浅析一种基于PLC的电杆成型离心机控制系统

浅析一种基于 PLC的电杆成型离心机控

制系统

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