應用變頻器實現冷卻液多級壓力控制

譚善鋒，辛建豪，李兆亮

（上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司，山東青島 266555）

0 引言

曲軸是發動機中最重要的部件，它與連桿配合將活塞的直線運動轉變為曲軸的旋轉運動，驅動發動機上其他附件工作。曲軸在離心力、慣性力的共同作用下，承受彎曲扭轉載荷。為保證工作可靠，曲軸需具有足夠的剛度和強度，軸頸表面需耐磨、工作均勻、平衡性好。

為了達到軸頸表面的優越性能，曲軸采用磨床磨削各個軸徑。隨著磨削的不斷深入，需依次采用四級冷卻液壓力沖洗砂輪及軸徑結合面（圖1）。

1 系統整體方案設計

為實現軸徑表面圓度、粗糙度等工藝要求，四級冷卻液壓力需滿足轉換時間≤1 s，壓力偏差≤0.05 MPa。根據系統要求，提出3 種方案。

方案一：定量冷卻泵輸出一定壓力，多組電磁換向閥+調壓閥調定壓力。

方案二：定量冷卻泵輸出一定壓力，電磁比例閥多級調定壓力。

圖1 四級冷卻液壓力

方案三：變頻器控制冷卻泵的轉速，輸出多級壓力。

對以上3 種方案，通過查閱文獻資料，進行現場調查，對比分析優缺點（表1）。

綜合以上分析，方案一結構復雜，超出設備空間，方案二故障率高，維護成本增加，方案三壓力轉換慢，但可通過優化PID參數降低轉換時間，滿足轉換時間≤1 s 的要求。所以選擇方案三作為最終方案。

表1 整體方案對比

2 硬件的設計選型

使用變頻器控制冷卻泵，根據其功能，主要分為高壓泵、電機、變頻器3 部分。根據系統對冷卻液的技術要求，設計選擇最優組合。

2.1 高壓泵的選型

高壓泵需要滿足以下技術指標：

（1）流量需求：高壓泵的流量≥305 L/min。

（2）壓力需求：高壓泵輸出壓力≥2 MPa。

針對上述高壓泵的技術要求，根據Knoll-KTS 選型參考手冊，結合泵的性能曲線圖選擇最佳規格，最終選擇Knoll 品牌KTS 50-100-T 高壓泵。

2.2 電機的選型

電機需要滿足以下技術指標。

（1）調速范圍寬：電機的調速范圍需要涵蓋0.1～0.8 MPa 的壓力區間。

（2）大扭矩、小慣量：滿足兩級壓力切換時間要求≤1.0 s。

（3）高絕緣等級：電機連續低速運轉，尾部散熱風扇風量減少，散熱效率變差，絕緣等級應為F 級以上。

（4）合適的性能參數：形狀尺寸需滿足與高壓泵配合安裝，功率參數需滿足最大需求功率。

針對上述電機的技術要求，最終選擇西門子1LE 10013DA234FB4 電機。

2.3 變頻器的選型

變頻器需要滿足以下技術指標：

（1）低壓調速性能好：當壓力需求為0.1 MPa 時，電機的轉速很低，需要使用保證電機低速穩定運轉的變頻器。

（2）兼容總線通信：PLC 通過總線向變頻器發送指令，實現電機的啟停和轉速控制，變頻器通過總線向PLC 反饋狀態。結合PLC 現有的總線條件，變頻器應含有Profibus 通信接口。

（3）優異的加減速性能：因為兩級壓力切換時間≤1.0 s，要求變頻器具備優異的加減速性能，需要配備制動單元來輔助減速。

（4） 負載能力合適：額定輸出功率需高于西門子1LE 10013DA434FB4 電機的額定功率。

綜合以上要素，廣泛查詢選型資料后選定EMOTRON VFX48-03154CE—PAVNNNPAN 作為方案使用的變頻器。

3 變頻器控制方案

曲軸在磨削過程中，4 種冷卻液壓力依次轉換，系統將需求壓力實時傳遞到變頻器，通過變頻器控制高壓泵的壓力輸出。針對該傳遞控制過程，提出3 種方案。

方案一：繼電器開環控制：變頻器預設4 種壓力輸出，系統利用繼電器通斷信號控制變頻器選擇不同的壓力。

方案二：Profibus 總線開環控制：變頻器預設4 種壓力輸出，系統通過總線將需求的壓力傳遞給變頻器，實現對應壓力輸出。

方案三：Profibus 總線閉環控制：在高壓泵的輸出端安裝壓力表實現壓力監控，系統通過總線將需求的壓力傳遞給變頻器，變頻器以壓力表的讀數作為負反饋信號，使用PID 算法控制泵的轉速。

方案一與方案二原理簡單、容易實現，但是需要標定變頻器的4 種輸出壓力，隨著系統硬件磨損變異等原因，輸出壓力出現偏移，需要重新標定。方案三調試相對困難，但壓力輸出穩定，不需要標定。最終選擇方案三作為變頻器的控制方案（圖2）。

4 軟件系統設計

4.1 硬件配置

圖2 變頻器控制方案

圖3 配置變頻器

圖4 變頻器邏輯控制

表2 冷卻液壓力記錄

圖5 PID 參數設置

將電機及高壓泵安裝在冷卻液箱上方，通過管路連接將冷卻液輸送到機床加工倉內。管路末端安裝壓力表實時監控冷卻液壓力。為減少環境中濕氣及油霧對變頻器的影響，將變頻器安裝在電控柜中。變頻器通過Profibus 總線與系統PLC 連接，輸出端通過動力線與電機連接。為實現與系統需求壓力的通信，在系統中對變頻器進行配置，分配地址變量（圖3）。

4.2 邏輯控制

根據系統設計，變頻器需要實現以下功能：①控制電機的啟動停止；②根據系統要求的切削液壓力，輸出不同的信號控制電機轉速；③為了保護高壓泵防止過載，變頻器僅允許電機正轉，不可反轉；④為了保護高壓泵防止過載，不磨削加工時打開切削液的卸荷閥。根據如上功能要求，設計變頻器的邏輯控制程序（圖4）。

4.3 PID 優化

PID 控制，即比例積分微分控制，它是根據給定值和實際輸出值構成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。在該系統中，將4 種冷卻液壓力作為給定值，預設存入變頻器中。通過大量實驗，對P、I、D 三個參數分別進行整定，得到穩定快速準確的壓力響應輸出，PID 參數設置如圖5 所示。

5 效果驗證

為了驗證系統的實際效果，強制發出對4 種冷卻液壓力的需求，記錄壓力表的顯示數值見表2。從表2 中可以看出，系統可以有效區分4 種冷卻液壓力，壓力偏差最大0.035 MPa，滿足≤0.05 MPa 的技術要求。利用Ladder Ⅲ軟件監控冷卻液壓力的轉換時間，最大響應時間0.66 s，滿足≤1 s 的時間要求。系統投入使用后，連續跟蹤3 個月未出現任何失效，運行穩定可靠。

6 結束語

利用變頻器控制冷卻泵的轉速，可以實現多級冷卻液壓力的穩定準確輸出。相比于傳統的調壓閥調定壓力，該系統結構簡單，可靠性高，并且由于從冷卻泵端即已調定了壓力，無后端調壓閥造成的壓力損失，節約了能源。