基于西門子PLC的變頻調速離心機控制系統的設計

林錄云

海申機電總廠（象山）（浙江寧波 315718）

隨著我國國民經濟的發展，工業廢水、生活污水的排放量日益增加。為了保護生態環境、保護人民的身體健康、提高水環境質量，污水必須經過凈化處理并達標后才能排放。近年來，我國的污水處理量和處理規模迅速增長。

一個標準的污水處理系統，其工藝需要很多機械設備，主要包括格珊、刮泥機、攪拌機、輸送機、離心脫水機等。本研究主要介紹了離心脫水機和利用變頻器對電機進行調速的工作原理。利用西門子可編程邏輯控制器（PLC）進行變頻調速控制，更好地控制離心機工作，提高自動化程度，提高分離效率。

1 離心脫水機的基本工作原理

離心脫水機（全稱臥式螺旋卸料沉降離心機，簡稱離心機）將高速旋轉產生的離心加速度轉化為重力加速度，使固體顆粒的沉降時間較在重力場作用下縮短至數千分之一，快速沉積的固體顆粒通過螺旋輸送器排出轉鼓，從而實現不間斷連續運行。

物料經進料管被輸送到螺旋出料口，高速旋轉的螺旋出料口將物料均勻地分布于轉鼓內；主電機通過皮帶傳動使轉鼓高速旋轉產生數千倍的重力加速度，固體顆?？焖俪两挡⒍逊e于轉鼓內壁，與轉鼓相對運動的螺旋輸送器連續將沉渣向沉渣排出口輸送；沉渣在螺旋輸送器的擠壓和轉鼓脫水段共同作用下，最大程度地除去固體顆粒的水分，分離后的清液在重力作用下通過堰板排出或由設備自帶的向心泵帶壓排出。通過控制差速器輸入軸的速度（背驅動裝置包括恒扭矩變頻電機、耦合器、液壓馬達等），可對螺旋輸送器與轉鼓間的速度差（即差轉速）進行調整，控制排渣速度和分離性能。

2 變頻器電機調速的基本工作原理

變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元、微處理單元等組成。變頻器靠內部絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供電源電壓，進而達到節能、調速的目的。另外，變頻器還具有過流、過壓、過載保護等功能。

簡單來說，變頻器就是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率的方式來控制交流電動機的電力控制設備。

3 設計控制要求

3.1 控制對象

此次設計控制的離心機，其背驅動裝置采用電機驅動，電氣控制部分有兩臺電機需要控制。根據離心機的工作原理，離心機在運行時并不需要電機工頻運行，而是根據所分離物料的性質對電機進行調速運行，因此采用變頻器對電機進行調速。由于離心機在工作結束后需要清水清洗其內部，因此控制對象還需增加一個沖洗電磁閥（簡稱沖洗閥）。具體如圖1所示。

圖1 離心機控制系統控制對象簡圖

3.2 控制要求

用戶要求控制設備一鍵啟動、一鍵停止，即：當系統收到啟動信號時，離心機能夠自動啟動運行到達工作轉速；當收到停止信號時，離心機能夠自動從工作轉速降到沖洗轉速，并自動開啟沖洗電磁閥使用清水沖洗離心機，沖洗結束后自動關閉沖洗電磁閥和離心機。同時，要求變頻器故障或收到急停信號時，變頻器能夠停止工作。

3.3 設計分析

3.3.1 選用雙電機雙變頻控制技術

離心機主、副電機均選用變頻器控制調速，由于其副電機在差速作用下始終處于發電機狀態，需要采用變頻器共直流母線技術。副變頻能很好地將副電機產生的電能通過轉化供主電機使用，從而避免了副變頻器母線電壓過高報警，且達到節能降耗的目的。[1]離心機主副變頻器連接情況如圖2所示。

圖2 離心機主、副變頻器共直流母線連接示意

3.3.2 主要元器件選用

實現對電機進行調速的變頻器選用阿西布朗勃法瑞（ABB）公司生產的變頻器。該變頻器主要用于控制和調節三相交流異步電機的速度，具有穩定的性能、豐富的組合功能、高性能的矢量控制技術、低速高轉矩輸出、良好的動態特性及超強的過載能力，在變頻器市場占據著重要地位。此外，該系列變頻器具有共直流母線端子排，可滿足采用共直流母線技術的設計需要。

負責實現自動控制流程的PLC選用德國西門子公司生產的S7-200。S7-200與配備的編程軟件STEP7 Micro/WIM4.0，S7-200 CPU將微處理器、集成電源、輸入電路和輸出電路集成在一個緊湊的外殼中，從而形成了一個功能強大的小型PLC。SIMATIC S7-200 Micro自成一體，具有操作簡便的硬件和軟件，且在國內應用廣泛，資料查詢很方便。[2]

3.4 PLC控制點

根據控制需求，進行PLC控制點統計，具體如表1（DI為數字量輸入，DO為數字量輸出）所示。

表1 離心機控制點統計

其中輸入點需要7DI，輸出點需要6DO，考慮需要預留部分控制點以便后期有新增的控制要求，選用一塊S7-200 224模塊（型號為6ES7 214-1BD23-0XB0），其有14DI和10DO，可滿足設計需求。

4 具體設計

4.1 接線

配電及變頻器接線情況如圖3所示。

圖3 配電及變頻器接線圖

PLC自動控制部分接線情況如圖4所示。

圖4 PLC接線圖

4.2 設計接線說明

變頻器的端子DI1在接收到繼電器K1信號時主變頻器啟動，接收到繼電器K2信號時副變頻器啟動，變頻器頻率則是端子DI3和DI4在接收到繼電器K3和K4后進行選擇切換。發生故障時，HD1報警器可以通過響亮的聲音提示有故障。沖洗閥由PLC的Q1.0直接輸出控制。

PLC不僅輸出控制信號，還接收變頻器的運行和故障反饋信號，用戶的啟動/停止按鈕信號，以及現場的緊急停車按鈕信號。

從設計接線圖中看不出設備的運行控制及邏輯關系，因為這部分內容均被“封裝”在PLC內部。

4.3 程序流程

使用梯形圖編制離心機的運行流程圖見圖5。主要用到計時器和計數器即可以編制離心機的運行流程，從而快速控制離心機運行，做到一鍵啟停，降低操作難度。

圖5 離心機運行流程

5 結語

通過應用PLC與變頻器的變頻調速控制技術對離心機進行調速控制，不僅順利達到了自控的目的，而且發現比傳統保護控制線纜的控制更加靈活。因此，在離心機系統中采用PLC與變頻器的控制技術值得推廣應用。

雖然在本研究程序中只用到了簡單的指令（如常開/常閉指令、輸入/輸出指令、計數器指令、計時器指令），程序的編制并不復雜，但是也能夠滿足此次對離心機的控制要求。在以后的項目設計中，還可以使用高級的編程，如使用PLC和變頻器進行Modbus RTU通訊，這樣能夠采集到更多的設備運行數據。