的流量减少时，电机转速下降，功率按其转速的三次方下降。当电机转速下降10%时，电机功率下降了27%，由此可见，当采用变频器调速，其节能效果十分明显。当现场设备采用工频电源直接起动时，起动电流为额定电流的6～7倍，因此，将产生机械电气上的冲击，对电网及电气设备产生不可逆的影响。而采用变频器控制电机能够实现电机的软启动，起动时，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在1.5倍额定电流以下（视情况而定），起动转矩为70%～120%额定转矩;对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。在低转速满足条件的情况下降低了对泵的冲击，减少了对泵的磨损。

整套变频器控制系统由变压器、G150变频器、西门子电机、配置柜、球磨机PLC控制系统、DCS远程操作站和现场控制箱组成。

变频器G150：输入频率50-60Hz，电压660-690V，电流598A;

输出频率0-550Hz，电压0-690V，电流575A。

因现场使用环境粉尘较大，工作环境不是十分理想，原有的IP54的防护等级难以满足需求，故将原IP54的防护等级要求进一步提高，原柜体上的下方进气滤网开口比较粗大，容易吸入较大颗粒粉尘，为兼顾通风及防尘效果，将空气滤网进行了更换，使用密度更小一级的过滤网，并对出风口滤网进行了检查，出风导槽原是向下导风，将其改为向上导风，确保带有热量的空气向上散播而不是向下喷出再次被吸入进气口进行循环，提高设备降温效果。

西门子电机1LA8405-6PM8三相鼠笼式感应电动机， 电机输入电压690V，额定电流445A，转速993r/min，功率因数0.85，功率435kW。自冷式冷却风扇，电机带有轴承测温及电机绕组测温输出，能够全面及時的发现电机的运行状况，将温度信号采集进入PLC，经过数据处理，一旦电机出现绕组或轴承温度异常，可以通过PLC控制器进行数据诊断并上传到中控室进行报警，便于维护人员及时处理。如果温度上升瞬间过高并保持几秒则判断电机出现故障，PLC做出故障指示并停止电机，维修人员确认无误后进行故障确认方可重新开启。

变频器的控制电源由配置柜提供，变频器的数据通过PROFIBUS送到球磨机PLC控制系统，具有远程和本机控制功能，本机控制时可就地人工启动、停止，调整转速频率等。DCS远程控制设在中控操作室，在中控操作室可以进行电机的远程启停，给定电机的转速，中控电脑上可显示变频器故障信息，显示实时电机电流、电压、电机绕组及轴承温度变化曲线并进行温度报警。通过PROFIBUS通讯将变频器与球磨机自动控制系统连接，实现全流程控制，接入中控室实现中控室、现场、配电室三地控制，控制权限逐步增强，中控室实现可视化监控及远程启停操作，现场控制箱设置远程＼就地、启＼停、紧急停止等，配电室配置本柜启停、远程＼就地、紧急停止等。但考虑到现场控制柜开放的使用环境，对现场控制柜的启＼停功能进行了隔离。

图2为PLC控制砂泵程序。

中控室操作人员可以通过液位探测计，根据泵池的液位快速高效在中控室通过远程调节频率来控制变频器的输出，进而调整电机转速，改变物料池的液位，优化整个球磨流程，提高球磨效率，减少了打空泵的概率，节约电能。同时，现场为G150配置了一个控制柜，将变频器的输入、输出、控制接口等引出至配置柜，在配置柜内有外接电源为控制设备单独供电，配置柜内设有现场远程、就地，本配置柜的远程、就地，启停控制，运行反馈和故障反馈中继进行指示，便于对设备进行日常的检查和维护，也为变频器故障维修提供便利。同时考虑到生产任务紧，一旦维修需要时间较长，使用配置柜可以更加快速的实现备用变频器的更换，也为维修变频器提供更加富裕的维修时间，便于做更加完整的检测，减少了设备的空宕时间，提高了设备运转率。

配置柜电气控制图，如图3。

3  调试

经过PROFIBUS通信模块能够将G150方便的集成到自动化系统中，经过PROFIBUS通讯与软件Starter进行通讯，用户可以根据现场电机参数、静态测试等进行调试和存储参数、拷贝数据，方便故障之后能快速进行维护。西门子软件STARTER，是一款由西门子官方所推出的专业调试工具，这款软件完美支持SINAMICS系列DRIVE类产品，用户可以按照自己的想法进行调试操作，能够很好的避免了各种问题的发生，用户可以根据自身的设备及运行需求进行参数设计以及调试。调试分为以下几个步骤：①电机的静态识别和优化，参考电机的铭牌数据，变频器根据输入的电机数据进行自整定建立数学模型，此时不启动电机，只是做电机的信息录入;②对电机进行动态识别，在做动态识别之前，需确定电机是空载空转的，带有一定负载做动态识别会影响后续电机的性能，对稳定性产生影响，启动变频器，变频器输出电流，电机运行，变频器通过运行的电机，对静态识别情况下电机的各个参数进行准确计算和优化确定，使电机运行在稳定高效的运行区间;

③对变频器的调节参数进行优化，电机加减速时间的设定、变频器故障显示及面板显示数据的设定等。通过将电机额定参数输入并进行调试，后将加速时间调为15秒，减速时间调为10秒，能够较好的达到生产工艺要求。

当现场没有电脑时，用户也可以通过面板根据现场电机参数进行调试，调试过程与STARTER调试过程一样，但是要对一些参数进行设置，调试好的程序和参数将存储于Flashcard中，便于用户保存提取使用。调试后的数据可用Flashcard适配器读取，可以存储在硬盘中，或刻成光盘存档。当有一样功率，一样功用的电机设备需要安装连接变频器时可以将数据直接拷贝到新的变频器中的Flashcard中，不需设置任何参数即可直接使用。同样的一旦设备的参数被误修改但是又不知道修改的地方，或Flashcard损坏也可用以上的办法进行维护而不再需要重新对变频器进行参数输入和调试，减少了维护时间，提高了设备的使用率。

4  使用效果

使用变频器之前，砂泵电机运行电流约450A;使用变频器后，砂泵电机运行电流230A;节电约48.9%。通过变频控制实现了软启动，有效避免了对电网及电动机绕组的冲击，降低了设备启动时对电动机和泵体的震动。采用变频器进行砂泵电机控制，有效的降低了电力成本，一定程度上降低了对泵的损坏，在节能环保方面具有良好的效果。

5  后期改进

现有的砂泵变频控制，只是对泵池液位进行显示，人工根据显示调节砂泵电机运转速度，未引入过程自动控制，未对砂泵变频调速进行自整定控制，没有将液位与变频自动联合起来。下一步将引入使用PLC的PID控制调节，实现泵池液位和电机变频调速的自动调节，液位高则提高转速，液位低则降低转速。根据砂泵泵池液位的高低，通过比例、积分、微分三种混合调节方式改变变频器频率输出进而实现快速响应，进一步提升智能化水平，一定程度上减少中控室操作人员的监控数据量并更加快速的根据设定经验值进行自动操作，进一步集约化，使用PID调节进行参数整定，可以提高系统反应速率、增强系统的抗干扰能力、减少震荡时间及震荡幅度，较好的保证泵池液位的稳定，实现球磨流程的稳定性，实现更加高效的节能。优化配电室及现场运行环境，进行室内密封降尘等措施保障设备的运行环境。PID概念示意图如图4。

参考文献：

[1]段苏振.变频器的选型配置与维护技术[M].中国电力出版社.

[2]王廷才.变频器原理及应用[M].高等教育出版社.

[3]SIEMENS G150变频调速柜使用说明书及参数手册[S].2006，3.