應(yīng)用變頻器實現(xiàn)冷卻液多級壓力控制

譚善鋒，辛建豪，李兆亮

（上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司，山東青島 266555）

0 引言

曲軸是發(fā)動機(jī)中最重要的部件，它與連桿配合將活塞的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，驅(qū)動發(fā)動機(jī)上其他附件工作。曲軸在離心力、慣性力的共同作用下，承受彎曲扭轉(zhuǎn)載荷。為保證工作可靠，曲軸需具有足夠的剛度和強(qiáng)度，軸頸表面需耐磨、工作均勻、平衡性好。

為了達(dá)到軸頸表面的優(yōu)越性能，曲軸采用磨床磨削各個軸徑。隨著磨削的不斷深入，需依次采用四級冷卻液壓力沖洗砂輪及軸徑結(jié)合面（圖1）。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

為實現(xiàn)軸徑表面圓度、粗糙度等工藝要求，四級冷卻液壓力需滿足轉(zhuǎn)換時間≤1 s，壓力偏差≤0.05 MPa。根據(jù)系統(tǒng)要求，提出3 種方案。

方案一：定量冷卻泵輸出一定壓力，多組電磁換向閥+調(diào)壓閥調(diào)定壓力。

方案二：定量冷卻泵輸出一定壓力，電磁比例閥多級調(diào)定壓力。

圖1 四級冷卻液壓力

方案三：變頻器控制冷卻泵的轉(zhuǎn)速，輸出多級壓力。

對以上3 種方案，通過查閱文獻(xiàn)資料，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，對比分析優(yōu)缺點（表1）。

綜合以上分析，方案一結(jié)構(gòu)復(fù)雜，超出設(shè)備空間，方案二故障率高，維護(hù)成本增加，方案三壓力轉(zhuǎn)換慢，但可通過優(yōu)化PID參數(shù)降低轉(zhuǎn)換時間，滿足轉(zhuǎn)換時間≤1 s 的要求。所以選擇方案三作為最終方案。

表1 整體方案對比

2 硬件的設(shè)計選型

使用變頻器控制冷卻泵，根據(jù)其功能，主要分為高壓泵、電機(jī)、變頻器3 部分。根據(jù)系統(tǒng)對冷卻液的技術(shù)要求，設(shè)計選擇最優(yōu)組合。

2.1 高壓泵的選型

高壓泵需要滿足以下技術(shù)指標(biāo)：

（1）流量需求：高壓泵的流量≥305 L/min。

（2）壓力需求：高壓泵輸出壓力≥2 MPa。

針對上述高壓泵的技術(shù)要求，根據(jù)Knoll-KTS 選型參考手冊，結(jié)合泵的性能曲線圖選擇最佳規(guī)格，最終選擇Knoll 品牌KTS 50-100-T 高壓泵。

2.2 電機(jī)的選型

電機(jī)需要滿足以下技術(shù)指標(biāo)。

（1）調(diào)速范圍寬：電機(jī)的調(diào)速范圍需要涵蓋0.1～0.8 MPa 的壓力區(qū)間。

（2）大扭矩、小慣量：滿足兩級壓力切換時間要求≤1.0 s。

（3）高絕緣等級：電機(jī)連續(xù)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，尾部散熱風(fēng)扇風(fēng)量減少，散熱效率變差，絕緣等級應(yīng)為F 級以上。

（4）合適的性能參數(shù)：形狀尺寸需滿足與高壓泵配合安裝，功率參數(shù)需滿足最大需求功率。

針對上述電機(jī)的技術(shù)要求，最終選擇西門子1LE 10013DA234FB4 電機(jī)。

2.3 變頻器的選型

變頻器需要滿足以下技術(shù)指標(biāo)：

（1）低壓調(diào)速性能好：當(dāng)壓力需求為0.1 MPa 時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，需要使用保證電機(jī)低速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的變頻器。

（2）兼容總線通信：PLC 通過總線向變頻器發(fā)送指令，實現(xiàn)電機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)速控制，變頻器通過總線向PLC 反饋狀態(tài)。結(jié)合PLC 現(xiàn)有的總線條件，變頻器應(yīng)含有Profibus 通信接口。

（3）優(yōu)異的加減速性能：因為兩級壓力切換時間≤1.0 s，要求變頻器具備優(yōu)異的加減速性能，需要配備制動單元來輔助減速。

（4） 負(fù)載能力合適：額定輸出功率需高于西門子1LE 10013DA434FB4 電機(jī)的額定功率。

綜合以上要素，廣泛查詢選型資料后選定EMOTRON VFX48-03154CE—PAVNNNPAN 作為方案使用的變頻器。

3 變頻器控制方案

曲軸在磨削過程中，4 種冷卻液壓力依次轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)將需求壓力實時傳遞到變頻器，通過變頻器控制高壓泵的壓力輸出。針對該傳遞控制過程，提出3 種方案。

方案一：繼電器開環(huán)控制：變頻器預(yù)設(shè)4 種壓力輸出，系統(tǒng)利用繼電器通斷信號控制變頻器選擇不同的壓力。

方案二：Profibus 總線開環(huán)控制：變頻器預(yù)設(shè)4 種壓力輸出，系統(tǒng)通過總線將需求的壓力傳遞給變頻器，實現(xiàn)對應(yīng)壓力輸出。

方案三：Profibus 總線閉環(huán)控制：在高壓泵的輸出端安裝壓力表實現(xiàn)壓力監(jiān)控，系統(tǒng)通過總線將需求的壓力傳遞給變頻器，變頻器以壓力表的讀數(shù)作為負(fù)反饋信號，使用PID 算法控制泵的轉(zhuǎn)速。

方案一與方案二原理簡單、容易實現(xiàn)，但是需要標(biāo)定變頻器的4 種輸出壓力，隨著系統(tǒng)硬件磨損變異等原因，輸出壓力出現(xiàn)偏移，需要重新標(biāo)定。方案三調(diào)試相對困難，但壓力輸出穩(wěn)定，不需要標(biāo)定。最終選擇方案三作為變頻器的控制方案（圖2）。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 硬件配置

圖2 變頻器控制方案

圖3 配置變頻器

圖4 變頻器邏輯控制

表2 冷卻液壓力記錄

圖5 PID 參數(shù)設(shè)置

將電機(jī)及高壓泵安裝在冷卻液箱上方，通過管路連接將冷卻液輸送到機(jī)床加工倉內(nèi)。管路末端安裝壓力表實時監(jiān)控冷卻液壓力。為減少環(huán)境中濕氣及油霧對變頻器的影響，將變頻器安裝在電控柜中。變頻器通過Profibus 總線與系統(tǒng)PLC 連接，輸出端通過動力線與電機(jī)連接。為實現(xiàn)與系統(tǒng)需求壓力的通信，在系統(tǒng)中對變頻器進(jìn)行配置，分配地址變量（圖3）。

4.2 邏輯控制

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，變頻器需要實現(xiàn)以下功能：①控制電機(jī)的啟動停止；②根據(jù)系統(tǒng)要求的切削液壓力，輸出不同的信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；③為了保護(hù)高壓泵防止過載，變頻器僅允許電機(jī)正轉(zhuǎn)，不可反轉(zhuǎn)；④為了保護(hù)高壓泵防止過載，不磨削加工時打開切削液的卸荷閥。根據(jù)如上功能要求，設(shè)計變頻器的邏輯控制程序（圖4）。

4.3 PID 優(yōu)化

PID 控制，即比例積分微分控制，它是根據(jù)給定值和實際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。在該系統(tǒng)中，將4 種冷卻液壓力作為給定值，預(yù)設(shè)存入變頻器中。通過大量實驗，對P、I、D 三個參數(shù)分別進(jìn)行整定，得到穩(wěn)定快速準(zhǔn)確的壓力響應(yīng)輸出，PID 參數(shù)設(shè)置如圖5 所示。

5 效果驗證

為了驗證系統(tǒng)的實際效果，強(qiáng)制發(fā)出對4 種冷卻液壓力的需求，記錄壓力表的顯示數(shù)值見表2。從表2 中可以看出，系統(tǒng)可以有效區(qū)分4 種冷卻液壓力，壓力偏差最大0.035 MPa，滿足≤0.05 MPa 的技術(shù)要求。利用Ladder Ⅲ軟件監(jiān)控冷卻液壓力的轉(zhuǎn)換時間，最大響應(yīng)時間0.66 s，滿足≤1 s 的時間要求。系統(tǒng)投入使用后，連續(xù)跟蹤3 個月未出現(xiàn)任何失效，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

6 結(jié)束語

利用變頻器控制冷卻泵的轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)多級冷卻液壓力的穩(wěn)定準(zhǔn)確輸出。相比于傳統(tǒng)的調(diào)壓閥調(diào)定壓力，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，并且由于從冷卻泵端即已調(diào)定了壓力，無后端調(diào)壓閥造成的壓力損失，節(jié)約了能源。