农天高
广西电力线路器材厂有限责任公司 广西南宁市黎塘镇530409
摘要：近年来，随着科学技术的不断发展，各行各业都在朝着自动化与信息化方向发展。为进一步提升环形混凝土电杆行业自动化水平，本文介绍一种基于PLC的电杆成型离心机控制系统。该自动化控制系统从组成结构上可以分为：变频电机、变频器 控制和 PLC 的软件编程等。采用 MCGS 组态技术建立上位机监控系统来实现离心机的参数设置和运行数据的显示与存储。
关键词：PLC、离心机、控制系统
前 言
在实际生产过程中，电杆生产工艺的多元化和精益化要求在生产的过程中能够实现对离心机的转速进行方便快速的调整。因此市面上出现了很多以变频调速功能为核心的变频器。这些专用的变频器在一定程度上实现了对电杆成型过程中离心转速控制。但是，从自动化程度上来看，这类变频器不具有多元化变频控制的功能。在实际的生产过程中，生产人员根据实际生产的需要对运行参数进行选择和变换。这种选择大多是通过档位开关的选择来实现的。由于档位开关的物理结构原因，这种开关换挡方式最多做到五档，其弊端是十分明显的，无法满足多种规格不同直径电杆的精细细离心控制要求，既不能够确保所选择的离心速度严格符合生产工艺的需求，同时缺少自动离心过程中钢模跳动的人工不停机干预手段，存在一定的安全风险，而停机转为手动操作再次离心势必增加人员工作强度和离心时间。鉴于此，笔者在本文中介绍了一种以PLC为控制核心，并结合变频电机、变频器和MCGC技术的新型控制系统。
1.离心机的工作流程
首先应该明确的是环形混凝土电杆成型离心机在实际生产中的使用目的及其工作原理。使用目的：环形电杆的建筑材料为混凝土，成品电杆是中空状态。电杆在成型的过程中，除了确保获得形状均匀，表面光滑之外，还必须尽量保证内部混凝土的分布均匀，避免分层。工作原理：电动机提供动力来使得模具快速转动。当模具以其自身的中心轴线快速转动时，内部的混凝土会受到一个离心力，在离心力的作用下，混凝土逐步脱水、密实，形成致密的均匀中空型态。而不同转速下，产生的离心力是不同的，会影响电杆中混凝土的布料、脱水和密实过程，从而影响电杆产品的质量。一般来说，电杆成型工艺中普遍需要经过以下三个过程：（1）慢速运行状态：慢速运行的转速往往控制在80-150转每分钟。运行时间为60-120秒。（2）中速运行：离心机以220-320转每分钟的转速持续运行60-120秒。（3）高速运行：离心机以380-520转左右的转速持续运行480-600秒。整个离心过程都是相辅相成的，速度过高或者过低，时间过长或过短都会对成品电杆的力学性能产生直接影响。随着电杆混凝土泵送工艺的发展，离心工艺也在发展变化，新型五段离心工艺、速度曲线控制离心工艺等更精确的离心工艺也在不断研究和应用。
２ 自动调速控制系统设计
由上文可知电杆成型过程中最核心的技术环节就是对转速进行有效地控制，且这种控制过程最好能够实现自动化。此外，从生产要求层面来看该自动控制系统必须具备可调速范围广泛以及转速均匀稳定的特征。前者是为了使得其具有的更大的应用空间，能够满足更多型号电杆成型任务的要求，后者则是为了提升电杆的品质。在本次设计当中，使用变频器来驱动电机以达到上述要求。而对于不同生产要求的电杆，则通过PLC脉冲输出来对变频器进行控制。为了降低人工操作的难度，该系统还采用了MCGS技术来对人机交互界面进行设计。操作人员不仅可以通过这个界面实现对转速的调整，而且能监控实时转速。此外，还能够对历史数据进行管理。
2.1变频电机的选择
离心机的选择需要根据生产的实际需要，从转矩和最高转速等方面来进行综合考虑。本次设计使用YVF２-200L-４,37kW变频调速专用三相异步电动机。电动机在持续生产的过程中，会产生大量的电热，这些热量如果不进行及时的转移那么将会对生产安全造成极大的影响。而此电机具有配套的外置流风机，这种流风机能够根据离心机的实际转速来改变自身的工作功率，达到最佳控温效果。
2.２ 变频器的控制技术
2.2.1 变频器选型
变频器的选择同样需要结合众多因素综合考虑。本次设计中采用安川 A 系列型号为 CIMR-AB４A0088的变频器。选择此型号变频器的原因在于其具有电流矢量控制功能。且有效转速调整范围广泛，能够满足实际生产过程中的需求。
2.2.2 变频器的运行控制
通过脉冲输入信号来实现对变频器速度的控制是本次设计的基本思想。
而变频器的开启和结束运行则由输入端的开关信号进行控制。对离心机的控制除了对其运行与开关控制之外，还有一个技术特点。即如何克服在结束运行时由于离心机较大的惯性而导致停止时间长的问题。如果不能将离心机的停止制动时间控制在合理的范围内，那么将会增加离心工序总时间，影响电杆生产效率及产能。本次设计中，同时采用了制动单元与制动电阻器。二者都能够通过消耗离心机在惯性运行中具有的动能，从而平缓可控地将其转速降至零。据测算，无制动装置的离心机控制系统，从系统停机到离心机完全停止转动需要150秒左右，而有制动装置的离心机控制系统，在不影响电杆质量的前提下可以控制在30-60秒内完全停转，相对于单一的控制元件而言，两者结合的设计方式效果更佳，可提高离心工序生产效率10%左右。
2.3 PLC 自动调速控制系统
2.3.1 PLC硬件组成
本设计选用西门子S7-200 SMART CPU ST40 小型PLC组成核心控制单元。选择该型号PLC的原因如下：（1）具有足够的信号输入和输出点。该型号PLC的输入点有24个，输出点为14个。足够在实际应用中进行信号和控制命令的输入与输出。（2）具有良好的联网通信功能。该PLC自带的以太网接口与串行接口使得联网通信成为可能。（3）这是一款性价比较高的轻量级PLC，便于运输、安装和使用。
2.3.2 程序设计思路
如上所述，不同型号的电杆具有不同的离心工艺标准，在进行离心成型的过程中需要加以不同的转速和时间，在实际生产过程中，也会有离心完成后达不到合格标准的情况。为此，笔者深入生产一线做了大量的调研，对离心生产过程中各种情况进行了统计。根据统计结果设计出了普通离心模式、壁薄补料离心模式，塌落修复离心模式三种离心模式。这三种离心模式基本上可以满足电杆的离心成型操作需求。每种杆型中三种模式方便切换，在每一种模式中，都包含了十段不同的转速控制，并能够对运行时间、加速时间、减速时间进行独立控制，可以模拟速度曲线控制方式，应用范围广。为了实现准确、快捷的离心参数设置，使用MCGS人机交互界面。
2.3.3程序设计算法
根据实际的需要，该系统的程序分为一个主程序和五个子程序。每个子程序在系统中程度不同的功能，并由主程序进行统一调度。下面对这6个程序进行概述：（1）主程序。主程序能够调用五个子程序及其他各个程序。其调用方式是利用PLC扫描，被调用的程序包含但不限于报警程序、启动和关闭程序等。为了降低编程难度，本设计中采用PTO来实现向导编程。在向导界面中，操作人员可以轻易对脉冲频率、电机速度等进行控制。当设置完成后，系统会根据设置的各个参数自动实现代码编程，并将数据包导入至控制器，以实现各个组成部分的控制。(２)离心机子程序1。该子程序所承担的功能较为简单，即对由PLC端传递过来的输入和输出信号进行处理，从而控制开关。PCL端传递给该程序的开关信号包括自动挡或者手动挡转变信号、离心机急停信号、点动信号、电机温度控制信号等。(３)离心机子程序2。当PLC处于运行状态时，会将当前离心机的各种模式参数传送到寄存器中。寄存器是提前编制好的，具有计算和存储功能。因此该子程序的作用在于对变频器的运行步序进行控制，而控制的依据则是寄存器的计算结果。该计算结果将被转换成频率信号，并输出以控制变频器的运行状态。(４)升降频子程序。该程序直接对当前脉冲输出结果寄存器进行加减操作，以实现在离心过程中钢模跳动过大时进行不停机调整合适的离心转速，即确保离心生产安全，又可以节省停机后再手动控制重启的时间浪费。(5)运行时间记录子程序。顾名思义，该子程序的主要用途是对电机的运行时间进行记录。电机是整个生产环节中的直接能量来源，电机的运行状态对系统稳定性有重要的影响。而在长期的运行过程中，电机的可能会出现一定的疲损故障。因此，有必要对电机的运行时间进行监控，以便于进行检修和维护。(6)参数设置子程序。当PLC通电运行时，要对寄存器进行赋值。因此寄存器是不具有断电记忆功能的。当某次使用结束并断电后，寄存器中的参数便会丢失。因此，在每次使用之前都必须重新赋值。
2.4 组态的选择
为了实现良好的人机交互功能，降低系统的使用难度。在该系统中，笔者采用搭载了MCGS嵌入式组态软件的显示屏。该显示屏不仅能显示实时数据，而且具有一定的数据处理功能。能够实现数据、表格、图形之间的转换。此外，这样的组态方式还能够实现全工厂内的信息化智能连接。实现高水平的信息处理功能。
３ 结语
在电杆的生产过程中，离心成型是至关重要的一个步骤,现存的控制系统大多需要人工手动换挡和计时,不能够满足自动化和信息化生产的要求。采用PLC脉冲功能实现对电杆成型离心机的控制，并搭载MCGS组态的显示触控屏能够提升电杆生产效率，优化生产流程，提高企业生产水平。
参考文献：
[1]童克波．水泥电杆成型离心机变频调速系统的改造及实现 [J]．工业仪表与自动化装置,2019(１):８２-８４．
[2]刘长国,黄俊强．MCGS 嵌入版组态应用技术[M]．北京: 机械工业出版社,2018．