基于位置控制的多隔膜泵同步合流控制系統(tǒng)設(shè)計

李志剛

(攀鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司， 四川 攀枝花市 617000)

0 引言

隔膜泵是長距離管道輸送的關(guān)鍵設(shè)備之一，近年來，隨著生產(chǎn)規(guī)模的大型化，許多料漿輸送都存在利用多臺隔膜泵向同一條管道輸送料漿的工況，如果不采取措施，多臺隔膜泵同時運行時會產(chǎn)生流量峰值疊加的問題，從而引起管道振動，影響隔膜泵及整個管路的正常運行，容易釀成事故[1-3]。

為了解決多隔膜泵合流時較大的壓力和流量波動問題，就必須保證隔膜泵無論在什么樣的速度下，各泵之間的相位差保持恒定。傳統(tǒng)的泵由變頻器驅(qū)動無法精準(zhǔn)調(diào)節(jié)各個泵之間的相位差，采用跟蹤編碼器角度的PID調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)速度來實現(xiàn)并穩(wěn)定各泵的角度差非常困難，大慣量泵的運行剛性和響應(yīng)很難及時響應(yīng)PID調(diào)節(jié)的速度疊加，同時更無法在加減速的過程中保持各個泵之間的相位恒定；采用伺服驅(qū)動器做泵的位置控制更合適，但每臺泵設(shè)計獨立的控制器時，保持速度同步的同時也很難做到加減速中的相位差恒定，且?guī)装偾叩乃欧杀咎撸歉裟け没蚰酀{泵設(shè)備難以承受的[4-7]。

1 控制系統(tǒng)的設(shè)計要求

系統(tǒng)設(shè)計為3臺三缸液壓隔膜泵同步運行，隔膜泵的額定沖次為 48次/min，選擇電機為變頻電機，電機參數(shù)為：額定電壓690 V，額定功率710 kW。系統(tǒng)根據(jù)各泵的運行速度和最佳相角進(jìn)行協(xié)調(diào)，達(dá)到隔膜泵組的同步控制。

2 多泵同步運行方案分析

為了消除多泵運行可能造成的泵出口壓力波動，要求在運行過程中保持3臺泵轉(zhuǎn)速相同，并保持3臺泵之間位置恒定。PowerFlex 755變頻器方案同步控制器集成在變頻器內(nèi)，每套系統(tǒng)由3臺獨立的中壓變頻器和一套同步控制器構(gòu)成。同步控制器由 Controllogix 控制器和位置控制模塊 1756-M02AE組成。同步控制器和變頻器之間利用Controlnet網(wǎng)絡(luò)連接，變頻器實際啟動停止、速度指令等信號由同步控制器通過 controlnet發(fā)送給變頻器。同時每臺泵變頻器配置泵控制盤1臺，發(fā)送變頻器使能信號到變頻器，發(fā)送啟動停止、速度給定信號到同步控制器。泵控制盤接受變頻器速度、準(zhǔn)備、運行、報警、故障等狀態(tài)信號，同時接受同步控制器反饋信號，信號包括同步控制器準(zhǔn)備、相位報警、編碼器故障、零位故障等。3臺泵同步運行方案見圖1。

電機軸上安裝雙通道編碼器，一路信號輸出到變頻器，作為速度反饋，一路信號輸出到同步控制器，作為位置反饋。同時，泵曲軸上安裝1個開關(guān)，開關(guān)信號輸出到1756-M02AE模塊，作為模塊零位信號。

該方案變頻器實際工作在速度模式，通過伺服控制1756-M02AE模塊，實現(xiàn)各臺泵速度和位置的同步。

3 多泵同步運行解決方案

隔膜泵同步合流控制系統(tǒng)設(shè)計由 PLC、變頻器、編碼器等構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速電氣控制系統(tǒng)。通過隔膜泵驅(qū)動電機軸上的雙通道編碼器來檢測電機的相位，采集泵的運行位置和速度。通過PLC測算出各隔膜泵之間的相位差，并與設(shè)定的相位差對比，通過控制變頻器微調(diào)電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)相位差的控制。

圖1 3臺泵同步控制方案

（1）單泵控制器采用1756控制器，通過以太網(wǎng)模塊連接800 kW的PF755變頻器，電機編碼器采用P+F增量式編碼器，接入PF755編碼器卡中；本地觸摸屏，控制器，變頻器與控制器以及 DCS的通訊都通過以太網(wǎng)連接實現(xiàn)；通過本地觸摸屏控制泵在就地模式時的速度和啟停；

（2）主PLC作為多泵控制的主控制器，負(fù)責(zé)和3臺泵以及DCS系統(tǒng)通訊，通過接收DCS系統(tǒng)發(fā)送的設(shè)定速度，相位差值和啟停指令，控制主CPU中虛擬主泵的運行和速度調(diào)節(jié)；同時將3臺泵的運行狀態(tài)反饋給DCS系統(tǒng)。

（3）每臺PF755工作在CIP motion模式下，實現(xiàn)對泵精確的速度和位置控制，通過通訊接收主CPU中虛軸主泵的位置和速度值，在本地CPU中通過算法生成一個編碼器軸，以此為主軸和泵保持電子齒輪關(guān)系，以保持與虛擬主泵的速度同步；如果本泵減去虛擬泵的位置值不等于設(shè)定相位偏差角度設(shè)定值，本泵在保持和虛擬主泵電子齒輪同步運動的同時，再疊加一個低速的MAM相對位置運動指令，如果大于設(shè)定偏差，MAM 的運動距離為負(fù)，如果小于設(shè)定，MAM 的運動距離為正。經(jīng)過這個補償?shù)腗AM運動后，電子齒輪的位置關(guān)系依然保持，泵與虛擬主泵位置相差的角度就不會再變化；第1個泵和虛擬主泵偏差角度設(shè)置為0°，第2個泵和虛擬主泵偏差角度設(shè)定為120°，第3個泵和虛擬主泵偏差角度設(shè)置為240°，達(dá)到多泵相位同步合流的目的。

（4）遠(yuǎn)程同步：DCS系統(tǒng)通過通訊設(shè)置偏差角度，選擇1, 2, 3號泵啟動，控制主CPU中的虛擬主泵運行；

（5）本地同步：為了設(shè)備使用更為靈活，在DCS系統(tǒng)故障的情況下也能達(dá)到多泵同步的效果，設(shè)計了本地同步控制模式，在泵就地觸摸屏上選擇“就地同步”按鈕，設(shè)定就地同步時的速度和相位偏差，就地 PLC通過通訊將此請求發(fā)送給主控PLC，使主控PLC中的虛擬主泵按照屏上設(shè)定速度啟動。此后任何一臺工作在本地同步模式下的泵便會隨虛擬主泵運行，并保持相位偏差角度。

4 系統(tǒng)優(yōu)點

（1）省去原有方案中編碼器分支器，主控制器模擬量模塊，避免了成本高、接線復(fù)雜等缺點。

（2）通過 PID調(diào)節(jié)速度來調(diào)相位差的控制方式、精度差，并且處于長期調(diào)整狀態(tài)中，不同流量時相位偏差大，而基于位置控制方式的同步控制能滿足各種工況下的穩(wěn)定持續(xù)同步。

（3）CIP Motion控制方式精度小于1°，且達(dá)到設(shè)定相位差后會一直穩(wěn)定。

（4）運動中改變相位偏差設(shè)定時，設(shè)備速度改變平滑；加速過程中，各個泵之間的相位偏差仍然不會發(fā)生改變。

（5）驅(qū)動器參數(shù)存放在控制器中，更換硬件時免維護(hù)，Ethernet/IP實時工業(yè)以太網(wǎng)高效方便地連接各種控制設(shè)備,標(biāo)簽化編程使用戶數(shù)據(jù)所見及所得，方便項目開發(fā)及維護(hù)。

（6）采用伺服系統(tǒng)中特有的虛軸策略，靈活處理各泵之間的相位差設(shè)置，無論多少臺泵合流同步，只需要改變相位角度即可，恒速和加減速過程中均保持相位同步，甚至停機減速過程中的相位都能保持同步。

5 結(jié)論

該多隔膜泵同步合流控制技術(shù)成功應(yīng)用于攀枝花市密地選礦廠精礦管道輸送系統(tǒng)，隔膜泵組運行穩(wěn)定，3臺泵各泵頭位置相位偏差小于1°，即便是在加減速過程中，主管壁壓力波動也非常小，速度流量調(diào)節(jié)平穩(wěn)。實踐表明：基于位置控制的多隔膜泵同步合流控制系統(tǒng)，能夠自動根據(jù)各泵的運行速度與最佳相角進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而達(dá)到隔膜泵組穩(wěn)定同步運行的目的。