林錄云

海申機(jī)電總廠（象山）（浙江寧波 315718）

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)廢水、生活污水的排放量日益增加。為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境、保護(hù)人民的身體健康、提高水環(huán)境質(zhì)量，污水必須經(jīng)過凈化處理并達(dá)標(biāo)后才能排放。近年來，我國的污水處理量和處理規(guī)模迅速增長。

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的污水處理系統(tǒng)，其工藝需要很多機(jī)械設(shè)備，主要包括格珊、刮泥機(jī)、攪拌機(jī)、輸送機(jī)、離心脫水機(jī)等。本研究主要介紹了離心脫水機(jī)和利用變頻器對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的工作原理。利用西門子可編程邏輯控制器（PLC）進(jìn)行變頻調(diào)速控制，更好地控制離心機(jī)工作，提高自動(dòng)化程度，提高分離效率。

1 離心脫水機(jī)的基本工作原理

離心脫水機(jī)（全稱臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)，簡稱離心機(jī)）將高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心加速度轉(zhuǎn)化為重力加速度，使固體顆粒的沉降時(shí)間較在重力場作用下縮短至數(shù)千分之一，快速沉積的固體顆粒通過螺旋輸送器排出轉(zhuǎn)鼓，從而實(shí)現(xiàn)不間斷連續(xù)運(yùn)行。

物料經(jīng)進(jìn)料管被輸送到螺旋出料口，高速旋轉(zhuǎn)的螺旋出料口將物料均勻地分布于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)；主電機(jī)通過皮帶傳動(dòng)使轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生數(shù)千倍的重力加速度，固體顆?？焖俪两挡⒍逊e于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，與轉(zhuǎn)鼓相對運(yùn)動(dòng)的螺旋輸送器連續(xù)將沉渣向沉渣排出口輸送；沉渣在螺旋輸送器的擠壓和轉(zhuǎn)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(shè)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(qū)動(dòng)裝置包括恒扭矩變頻電機(jī)、耦合器、液壓馬達(dá)等），可對螺旋輸送器與轉(zhuǎn)鼓間的速度差（即差轉(zhuǎn)速）進(jìn)行調(diào)整，控制排渣速度和分離性能。

2 變頻器電機(jī)調(diào)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(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測單元、微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。另外，變頻器還具有過流、過壓、過載保護(hù)等功能。

簡單來說，變頻器就是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率的方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。

3 設(shè)計(jì)控制要求

3.1 控制對象

此次設(shè)計(jì)控制的離心機(jī)，其背驅(qū)動(dòng)裝置采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電氣控制部分有兩臺(tái)電機(jī)需要控制。根據(jù)離心機(jī)的工作原理，離心機(jī)在運(yùn)行時(shí)并不需要電機(jī)工頻運(yùn)行，而是根據(jù)所分離物料的性質(zhì)對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行，因此采用變頻器對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。由于離心機(jī)在工作結(jié)束后需要清水清洗其內(nèi)部，因此控制對象還需增加一個(gè)沖洗電磁閥（簡稱沖洗閥）。具體如圖1所示。

圖1 離心機(jī)控制系統(tǒng)控制對象簡圖

3.2 控制要求

用戶要求控制設(shè)備一鍵啟動(dòng)、一鍵停止，即：當(dāng)系統(tǒng)收到啟動(dòng)信號時(shí)，離心機(jī)能夠自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行到達(dá)工作轉(zhuǎn)速；當(dāng)收到停止信號時(shí)，離心機(jī)能夠自動(dòng)從工作轉(zhuǎn)速降到?jīng)_洗轉(zhuǎn)速，并自動(dòng)開啟沖洗電磁閥使用清水沖洗離心機(jī)，沖洗結(jié)束后自動(dòng)關(guān)閉沖洗電磁閥和離心機(jī)。同時(shí)，要求變頻器故障或收到急停信號時(shí)，變頻器能夠停止工作。

3.3 設(shè)計(jì)分析

3.3.1 選用雙電機(jī)雙變頻控制技術(shù)

離心機(jī)主、副電機(jī)均選用變頻器控制調(diào)速，由于其副電機(jī)在差速作用下始終處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，需要采用變頻器共直流母線技術(shù)。副變頻能很好地將副電機(jī)產(chǎn)生的電能通過轉(zhuǎn)化供主電機(jī)使用，從而避免了副變頻器母線電壓過高報(bào)警，且達(dá)到節(jié)能降耗的目的。[1]離心機(jī)主副變頻器連接情況如圖2所示。

圖2 離心機(jī)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(shí)現(xiàn)對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的變頻器選用阿西布朗勃法瑞（ABB）公司生產(chǎn)的變頻器。該變頻器主要用于控制和調(diào)節(jié)三相交流異步電機(jī)的速度，具有穩(wěn)定的性能、豐富的組合功能、高性能的矢量控制技術(shù)、低速高轉(zhuǎn)矩輸出、良好的動(dòng)態(tài)特性及超強(qiáng)的過載能力，在變頻器市場占據(jù)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(shù)的設(shè)計(jì)需要。

負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制流程的PLC選用德國西門子公司生產(chǎn)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(gè)緊湊的外殼中，從而形成了一個(gè)功能強(qiáng)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(nèi)應(yīng)用廣泛，資料查詢很方便。[2]

3.4 PLC控制點(diǎn)

根據(jù)控制需求，進(jìn)行PLC控制點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，具體如表1（DI為數(shù)字量輸入，DO為數(shù)字量輸出）所示。

表1 離心機(jī)控制點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

其中輸入點(diǎn)需要7DI，輸出點(diǎn)需要6DO，考慮需要預(yù)留部分控制點(diǎn)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(shè)計(jì)需求。

4 具體設(shè)計(jì)

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(dòng)控制部分接線情況如圖4所示。

圖4 PLC接線圖

4.2 設(shè)計(jì)接線說明

變頻器的端子DI1在接收到繼電器K1信號時(shí)主變頻器啟動(dòng)，接收到繼電器K2信號時(shí)副變頻器啟動(dòng)，變頻器頻率則是端子DI3和DI4在接收到繼電器K3和K4后進(jìn)行選擇切換。發(fā)生故障時(shí)，HD1報(bào)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(yùn)行和故障反饋信號，用戶的啟動(dòng)/停止按鈕信號，以及現(xiàn)場的緊急停車按鈕信號。

從設(shè)計(jì)接線圖中看不出設(shè)備的運(yùn)行控制及邏輯關(guān)系，因?yàn)檫@部分內(nèi)容均被“封裝”在PLC內(nèi)部。

4.3 程序流程

使用梯形圖編制離心機(jī)的運(yùn)行流程圖見圖5。主要用到計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器即可以編制離心機(jī)的運(yùn)行流程，從而快速控制離心機(jī)運(yùn)行，做到一鍵啟停，降低操作難度。

圖5 離心機(jī)運(yùn)行流程

5 結(jié)語

通過應(yīng)用PLC與變頻器的變頻調(diào)速控制技術(shù)對離心機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，不僅順利達(dá)到了自控的目的，而且發(fā)現(xiàn)比傳統(tǒng)保護(hù)控制線纜的控制更加靈活。因此，在離心機(jī)系統(tǒng)中采用PLC與變頻器的控制技術(shù)值得推廣應(yīng)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(jì)數(shù)器指令、計(jì)時(shí)器指令），程序的編制并不復(fù)雜，但是也能夠滿足此次對離心機(jī)的控制要求。在以后的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，還可以使用高級的編程，如使用PLC和變頻器進(jìn)行Modbus RTU通訊，這樣能夠采集到更多的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。