1 引言
電桿成型離心機(jī)多采用三相并勵(lì)式整流子電動(dòng)機(jī)具有啟動(dòng)電流小、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大并能調(diào)速的特點(diǎn)。但整流子電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、換向困難、維修成本高，調(diào)試繁瑣，空載電流曲線圖調(diào)試不好時(shí)，會(huì)在換向器表面形成較大火花，影響電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，縮短電動(dòng)機(jī)運(yùn)行壽命。
通過(guò)對(duì)某電桿廠現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題:整流子電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，整流子磨損嚴(yán)重，平均無(wú)故障連續(xù)運(yùn)行時(shí)間縮短，幾乎每月都需對(duì)整流子和炭刷進(jìn)行研磨和更換，繞組因整定調(diào)試不好也易燒壞，繞組燒壞大修成本和新購(gòu)一臺(tái)37kW鼠籠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相近;電桿成型操作流程與標(biāo)準(zhǔn)工藝流程存在一定差距，不同規(guī)格的電桿離心成型時(shí)，離心速度變換、離心成型的時(shí)間是靠操作者手工調(diào)動(dòng)整流子電動(dòng)機(jī)的變速機(jī)構(gòu)完成，這樣人為因素太高，給產(chǎn)品質(zhì)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(duì)混凝土電桿的配料、攪拌、電桿離心成型電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，本文主要闡述基于PLC電桿成型離心機(jī)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)取代原整流子電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
2 混凝土電桿成型工藝
當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鋼模旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力等于或稍大于混凝土的自重力時(shí)，混凝土克服重力的影響，遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生沉降，并分布于桿模四周而不塌落，當(dāng)速度繼續(xù)升高時(shí)，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(dá)到均勻密實(shí)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(nèi)壁四周而不塌落;中速階段0.5～1min，防止離心過(guò)程混凝土結(jié)構(gòu)受到破壞，是從低速到高速中間的一個(gè)短時(shí)過(guò)渡階段;高速階段(密實(shí)階段)6～15min，將混凝土沿離心力方向擠向內(nèi)模壁四周，達(dá)到均勻密實(shí)成型，并排除多余水分。各階段運(yùn)行速度圖如圖1所示。

圖1 離心機(jī)運(yùn)行速度圖

各階段的運(yùn)行速度和運(yùn)行時(shí)間視不同規(guī)格和型號(hào)的電桿而有所不同。轉(zhuǎn)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(kāi)始便會(huì)使混凝土擠向模壁四周而失去流動(dòng)性，不能均勻分布成型。例如在密實(shí)階段，轉(zhuǎn)速太低，混凝土不夠密實(shí)，轉(zhuǎn)速太高則加劇分層，影響其強(qiáng)度和密實(shí)度，甚至損壞設(shè)備造成事故。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制各階段轉(zhuǎn)速，才能保證成型質(zhì)量。按照工藝標(biāo)準(zhǔn)，分布階段轉(zhuǎn)速應(yīng)為:

密實(shí)階段轉(zhuǎn)速為:

中速階段的轉(zhuǎn)速為:

式中r為電桿的平均半徑，r1、r2為電桿內(nèi)、外半徑，p為離心壓力，取p=0.3~0.7，理論計(jì)算的值需結(jié)合具體設(shè)備技術(shù)條件加以修正、整定。
3 自動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
針對(duì)原控制系統(tǒng)的弊端和生產(chǎn)工藝的分析，采用普通三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)取代整流子電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速采用變頻調(diào)速方案，多種規(guī)格的電桿以及它們不同階段的離心速度、運(yùn)行時(shí)間采用PLC控制變頻器的自動(dòng)調(diào)速控制方案。
3.1 交流電動(dòng)機(jī)的選型
原整流子電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為JZS，功率40kW，為恒轉(zhuǎn)矩變功率調(diào)速方式，速度從160～1400r/min變化，相應(yīng)的功率從13.5～40kW變化。按整流子電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行實(shí)測(cè)電流以及離心機(jī)負(fù)載最大靜態(tài)阻轉(zhuǎn)矩T、離心機(jī)的最高旋轉(zhuǎn)速度n、傳動(dòng)裝置的效率η，由式 計(jì)算，所需交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)速1480r/min，功率因數(shù)0.87)三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)取代原整流子電動(dòng)機(jī)。
3.2 變頻器的選擇
按變頻器的基本選用規(guī)則:變頻器的容量大于負(fù)載所需的輸出，變頻器的容量不低于電動(dòng)機(jī)的容量，變頻器的電流大于電動(dòng)機(jī)的電流，并經(jīng)變頻器容量選用公式

驗(yàn)算(Pl為負(fù)載功率，PN為電動(dòng)機(jī)額定功率)，可選用37kW的變頻器。考慮到改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的可行性、調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性及性?xún)r(jià)比，采用西門(mén)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(shù)，提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)具備超強(qiáng)的過(guò)載能力，可以控制電動(dòng)機(jī)從靜止到平滑起動(dòng)期間提供200％3秒鐘的過(guò)載能力，是全新一代可以廣泛應(yīng)用的多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器[1]。
3.3 變頻器控制及參數(shù)設(shè)置
變頻器的控制采用模擬輸入控制方式，為檢測(cè)離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況設(shè)置點(diǎn)動(dòng)檢測(cè)按鈕。離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度較高，是大慣性負(fù)載，在停車(chē)時(shí)為防止因慣性而產(chǎn)生的回饋制動(dòng)使泵升電壓過(guò)高的現(xiàn)象，加入制動(dòng)電阻，限制回饋電流，并且將斜坡下降時(shí)間設(shè)定長(zhǎng)一些。外接制動(dòng)電阻的阻值和功率可按公式:

選取，式中Ud為變頻器直流側(cè)電壓，IN為變頻器的額定電流。本次設(shè)計(jì)采用西門(mén)子與37kW電動(dòng)機(jī)配套的制動(dòng)電阻4BD22-2EAO，1.5Ω，2.2kW。
參數(shù)P1300設(shè)置為無(wú)速度反饋的矢量控制方式，在這種方式下，用固有的滑差補(bǔ)償對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制，可以得到大的轉(zhuǎn)矩、改善瞬態(tài)響應(yīng)特性、具有優(yōu)良的速度穩(wěn)定性，而且在低頻時(shí)可以提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。參數(shù)設(shè)置時(shí)應(yīng)合理使用調(diào)試參數(shù)過(guò)濾器P0010和參數(shù)過(guò)濾器P0004，設(shè)置電機(jī)參數(shù)、端口功能參數(shù)，完成變頻器參數(shù)設(shè)置。
3.4 PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)
混凝土電桿的配料、攪拌、離心成型三個(gè)環(huán)節(jié)采用一臺(tái)PLC集中控制，根據(jù)輸入和輸出所需的點(diǎn)數(shù)、控制性能要求，選用西門(mén)子S7-200(CPU224)小型PLC外加數(shù)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(gè)輸入點(diǎn)，10個(gè)輸出點(diǎn)，可帶7個(gè)擴(kuò)展模塊，運(yùn)行速度快、功能強(qiáng)，適用于要求較高的中小型控制系統(tǒng)。[3]EM232模擬量輸出模塊有兩個(gè)模擬量輸出通道，每個(gè)通道模擬量的輸出方式有電壓信號(hào)、電流信號(hào)，本次設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的電壓輸出數(shù)據(jù)字格式為0～32000，可對(duì)應(yīng)變頻器輸出電源的頻率為0～50Hz、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為0～1480r/min。
由PLC控制變頻調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。運(yùn)行開(kāi)關(guān)合上使接觸器KM閉合，接通變頻器電源，變頻器若發(fā)生故障KA線圈得電，KA常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)使接觸器KM線圈失電，切斷變頻器電源并由KA觸點(diǎn)接通報(bào)警信號(hào)電路。停止按鈕為事故緊急停車(chē)按鈕。按下起動(dòng)按鈕，Q0.0閉合，接通變頻器使能端(Din1)。Q0.0閉合后，PLC根據(jù)所編運(yùn)行程序，由EM232輸出相應(yīng)的模擬量電壓信號(hào)控制變頻器，變頻器控制電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，同時(shí)變頻器給出運(yùn)行指示。點(diǎn)動(dòng)按鈕控制Q0.1，作為離心機(jī)檢測(cè)調(diào)整。

圖2 PLC控制變頻調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖
標(biāo)準(zhǔn)混凝土電桿的規(guī)格有12m、10m、9m、8m、7m、6m等規(guī)格，不同規(guī)格的電桿內(nèi)外半徑不同，按照工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，它們?cè)陔x心成型過(guò)程各階段的速度、運(yùn)行時(shí)間是不同的。在編程之初，先按工藝標(biāo)準(zhǔn)將所需各段的轉(zhuǎn)速按照它們的比例關(guān)系換算為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)字形式，在編程和程序初始化運(yùn)行時(shí)將其輸入到變量存儲(chǔ)器VW中。程序采用主程序和子程序分段形式，理論計(jì)算的速度在運(yùn)行調(diào)試時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)值轉(zhuǎn)速值加以修正。PLC控制離心機(jī)程序流程圖如圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
將PLC與變頻器結(jié)合用于整流子電機(jī)拖動(dòng)的離心機(jī)改造，改造后的機(jī)組經(jīng)運(yùn)行表明:提高了機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)性，

圖3 PLC控制離心機(jī)程序流程圖

增加了工作可靠性，減輕了操作者勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了操作安全性;尤其是將多種規(guī)格電桿離心速度參數(shù)輸入PLC程序中，使電桿成型工藝標(biāo)準(zhǔn)首次得以實(shí)施，避免了原手動(dòng)調(diào)速的不安全性和隨機(jī)性，提高了產(chǎn)品質(zhì)量;以整流子電動(dòng)機(jī)在最佳運(yùn)行曲線時(shí)的電流和采用變頻調(diào)速時(shí)額定電流相比，可節(jié)電12%;由于將電桿的配料、攪拌、離心成型均采用一臺(tái)PLC自動(dòng)控制，自動(dòng)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(wàn)元，但給企業(yè)產(chǎn)生的效益數(shù)倍與此。