李志剛

(攀鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司， 四川 攀枝花市 617000)

0 引言

隔膜泵是長(zhǎng)距離管道輸送的關(guān)鍵設(shè)備之一，近年來(lái)，隨著生產(chǎn)規(guī)模的大型化，許多料漿輸送都存在利用多臺(tái)隔膜泵向同一條管道輸送料漿的工況，如果不采取措施，多臺(tái)隔膜泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生流量峰值疊加的問(wèn)題，從而引起管道振動(dòng)，影響隔膜泵及整個(gè)管路的正常運(yùn)行，容易釀成事故[1-3]。

為了解決多隔膜泵合流時(shí)較大的壓力和流量波動(dòng)問(wèn)題，就必須保證隔膜泵無(wú)論在什么樣的速度下，各泵之間的相位差保持恒定。傳統(tǒng)的泵由變頻器驅(qū)動(dòng)無(wú)法精準(zhǔn)調(diào)節(jié)各個(gè)泵之間的相位差，采用跟蹤編碼器角度的PID調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)并穩(wěn)定各泵的角度差非常困難，大慣量泵的運(yùn)行剛性和響應(yīng)很難及時(shí)響應(yīng)PID調(diào)節(jié)的速度疊加，同時(shí)更無(wú)法在加減速的過(guò)程中保持各個(gè)泵之間的相位恒定；采用伺服驅(qū)動(dòng)器做泵的位置控制更合適，但每臺(tái)泵設(shè)計(jì)獨(dú)立的控制器時(shí)，保持速度同步的同時(shí)也很難做到加減速中的相位差恒定，且?guī)装偾叩乃欧杀咎?，是隔膜泵或泥漿泵設(shè)備難以承受的[4-7]。

1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

系統(tǒng)設(shè)計(jì)為3臺(tái)三缸液壓隔膜泵同步運(yùn)行，隔膜泵的額定沖次為 48次/min，選擇電機(jī)為變頻電機(jī)，電機(jī)參數(shù)為：額定電壓690 V，額定功率710 kW。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。

2 多泵同步運(yùn)行方案分析

為了消除多泵運(yùn)行可能造成的泵出口壓力波動(dòng)，要求在運(yùn)行過(guò)程中保持3臺(tái)泵轉(zhuǎn)速相同，并保持3臺(tái)泵之間位置恒定。PowerFlex 755變頻器方案同步控制器集成在變頻器內(nèi)，每套系統(tǒng)由3臺(tái)獨(dú)立的中壓變頻器和一套同步控制器構(gòu)成。同步控制器由 Controllogix 控制器和位置控制模塊 1756-M02AE組成。同步控制器和變頻器之間利用Controlnet網(wǎng)絡(luò)連接，變頻器實(shí)際啟動(dòng)停止、速度指令等信號(hào)由同步控制器通過(guò) controlnet發(fā)送給變頻器。同時(shí)每臺(tái)泵變頻器配置泵控制盤(pán)1臺(tái)，發(fā)送變頻器使能信號(hào)到變頻器，發(fā)送啟動(dòng)停止、速度給定信號(hào)到同步控制器。泵控制盤(pán)接受變頻器速度、準(zhǔn)備、運(yùn)行、報(bào)警、故障等狀態(tài)信號(hào)，同時(shí)接受同步控制器反饋信號(hào)，信號(hào)包括同步控制器準(zhǔn)備、相位報(bào)警、編碼器故障、零位故障等。3臺(tái)泵同步運(yùn)行方案見(jiàn)圖1。

電機(jī)軸上安裝雙通道編碼器，一路信號(hào)輸出到變頻器，作為速度反饋，一路信號(hào)輸出到同步控制器，作為位置反饋。同時(shí)，泵曲軸上安裝1個(gè)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出到1756-M02AE模塊，作為模塊零位信號(hào)。

該方案變頻器實(shí)際工作在速度模式，通過(guò)伺服控制1756-M02AE模塊，實(shí)現(xiàn)各臺(tái)泵速度和位置的同步。

3 多泵同步運(yùn)行解決方案

隔膜泵同步合流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)由 PLC、變頻器、編碼器等構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速電氣控制系統(tǒng)。通過(guò)隔膜泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸上的雙通道編碼器來(lái)檢測(cè)電機(jī)的相位，采集泵的運(yùn)行位置和速度。通過(guò)PLC測(cè)算出各隔膜泵之間的相位差，并與設(shè)定的相位差對(duì)比，通過(guò)控制變頻器微調(diào)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)相位差的控制。

圖1 3臺(tái)泵同步控制方案

（1）單泵控制器采用1756控制器，通過(guò)以太網(wǎng)模塊連接800 kW的PF755變頻器，電機(jī)編碼器采用P+F增量式編碼器，接入PF755編碼器卡中；本地觸摸屏，控制器，變頻器與控制器以及 DCS的通訊都通過(guò)以太網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)；通過(guò)本地觸摸屏控制泵在就地模式時(shí)的速度和啟停；

（2）主PLC作為多泵控制的主控制器，負(fù)責(zé)和3臺(tái)泵以及DCS系統(tǒng)通訊，通過(guò)接收DCS系統(tǒng)發(fā)送的設(shè)定速度，相位差值和啟停指令，控制主CPU中虛擬主泵的運(yùn)行和速度調(diào)節(jié)；同時(shí)將3臺(tái)泵的運(yùn)行狀態(tài)反饋給DCS系統(tǒng)。

（3）每臺(tái)PF755工作在CIP motion模式下，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵精確的速度和位置控制，通過(guò)通訊接收主CPU中虛軸主泵的位置和速度值，在本地CPU中通過(guò)算法生成一個(gè)編碼器軸，以此為主軸和泵保持電子齒輪關(guān)系，以保持與虛擬主泵的速度同步；如果本泵減去虛擬泵的位置值不等于設(shè)定相位偏差角度設(shè)定值，本泵在保持和虛擬主泵電子齒輪同步運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，再疊加一個(gè)低速的MAM相對(duì)位置運(yùn)動(dòng)指令，如果大于設(shè)定偏差，MAM 的運(yùn)動(dòng)距離為負(fù)，如果小于設(shè)定，MAM 的運(yùn)動(dòng)距離為正。經(jīng)過(guò)這個(gè)補(bǔ)償?shù)腗AM運(yùn)動(dòng)后，電子齒輪的位置關(guān)系依然保持，泵與虛擬主泵位置相差的角度就不會(huì)再變化；第1個(gè)泵和虛擬主泵偏差角度設(shè)置為0°，第2個(gè)泵和虛擬主泵偏差角度設(shè)定為120°，第3個(gè)泵和虛擬主泵偏差角度設(shè)置為240°，達(dá)到多泵相位同步合流的目的。

（4）遠(yuǎn)程同步：DCS系統(tǒng)通過(guò)通訊設(shè)置偏差角度，選擇1, 2, 3號(hào)泵啟動(dòng)，控制主CPU中的虛擬主泵運(yùn)行；

（5）本地同步：為了設(shè)備使用更為靈活，在DCS系統(tǒng)故障的情況下也能達(dá)到多泵同步的效果，設(shè)計(jì)了本地同步控制模式，在泵就地觸摸屏上選擇“就地同步”按鈕，設(shè)定就地同步時(shí)的速度和相位偏差，就地 PLC通過(guò)通訊將此請(qǐng)求發(fā)送給主控PLC，使主控PLC中的虛擬主泵按照屏上設(shè)定速度啟動(dòng)。此后任何一臺(tái)工作在本地同步模式下的泵便會(huì)隨虛擬主泵運(yùn)行，并保持相位偏差角度。

4 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

（1）省去原有方案中編碼器分支器，主控制器模擬量模塊，避免了成本高、接線復(fù)雜等缺點(diǎn)。

（2）通過(guò) PID調(diào)節(jié)速度來(lái)調(diào)相位差的控制方式、精度差，并且處于長(zhǎng)期調(diào)整狀態(tài)中，不同流量時(shí)相位偏差大，而基于位置控制方式的同步控制能滿(mǎn)足各種工況下的穩(wěn)定持續(xù)同步。

（3）CIP Motion控制方式精度小于1°，且達(dá)到設(shè)定相位差后會(huì)一直穩(wěn)定。

（4）運(yùn)動(dòng)中改變相位偏差設(shè)定時(shí)，設(shè)備速度改變平滑；加速過(guò)程中，各個(gè)泵之間的相位偏差仍然不會(huì)發(fā)生改變。

（5）驅(qū)動(dòng)器參數(shù)存放在控制器中，更換硬件時(shí)免維護(hù)，Ethernet/IP實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)高效方便地連接各種控制設(shè)備,標(biāo)簽化編程使用戶(hù)數(shù)據(jù)所見(jiàn)及所得，方便項(xiàng)目開(kāi)發(fā)及維護(hù)。

（6）采用伺服系統(tǒng)中特有的虛軸策略，靈活處理各泵之間的相位差設(shè)置，無(wú)論多少臺(tái)泵合流同步，只需要改變相位角度即可，恒速和加減速過(guò)程中均保持相位同步，甚至停機(jī)減速過(guò)程中的相位都能保持同步。

5 結(jié)論

該多隔膜泵同步合流控制技術(shù)成功應(yīng)用于攀枝花市密地選礦廠精礦管道輸送系統(tǒng)，隔膜泵組運(yùn)行穩(wěn)定，3臺(tái)泵各泵頭位置相位偏差小于1°，即便是在加減速過(guò)程中，主管壁壓力波動(dòng)也非常小，速度流量調(diào)節(jié)平穩(wěn)。實(shí)踐表明：基于位置控制的多隔膜泵同步合流控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)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。