基于PLC电杆成型离心机自动调速系统

1 引言
电杆成型离心机多采用三相并励式整流子电动机具有启动电流小、启动转矩大并能调速的特点。但整流子电动机结构复杂、换向困难、维修成本高，调试繁琐，空载电流曲线图调试不好时，会在换向器表面形成较大火花，影响电动机正常运行，缩短电动机运行寿命。
通过对某电杆厂现场的调研，我们发现以下问题:整流子电动机经过多年的运行，整流子磨损严重，平均无故障连续运行时间缩短，几乎每月都需对整流子和炭刷进行研磨和更换，绕组因整定调试不好也易烧坏，绕组烧坏大修成本和新购一台37kW鼠笼感应电动机相近;电杆成型操作流程与标准工艺流程存在一定差距，不同规格的电杆离心成型时，离心速度变换、离心成型的时间是靠操作者手工调动整流子电动机的变速机构完成，这样人为因素太高，给产品质量留下很大隐患，操作也存在很大的不安全因素。基于以上原因和厂家的要求，我们对混凝土电杆的配料、搅拌、电杆离心成型电气控制系统进行重新设计，本文主要阐述基于PLC电杆成型离心机自动调速系统取代原整流子电动机的控制系统的设计。
2 混凝土电杆成型工艺
当电动机带动钢模旋转产生的离心力等于或稍大于混凝土的自重力时，混凝土克服重力的影响，远离旋转中心产生沉降，并分布于杆模四周而不塌落，当速度继续升高时，离心力使混凝土混合物中的各种材料颗粒沿离心力的方向挤向杆壁四周，达到均匀密实成型。电杆离心成型的工艺步骤分为三步:低速阶段(分布阶段)2～3min，使混凝土分布钢模内壁四周而不塌落;中速阶段0.5～1min，防止离心过程混凝土结构受到破坏，是从低速到高速中间的一个短时过渡阶段;高速阶段(密实阶段)6～15min，将混凝土沿离心力方向挤向内模壁四周，达到均匀密实成型，并排除多余水分。各阶段运行速度图如图1所示。

图1 离心机运行速度图

各阶段的运行速度和运行时间视不同规格和型号的电杆而有所不同。转速太高、太低都不好，太低使混凝土不能克服自重而塌落，太高一开始便会使混凝土挤向模壁四周而失去流动性，不能均匀分布成型。例如在密实阶段，转速太低，混凝土不够密实，转速太高则加剧分层，影响其强度和密实度，甚至损坏设备造成事故。因此，应严格控制各阶段转速，才能保证成型质量。按照工艺标准，分布阶段转速应为:

密实阶段转速为:

中速阶段的转速为:

式中r为电杆的平均半径，r1、r2为电杆内、外半径，p为离心压力，取p=0.3~0.7，理论计算的值需结合具体设备技术条件加以修正、整定。
3 自动调速控制系统的设计
针对原控制系统的弊端和生产工艺的分析，采用普通三相感应电动机取代整流子电动机，电动机的调速采用变频调速方案，多种规格的电杆以及它们不同阶段的离心速度、运行时间采用PLC控制变频器的自动调速控制方案。
3.1 交流电动机的选型
原整流子电动机的型号为JZS，功率40kW，为恒转矩变功率调速方式，速度从160～1400r/min变化，相应的功率从13.5～40kW变化。按整流子电动机负载运行实测电流以及离心机负载最大静态阻转矩T、离心机的最高旋转速度n、传动装置的效率η，由式 计算，所需交流感应电动机的功率小于并接近37kW，故选用Y225S-4，37kW(额定电流69.9A，额定电压380V，额定转速1480r/min，功率因数0.87)三相交流感应电动机取代原整流子电动机。
3.2 变频器的选择
按变频器的基本选用规则:变频器的容量大于负载所需的输出，变频器的容量不低于电动机的容量，变频器的电流大于电动机的电流，并经变频器容量选用公式

验算(Pl为负载功率，PN为电动机额定功率)，可选用37kW的变频器。考虑到改进设计方案的可行性、调速系统的稳定性及性价比，采用西门子MM440，37kW，额定电流为75A的通用变频器。该变频器采用高性能矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，可以控制电动机从静止到平滑起动期间提供200％3秒钟的过载能力，是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器[1]。
3.3 变频器控制及参数设置
变频器的控制采用模拟输入控制方式，为检测离心机运转情况设置点动检测按钮。离心机运转速度较高，是大惯性负载，在停车时为防止因惯性而产生的回馈制动使泵升电压过高的现象，加入制动电阻，限制回馈电流，并且将斜坡下降时间设定长一些。外接制动电阻的阻值和功率可按公式:

选取，式中Ud为变频器直流侧电压，IN为变频器的额定电流。本次设计采用西门子与37kW电动机配套的制动电阻4BD22-2EAO，1.5Ω，2.2kW。
参数P1300设置为无速度反馈的矢量控制方式，在这种方式下，用固有的滑差补偿对电动机的速度进行控制，可以得到大的转矩、改善瞬态响应特性、具有优良的速度稳定性，而且在低频时可以提高电动机的转矩。参数设置时应合理使用调试参数过滤器P0010和参数过滤器P0004，设置电机参数、端口功能参数，完成变频器参数设置。
3.4 PLC自动控制系统
混凝土电杆的配料、搅拌、离心成型三个环节采用一台PLC集中控制，根据输入和输出所需的点数、控制性能要求，选用西门子S7-200(CPU224)小型PLC外加数字量输入模块(EM221)和模拟输出模块(EM232)组成核心控制单元。
S7-200(CPU224)小型PLC有14个输入点，10个输出点，可带7个扩展模块，运行速度快、功能强，适用于要求较高的中小型控制系统。[3]EM232模拟量输出模块有两个模拟量输出通道，每个通道模拟量的输出方式有电压信号、电流信号，本次设计采用电压输出方式。模拟量输出模块输出的模拟电压0～10V，对应的电压输出数据字格式为0～32000，可对应变频器输出电源的频率为0～50Hz、电动机的转速为0～1480r/min。
由PLC控制变频调速控制系统原理图如图2所示。运行开关合上使接触器KM闭合，接通变频器电源，变频器若发生故障KA线圈得电，KA常闭触点断开使接触器KM线圈失电，切断变频器电源并由KA触点接通报警信号电路。停止按钮为事故紧急停车按钮。按下起动按钮，Q0.0闭合，接通变频器使能端(Din1)。Q0.0闭合后，PLC根据所编运行程序，由EM232输出相应的模拟量电压信号控制变频器，变频器控制电动机在不同转速下运行，同时变频器给出运行指示。点动按钮控制Q0.1，作为离心机检测调整。

图2 PLC控制变频调速系统电气原理图
标准混凝土电杆的规格有12m、10m、9m、8m、7m、6m等规格，不同规格的电杆内外半径不同，按照工艺质量标准，它们在离心成型过程各阶段的速度、运行时间是不同的。在编程之初，先按工艺标准将所需各段的转速按照它们的比例关系换算为对应的数据字形式，在编程和程序初始化运行时将其输入到变量存储器VW中。程序采用主程序和子程序分段形式，理论计算的速度在运行调试时根据实测值转速值加以修正。PLC控制离心机程序流程图如图3所示。

4 结束语
将PLC与变频器结合用于整流子电机拖动的离心机改造，改造后的机组经运行表明:提高了机组运行平稳性，

图3 PLC控制离心机程序流程图

增加了工作可靠性，减轻了操作者劳动强度、提高了操作安全性;尤其是将多种规格电杆离心速度参数输入PLC程序中，使电杆成型工艺标准首次得以实施，避免了原手动调速的不安全性和随机性，提高了产品质量;以整流子电动机在最佳运行曲线时的电流和采用变频调速时额定电流相比，可节电12%;由于将电杆的配料、搅拌、离心成型均采用一台PLC自动控制，自动化程度大幅提高，岗位定员额可减少1～2人。本次技改总投资5万元，但给企业产生的效益数倍与此。