基于相角差的隔膜泵同步控制系統(tǒng)設(shè)計

中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司 張 巖

1.前言

多臺隔膜泵一起工作時，無論是雙缸雙作用，還是三缸單作用，只要隔膜泵之間的曲柄轉(zhuǎn)速不同，必然會出現(xiàn)瞬時峰值疊加的情況，這就需要控制多臺隔膜泵實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行。如果不采取措施，峰值疊加將導(dǎo)致管路及隔膜泵嚴(yán)重?fù)p壞，釀成事故。針對上述問題，本文提出一種基于相角差的隔膜泵同步控制系統(tǒng)，該同步控制系統(tǒng)能夠自動根據(jù)各泵的運(yùn)行速度與最佳相角進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而達(dá)到隔膜泵組穩(wěn)定同步運(yùn)行的目的。

2.控制系統(tǒng)的設(shè)計要求

系統(tǒng)設(shè)計為4臺三缸單作用隔膜泵同步運(yùn)行，隔膜泵的軸功率為347Kw，隔膜泵的額定沖次為48次/分鐘，選擇電機(jī)為變頻電機(jī)，電機(jī)參數(shù)為：額定電壓380V，額定功率355Kw，工頻轉(zhuǎn)速970rpm，額定電流680A。系統(tǒng)采用觸摸屏控制，所驅(qū)動的隔膜泵數(shù)量為4臺，單泵流量為75m3/h的電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計值為960rpm，系統(tǒng)根據(jù)各泵的運(yùn)行速度和最佳相角進(jìn)行協(xié)調(diào)，達(dá)到隔膜泵組的同步控制。

3.控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

隔膜泵同步控制系統(tǒng)硬件原理如圖1所示。隔膜泵同步控制系統(tǒng)是由PLC、變頻器、編碼器等構(gòu)成的閉環(huán)調(diào)速電氣控制系統(tǒng)。通過安裝在隔膜泵驅(qū)動電機(jī)上的編碼器來測量驅(qū)動電機(jī)的相角，采集隔膜泵的運(yùn)行速度和實(shí)際位置。PLC計算出各泵之間的相角差，并與泵組設(shè)定的相角差進(jìn)行比較，然后控制變頻器微調(diào)電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)相角差的控制，從而達(dá)到多泵同步控制的目的。

圖1 隔膜泵組同步控制硬件原理圖

3.1 調(diào)節(jié)時間的確定

根據(jù)最佳相角峰值分散技術(shù)，四臺三缸單作用隔膜泵的最佳相角為60o/4=15o，容許的最大偏差為-4.5o～+4.5o。在最高速度運(yùn)行情況下，容許的速度偏差對應(yīng)的最大調(diào)整時間為4.5*60*1000/(45*360)=16.67ms。如果在這段時間內(nèi)，需要調(diào)整次數(shù)為5次，則每次的調(diào)整時間為3ms左右。

表1 配置表

3.2 隔膜泵位置編碼器的選擇

隔膜泵的位置采用Omron絕對位置編碼器，型號為：E6G2AG6C，分辨率為4096線，采用開路集電極格雷碼輸出。

根據(jù)所選的位置編碼器，最大偏差所對應(yīng)的編碼器線數(shù)為：4.5/360*4096=51.2pulse。

最高轉(zhuǎn)速情況下，最短調(diào)整時間內(nèi)的編碼器線數(shù)為：51.2/16.67*3=9.2pulse。

3.3 PLC的選擇和配置

具體配置見表1所示。

其中CPU模塊采用Intel公司的Pentium III500為處理器，具有64MB DRAM，512kB SRAM，可配置擦寫應(yīng)用內(nèi)存Compact Flash，具有1個USB接口，1個RS232接口，和1個Ethernet接口100Base-T。

PLC與觸摸屏直接采用RS232通訊接口，進(jìn)行通訊；PLC與變頻器之間采用Ethernet接口100Base-T進(jìn)行通訊，以達(dá)到3ms調(diào)整速度的目標(biāo)。

3.4 變頻器的選擇

變頻器選擇瑞典Emotron生產(chǎn)的VFX系列變頻器，該變頻器為直接轉(zhuǎn)矩控制方式，開環(huán)速度精度可以達(dá)到10%的額定轉(zhuǎn)差速度，并配置以太網(wǎng)的通訊接口，接受PLC的通訊控制命令。

4.控制系統(tǒng)的工作過程描述

4.1 初始位置

當(dāng)控制系統(tǒng)得到外部起動命令后，將根據(jù)當(dāng)前設(shè)置的隔膜泵工作臺數(shù)和允許工作的隔膜泵狀態(tài)，自動選擇主泵，命令變頻器低速運(yùn)行電機(jī)到各泵的初始位置，使各隔膜泵處在最佳運(yùn)行相角。

4.2 位置調(diào)整

實(shí)際的運(yùn)行過程中，PLC將實(shí)時檢測各隔膜泵的相角，根據(jù)主泵的運(yùn)行速度和處在的相角，利用模糊PID控制算法，實(shí)時計算各從泵的運(yùn)行頻率，使各從泵處在最佳的工作相角。

4.3 觸摸屏界面

進(jìn)入監(jiān)控頁面后，可以更改各泵相角排序，并允許重新指定主參考泵。進(jìn)行重新設(shè)定各泵相序時，系統(tǒng)會推薦各泵順序，也接受強(qiáng)制指定。系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行泵的數(shù)量，自動協(xié)調(diào)相角設(shè)定間隔，以適應(yīng)匯流后形成較小脈動率的控制目標(biāo)。運(yùn)行過程中，系統(tǒng)在接受重新指定主泵的指令后，自動根據(jù)當(dāng)前泵序推薦從泵序號，從屬泵可以從泵組中切入或切出。系統(tǒng)接受到切出指令后，會自動降低該泵的運(yùn)行速度，提高其它泵運(yùn)行速度，保證總流量基本穩(wěn)定。系統(tǒng)在接受切入從屬泵指令時，動作與切出指令相反。系統(tǒng)允許手動補(bǔ)償各泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度。調(diào)整總流量設(shè)定，返回上一級操作。

5.結(jié)語

該隔膜泵同步控制系統(tǒng)成功應(yīng)用于中鋁國際長城鋁業(yè)公司的管道化溶出系統(tǒng)。隔膜泵組良好的運(yùn)行情況表明：泵組能夠以較快的速度收斂，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，獲得了很好的同步精度，具有較好的動態(tài)性能和同步性能。

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