基于PLC電桿成型離心機自動調速系統

1 引言
電桿成型離心機多采用三相并勵式整流子電動機具有啟動電流小、啟動轉矩大并能調速的特點。但整流子電動機結構復雜、換向困難、維修成本高，調試繁瑣，空載電流曲線圖調試不好時，會在換向器表面形成較大火花，影響電動機正常運行，縮短電動機運行壽命。
通過對某電桿廠現場的調研，我們發現以下問題:整流子電動機經過多年的運行，整流子磨損嚴重，平均無故障連續運行時間縮短，幾乎每月都需對整流子和炭刷進行研磨和更換，繞組因整定調試不好也易燒壞，繞組燒壞大修成本和新購一臺37kW鼠籠感應電動機相近;電桿成型操作流程與標準工藝流程存在一定差距，不同規格的電桿離心成型時，離心速度變換、離心成型的時間是靠操作者手工調動整流子電動機的變速機構完成，這樣人為因素太高，給產品質量留下很大隱患，操作也存在很大的不安全因素。基于以上原因和廠家的要求，我們對混凝土電桿的配料、攪拌、電桿離心成型電氣控制系統進行重新設計，本文主要闡述基于PLC電桿成型離心機自動調速系統取代原整流子電動機的控制系統的設計。
2 混凝土電桿成型工藝
當電動機帶動鋼模旋轉產生的離心力等于或稍大于混凝土的自重力時，混凝土克服重力的影響，遠離旋轉中心產生沉降，并分布于桿模四周而不塌落，當速度繼續升高時，離心力使混凝土混合物中的各種材料顆粒沿離心力的方向擠向桿壁四周，達到均勻密實成型。電桿離心成型的工藝步驟分為三步:低速階段(分布階段)2～3min，使混凝土分布鋼模內壁四周而不塌落;中速階段0.5～1min，防止離心過程混凝土結構受到破壞，是從低速到高速中間的一個短時過渡階段;高速階段(密實階段)6～15min，將混凝土沿離心力方向擠向內模壁四周，達到均勻密實成型，并排除多余水分。各階段運行速度圖如圖1所示。

圖1 離心機運行速度圖

各階段的運行速度和運行時間視不同規格和型號的電桿而有所不同。轉速太高、太低都不好，太低使混凝土不能克服自重而塌落，太高一開始便會使混凝土擠向模壁四周而失去流動性，不能均勻分布成型。例如在密實階段，轉速太低，混凝土不夠密實，轉速太高則加劇分層，影響其強度和密實度，甚至損壞設備造成事故。因此，應嚴格控制各階段轉速，才能保證成型質量。按照工藝標準，分布階段轉速應為:

密實階段轉速為:

中速階段的轉速為:

式中r為電桿的平均半徑，r1、r2為電桿內、外半徑，p為離心壓力，取p=0.3~0.7，理論計算的值需結合具體設備技術條件加以修正、整定。
3 自動調速控制系統的設計
針對原控制系統的弊端和生產工藝的分析，采用普通三相感應電動機取代整流子電動機，電動機的調速采用變頻調速方案，多種規格的電桿以及它們不同階段的離心速度、運行時間采用PLC控制變頻器的自動調速控制方案。
3.1 交流電動機的選型
原整流子電動機的型號為JZS，功率40kW，為恒轉矩變功率調速方式，速度從160～1400r/min變化，相應的功率從13.5～40kW變化。按整流子電動機負載運行實測電流以及離心機負載最大靜態阻轉矩T、離心機的最高旋轉速度n、傳動裝置的效率η，由式 計算，所需交流感應電動機的功率小于并接近37kW，故選用Y225S-4，37kW(額定電流69.9A，額定電壓380V，額定轉速1480r/min，功率因數0.87)三相交流感應電動機取代原整流子電動機。
3.2 變頻器的選擇
按變頻器的基本選用規則:變頻器的容量大于負載所需的輸出，變頻器的容量不低于電動機的容量，變頻器的電流大于電動機的電流，并經變頻器容量選用公式

驗算(Pl為負載功率，PN為電動機額定功率)，可選用37kW的變頻器。考慮到改進設計方案的可行性、調速系統的穩定性及性價比，采用西門子MM440，37kW，額定電流為75A的通用變頻器。該變頻器采用高性能矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態特性，同時具備超強的過載能力，可以控制電動機從靜止到平滑起動期間提供200％3秒鐘的過載能力，是全新一代可以廣泛應用的多功能標準變頻器[1]。
3.3 變頻器控制及參數設置
變頻器的控制采用模擬輸入控制方式，為檢測離心機運轉情況設置點動檢測按鈕。離心機運轉速度較高，是大慣性負載，在停車時為防止因慣性而產生的回饋制動使泵升電壓過高的現象，加入制動電阻，限制回饋電流，并且將斜坡下降時間設定長一些。外接制動電阻的阻值和功率可按公式:

選取，式中Ud為變頻器直流側電壓，IN為變頻器的額定電流。本次設計采用西門子與37kW電動機配套的制動電阻4BD22-2EAO，1.5Ω，2.2kW。
參數P1300設置為無速度反饋的矢量控制方式，在這種方式下，用固有的滑差補償對電動機的速度進行控制，可以得到大的轉矩、改善瞬態響應特性、具有優良的速度穩定性，而且在低頻時可以提高電動機的轉矩。參數設置時應合理使用調試參數過濾器P0010和參數過濾器P0004，設置電機參數、端口功能參數，完成變頻器參數設置。
3.4 PLC自動控制系統
混凝土電桿的配料、攪拌、離心成型三個環節采用一臺PLC集中控制，根據輸入和輸出所需的點數、控制性能要求，選用西門子S7-200(CPU224)小型PLC外加數字量輸入模塊(EM221)和模擬輸出模塊(EM232)組成核心控制單元。
S7-200(CPU224)小型PLC有14個輸入點，10個輸出點，可帶7個擴展模塊，運行速度快、功能強，適用于要求較高的中小型控制系統。[3]EM232模擬量輸出模塊有兩個模擬量輸出通道，每個通道模擬量的輸出方式有電壓信號、電流信號，本次設計采用電壓輸出方式。模擬量輸出模塊輸出的模擬電壓0～10V，對應的電壓輸出數據字格式為0～32000，可對應變頻器輸出電源的頻率為0～50Hz、電動機的轉速為0～1480r/min。
由PLC控制變頻調速控制系統原理圖如圖2所示。運行開關合上使接觸器KM閉合，接通變頻器電源，變頻器若發生故障KA線圈得電，KA常閉觸點斷開使接觸器KM線圈失電，切斷變頻器電源并由KA觸點接通報警信號電路。停止按鈕為事故緊急停車按鈕。按下起動按鈕，Q0.0閉合，接通變頻器使能端(Din1)。Q0.0閉合后，PLC根據所編運行程序，由EM232輸出相應的模擬量電壓信號控制變頻器，變頻器控制電動機在不同轉速下運行，同時變頻器給出運行指示。點動按鈕控制Q0.1，作為離心機檢測調整。

圖2 PLC控制變頻調速系統電氣原理圖
標準混凝土電桿的規格有12m、10m、9m、8m、7m、6m等規格，不同規格的電桿內外半徑不同，按照工藝質量標準，它們在離心成型過程各階段的速度、運行時間是不同的。在編程之初，先按工藝標準將所需各段的轉速按照它們的比例關系換算為對應的數據字形式，在編程和程序初始化運行時將其輸入到變量存儲器VW中。程序采用主程序和子程序分段形式，理論計算的速度在運行調試時根據實測值轉速值加以修正。PLC控制離心機程序流程圖如圖3所示。

4 結束語
將PLC與變頻器結合用于整流子電機拖動的離心機改造，改造后的機組經運行表明:提高了機組運行平穩性，

圖3 PLC控制離心機程序流程圖

增加了工作可靠性，減輕了操作者勞動強度、提高了操作安全性;尤其是將多種規格電桿離心速度參數輸入PLC程序中，使電桿成型工藝標準首次得以實施，避免了原手動調速的不安全性和隨機性，提高了產品質量;以整流子電動機在最佳運行曲線時的電流和采用變頻調速時額定電流相比，可節電12%;由于將電桿的配料、攪拌、離心成型均采用一臺PLC自動控制，自動化程度大幅提高，崗位定員額可減少1～2人。本次技改總投資5萬元，但給企業產生的效益數倍與此。