高 超

（南京銀茂永磁節(jié)能科技有限公司,江蘇 南京 210033）

1 引言

永磁調(diào)速設(shè)備作為一種主要針對(duì)離心式負(fù)載調(diào)速的新型節(jié)能產(chǎn)品,由于其與變頻器（特別是高壓變頻器）相比,具有高可靠性、易維護(hù)、減振效果強(qiáng)等諸多優(yōu)良特性,近年來已在很多行業(yè)得到推廣應(yīng)用,例如石化、電力、冶金行業(yè)等。作為一款機(jī)電一體化產(chǎn)品,永磁調(diào)速設(shè)備最大轉(zhuǎn)速需與配套電機(jī)、負(fù)載額定轉(zhuǎn)速相同。而在實(shí)際使用過程中,永磁調(diào)速設(shè)備的調(diào)速范圍基本上在最大轉(zhuǎn)速的20%-80%之間。這意味著,除了對(duì)機(jī)械部件加工精度和設(shè)備裝配有較高要求外,控制系統(tǒng)也是整套設(shè)備的重要組成部分,其直接影響著永磁調(diào)速設(shè)備的調(diào)速精度和響應(yīng)時(shí)間。良好的控制系統(tǒng)可以提高包括電機(jī)、永磁調(diào)速設(shè)備和離心式負(fù)載在內(nèi)的整套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性,延長(zhǎng)系統(tǒng)的生命周期,同時(shí)有效降低維護(hù)成本。

本文主要針對(duì)風(fēng)冷型永磁調(diào)速設(shè)備,設(shè)計(jì)基于西門子S7-200系列PLC和昆侖通態(tài)TPC1061Ti觸摸屏的控制系統(tǒng)。

2 風(fēng)冷型永磁調(diào)速設(shè)備的構(gòu)成及說明

風(fēng)冷型永磁調(diào)速設(shè)備的總體構(gòu)成如圖1中虛線框內(nèi)所示。

圖中驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子（其上徑向安裝有導(dǎo)體材料）通過聯(lián)軸器與電機(jī)相連,被驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子（其上徑向裝配有釹鐵硼永磁材料）安裝在調(diào)速機(jī)構(gòu)上,調(diào)速機(jī)構(gòu)通過聯(lián)軸器與離心式負(fù)載相連?，F(xiàn)場(chǎng)控制箱通過安裝于離心式負(fù)載側(cè)的傳感器采集所需參數(shù),將參數(shù)輸入PLC（一般為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)）并經(jīng)過邏輯運(yùn)算后,將信號(hào)送入執(zhí)行器中,執(zhí)行器通過帶動(dòng)調(diào)速機(jī)構(gòu)來調(diào)整被驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置,從而調(diào)節(jié)被驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子（離心式負(fù)載）的轉(zhuǎn)速,達(dá)到節(jié)能的目的。

圖1 風(fēng)冷型永磁調(diào)速設(shè)備整體構(gòu)成（含電機(jī)、離心式負(fù)載）

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件部分主要由觸摸屏、PLC及各類轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量等傳感器構(gòu)成。西門子S7-200系列PLC具有極高的可靠性和指令集、便捷的操作、強(qiáng)大的內(nèi)置集成功能、豐富的擴(kuò)展模塊,具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力,I/O點(diǎn)數(shù)適中,性價(jià)比高,非常適合作為風(fēng)冷型永磁調(diào)速設(shè)備的控制處理器。

昆侖通態(tài)TPC1061Ti觸摸屏,以Cortex-A8 CPU為核心（主頻600MHz）采用了10.2英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率1024×600）,同時(shí)還預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件（運(yùn)行版）,具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。其外部接口包括串口、USB接口、以太網(wǎng)口和CAN接口,功能全面。

該系列觸摸屏與西門子S7-200系列PLC配合使用,可以完成風(fēng)冷型永磁調(diào)速設(shè)備控制系統(tǒng)所需提供的各種主要監(jiān)控功能。本控制系統(tǒng)中,PLC與觸摸屏的通信方式采用Modbus/TCP通信協(xié)議,該協(xié)議與大多數(shù)自動(dòng)化控制設(shè)備均有較好的兼容性,且有編程簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、系統(tǒng)安全程度高等特點(diǎn),是業(yè)界通用規(guī)約。

4 控制系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)軟件以監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)參數(shù)為中心,具有操作簡(jiǎn)單、功能完善、界面友善等特點(diǎn),主要功能可以分為5大模塊,具體由4.1-4.5節(jié)詳述。

4.1 系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)與顯示

本控制系統(tǒng)可以采集電機(jī)、風(fēng)冷型永磁調(diào)速設(shè)備和離心式負(fù)載的基本參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)參數(shù),將其實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上。采集的主要參數(shù)包括:

表1 系統(tǒng)采集參數(shù)

4.2 風(fēng)冷型永磁調(diào)速設(shè)備的運(yùn)行控制

風(fēng)冷型永磁調(diào)速設(shè)備的運(yùn)行控制分為本地手動(dòng)、自動(dòng)和遠(yuǎn)程遙控三種模式。

本地手動(dòng)控制模式為設(shè)備操作人員通過風(fēng)冷型永磁調(diào)速設(shè)備的控制箱按鈕來控制設(shè)備的運(yùn)行,此時(shí)本地自動(dòng)控制模式不可用。在本地自動(dòng)控制模式下,由現(xiàn)場(chǎng)控制箱內(nèi)PLC中預(yù)設(shè)定的程序?qū)︼L(fēng)冷型永磁調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制,此時(shí)本地手動(dòng)控制不可用（緊急停止按鈕除外）。遠(yuǎn)程遙控模式則是操作人員在遠(yuǎn)端通過控制系統(tǒng)監(jiān)控界面上顯示的信息,對(duì)風(fēng)冷型永磁調(diào)速設(shè)備進(jìn)行操作,此時(shí)本地手動(dòng)、自動(dòng)模式均不可用。

4.3 故障的監(jiān)測(cè)、報(bào)警與處理

本控制系統(tǒng)可對(duì)風(fēng)冷型永磁調(diào)速設(shè)備運(yùn)行時(shí)發(fā)生的故障進(jìn)行類型判斷,并在觸摸屏上彈出相應(yīng)信息提示,同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。所有報(bào)警信號(hào)分為預(yù)警和正式報(bào)警兩種,其中預(yù)警信號(hào)為通知信號(hào),告知用戶系統(tǒng)出現(xiàn)問題,需要維護(hù),此時(shí)電機(jī)和風(fēng)冷型永磁調(diào)速設(shè)備不停止運(yùn)行,用戶可根據(jù)生產(chǎn)情況判定何時(shí)停機(jī)進(jìn)行維護(hù)；而正式報(bào)警信號(hào)則表示系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障,需要盡快停止電機(jī)及風(fēng)冷型永磁調(diào)速設(shè)備運(yùn)行（根據(jù)用戶要求）并進(jìn)行維修（可視不同用戶需求對(duì)停止時(shí)間進(jìn)行設(shè)定）。

本控制系統(tǒng)設(shè)置的主要故障類型包括:電機(jī)電流信號(hào)報(bào)警、電機(jī)晃電報(bào)警、振動(dòng)報(bào)警、永磁體溫度報(bào)警、軸承溫度報(bào)警及轉(zhuǎn)速報(bào)警等。此外,還可根據(jù)用戶現(xiàn)場(chǎng)工況和工藝流程要求進(jìn)行增加,例如流量報(bào)警、壓力報(bào)警等?？刂葡渖嫌小扒骞收稀卑粹o,在維修完成后需按下該按鈕,確認(rèn)故障已清除。

4.4 歷史信息的顯示與存儲(chǔ)

控制系統(tǒng)里對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行信息進(jìn)行存儲(chǔ),包括表1中的所有參數(shù)以及4.3節(jié)中的故障類型、發(fā)生時(shí)間和清除時(shí)間等。表1中的所有參數(shù)采集頻率可分為1秒/次、5秒/次及10秒/次三種,供用戶根據(jù)自身需要進(jìn)行選擇。用戶可以在觸摸屏上以列表方式查看數(shù)據(jù),也可以趨勢(shì)圖方式查看數(shù)據(jù)。觸摸屏的USB端口可以外接打印設(shè)備或U盤,用戶可下載、打印歷史數(shù)據(jù)。

4.5 安全功能

本控制系統(tǒng)功能較多,為了避免誤操作,對(duì)系統(tǒng)的安全功能進(jìn)行設(shè)置,主要分為用戶權(quán)限設(shè)置和按鈕（屏幕）響應(yīng)速度設(shè)置。

用戶權(quán)限設(shè)置主要是對(duì)用戶級(jí)別進(jìn)行了區(qū)分,按權(quán)限從低到高分為操作員、設(shè)備管理員、調(diào)試人員三個(gè)等級(jí)。操作員只能擁有修改本人密碼、風(fēng)冷型永磁調(diào)速設(shè)備的啟停、增減速、處理設(shè)備故障等普通操作功能；設(shè)備管理員除具有操作員的權(quán)限外,還可以對(duì)操作員的身份、密碼、操作權(quán)限（如是否可調(diào)整設(shè)備控制模式）等進(jìn)行設(shè)定,對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行下載等；調(diào)試人員的權(quán)限最高,可以完成所有設(shè)備參數(shù)設(shè)置工作。該權(quán)限不開放給用戶,僅供設(shè)備初始安裝后、廠商技術(shù)人員維修時(shí)調(diào)試使用。

按鈕（屏幕）響應(yīng)速度設(shè)置主要用來保證設(shè)備不被操作員誤操作。此外,由于永磁調(diào)速設(shè)備本體的調(diào)速機(jī)械結(jié)構(gòu)不適宜頻繁增減速,特別是盡量不要出現(xiàn)短時(shí)間（如5秒內(nèi)出現(xiàn)）增-減-增或減-增-減的情況,會(huì)造成關(guān)鍵機(jī)械部件快速磨損。因此需對(duì)按鈕（屏幕）上控制設(shè)備增減速的按鈕響應(yīng)設(shè)定一定的時(shí)間間隔,即按下增（減）速按鈕后,再次按動(dòng)增（減）速按鈕需等待一段時(shí)間,控制系統(tǒng)才會(huì)響應(yīng)。一般來說,間隔時(shí)間在3~5秒為宜。

5 結(jié)語

本文探討了風(fēng)冷型永磁調(diào)速設(shè)備的控制系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)原則,并給出了系統(tǒng)的組成模塊。該控制系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面,提供設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息,可以滿足用戶采取適當(dāng)?shù)拇胧?以保證電機(jī)、風(fēng)冷型永磁調(diào)速設(shè)備及離心式負(fù)載處于一個(gè)穩(wěn)定、安全且高效的運(yùn)行狀態(tài)。

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