基于觸摸屏和PLC的風冷型永磁調速設備控制系統設計

高 超

（南京銀茂永磁節能科技有限公司,江蘇 南京 210033）

1 引言

永磁調速設備作為一種主要針對離心式負載調速的新型節能產品,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、減振效果強等諸多優良特性,近年來已在很多行業得到推廣應用,例如石化、電力、冶金行業等。作為一款機電一體化產品,永磁調速設備最大轉速需與配套電機、負載額定轉速相同。而在實際使用過程中,永磁調速設備的調速范圍基本上在最大轉速的20%-80%之間。這意味著,除了對機械部件加工精度和設備裝配有較高要求外,控制系統也是整套設備的重要組成部分,其直接影響著永磁調速設備的調速精度和響應時間。良好的控制系統可以提高包括電機、永磁調速設備和離心式負載在內的整套系統運行穩定性,延長系統的生命周期,同時有效降低維護成本。

本文主要針對風冷型永磁調速設備,設計基于西門子S7-200系列PLC和昆侖通態TPC1061Ti觸摸屏的控制系統。

2 風冷型永磁調速設備的構成及說明

風冷型永磁調速設備的總體構成如圖1中虛線框內所示。

圖中驅動轉子（其上徑向安裝有導體材料）通過聯軸器與電機相連,被驅動轉子（其上徑向裝配有釹鐵硼永磁材料）安裝在調速機構上,調速機構通過聯軸器與離心式負載相連。現場控制箱通過安裝于離心式負載側的傳感器采集所需參數,將參數輸入PLC（一般為4-20mA標準信號）并經過邏輯運算后,將信號送入執行器中,執行器通過帶動調速機構來調整被驅動轉子與驅動轉子的相對位置,從而調節被驅動轉子（離心式負載）的轉速,達到節能的目的。

圖1 風冷型永磁調速設備整體構成（含電機、離心式負載）

3 控制系統硬件設計

控制系統的硬件部分主要由觸摸屏、PLC及各類轉速、溫度、壓力、流量等傳感器構成。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、強大的內置集成功能、豐富的擴展模塊,具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力,I/O點數適中,性價比高,非常適合作為風冷型永磁調速設備的控制處理器。

昆侖通態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）,同時還預裝了MCGS嵌入式組態軟件（運行版）,具備強大的圖像顯示和數據處理功能。其外部接口包括串口、USB接口、以太網口和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,可以完成風冷型永磁調速設備控制系統所需提供的各種主要監控功能。本控制系統中,PLC與觸摸屏的通信方式采用Modbus/TCP通信協議,該協議與大多數自動化控制設備均有較好的兼容性,且有編程簡單、實時性強、系統安全程度高等特點,是業界通用規約。

4 控制系統軟件功能設計

本控制系統軟件以監測設備實時參數為中心,具有操作簡單、功能完善、界面友善等特點,主要功能可以分為5大模塊,具體由4.1-4.5節詳述。

4.1 系統的運行參數監測與顯示

本控制系統可以采集電機、風冷型永磁調速設備和離心式負載的基本參數和運行狀態參數,將其實時顯示在觸摸屏上。采集的主要參數包括:

表1 系統采集參數

4.2 風冷型永磁調速設備的運行控制

風冷型永磁調速設備的運行控制分為本地手動、自動和遠程遙控三種模式。

本地手動控制模式為設備操作人員通過風冷型永磁調速設備的控制箱按鈕來控制設備的運行,此時本地自動控制模式不可用。在本地自動控制模式下,由現場控制箱內PLC中預設定的程序對風冷型永磁調速系統進行自動控制,此時本地手動控制不可用（緊急停止按鈕除外）。遠程遙控模式則是操作人員在遠端通過控制系統監控界面上顯示的信息,對風冷型永磁調速設備進行操作,此時本地手動、自動模式均不可用。

4.3 故障的監測、報警與處理

本控制系統可對風冷型永磁調速設備運行時發生的故障進行類型判斷,并在觸摸屏上彈出相應信息提示,同時發出聲光報警。所有報警信號分為預警和正式報警兩種,其中預警信號為通知信號,告知用戶系統出現問題,需要維護,此時電機和風冷型永磁調速設備不停止運行,用戶可根據生產情況判定何時停機進行維護；而正式報警信號則表示系統出現嚴重故障,需要盡快停止電機及風冷型永磁調速設備運行（根據用戶要求）并進行維修（可視不同用戶需求對停止時間進行設定）。

本控制系統設置的主要故障類型包括:電機電流信號報警、電機晃電報警、振動報警、永磁體溫度報警、軸承溫度報警及轉速報警等。此外,還可根據用戶現場工況和工藝流程要求進行增加,例如流量報警、壓力報警等?？刂葡渖嫌小扒骞收稀卑粹o,在維修完成后需按下該按鈕,確認故障已清除。

4.4 歷史信息的顯示與存儲

控制系統里對系統的運行信息進行存儲,包括表1中的所有參數以及4.3節中的故障類型、發生時間和清除時間等。表1中的所有參數采集頻率可分為1秒/次、5秒/次及10秒/次三種,供用戶根據自身需要進行選擇。用戶可以在觸摸屏上以列表方式查看數據,也可以趨勢圖方式查看數據。觸摸屏的USB端口可以外接打印設備或U盤,用戶可下載、打印歷史數據。

4.5 安全功能

本控制系統功能較多,為了避免誤操作,對系統的安全功能進行設置,主要分為用戶權限設置和按鈕（屏幕）響應速度設置。

用戶權限設置主要是對用戶級別進行了區分,按權限從低到高分為操作員、設備管理員、調試人員三個等級。操作員只能擁有修改本人密碼、風冷型永磁調速設備的啟停、增減速、處理設備故障等普通操作功能；設備管理員除具有操作員的權限外,還可以對操作員的身份、密碼、操作權限（如是否可調整設備控制模式）等進行設定,對歷史數據進行下載等；調試人員的權限最高,可以完成所有設備參數設置工作。該權限不開放給用戶,僅供設備初始安裝后、廠商技術人員維修時調試使用。

按鈕（屏幕）響應速度設置主要用來保證設備不被操作員誤操作。此外,由于永磁調速設備本體的調速機械結構不適宜頻繁增減速,特別是盡量不要出現短時間（如5秒內出現）增-減-增或減-增-減的情況,會造成關鍵機械部件快速磨損。因此需對按鈕（屏幕）上控制設備增減速的按鈕響應設定一定的時間間隔,即按下增（減）速按鈕后,再次按動增（減）速按鈕需等待一段時間,控制系統才會響應。一般來說,間隔時間在3~5秒為宜。

5 結語

本文探討了風冷型永磁調速設備的控制系統基本設計原則,并給出了系統的組成模塊。該控制系統具有良好的人機交互界面,提供設備的實時運行信息,可以滿足用戶采取適當的措施,以保證電機、風冷型永磁調速設備及離心式負載處于一個穩定、安全且高效的運行狀態。

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