基于变频调速技术电动轮汽车保养系统

2010-11-07时国平

池州学院学报 2010年3期

关键词：工控机恒压球阀

时国平

（池州学院物理与机电工程系，安徽池州 247000）

基于变频调速技术电动轮汽车保养系统

时国平

（池州学院物理与机电工程系，安徽池州 247000）

为了提高电动轮汽车的保养质量和管理效能，本文研制开发了一套基于变频调速技术的电动轮汽车保养系统，此系统解决了高黏度油料冬季冷凝加不出油的问题，并实现了准确、快速、稳定加油和油料的有效管理。

电动轮汽车;保养系统;恒压供油;变频技术

电动轮汽车是大型露天矿山的主要运输设备。随着采矿业的发展，电动轮汽车的应用数量在不断的增加，据统计，其年用油量已达到百万吨。显然，控制电动轮汽车的用油量、提高其保养质量将可以直接提高矿山的经济效益。鉴于此，研制一种针对矿山电动轮汽车高效的保养系统显得尤为重要。本文提出了一套全新的电动轮汽车保养方案；进而对此保养系统的工作原理和硬件的空间布局设计进行了详细的介绍；然后进行设计基于变频调速技术的保养系统，并验证此套系统具有准确、快速、稳定加油的性能；此套系统的成功使用，将会成为我国高黏度油料加注的成功范例。

1 电动轮汽车保养系统的总体设计

1.1 系统的组成

电动轮汽车日常保养中需要加注四种油液，分别是壳牌CF-2劲霸DD+40机油 (简称机油A)、壳牌CH-4超级劲霸15W-40(简称机油B)、100#无灰抗磨液压油(简称液压油C)和防冻液D。本系统采用集中供油方式，由于四种油料不能混合，故采用四个油罐储油，采用四个油泵供油，通过四套相同且相互独立的供油系统来完成电动轮汽车的保养。本文只针对其中一套系统进行设计和研究。

根据工作情况和现场环境的要求，电动轮汽车保养系统由油料供给系统和计算机控制管理系统两大部分组成，其中油料供给系统包括管路系统和变频恒压供油系统；计算机控制管理系统包括加油控制系统和数据管理系统。电动轮汽车保养系统的组成如图1所示。

图1 电动轮汽车保养系统组成图

1.2 系统的工作原理及实施方案

保养系统的工作原理为：通过人工倒油的方式向油池加注油液，启动辅助加油系统将油液泵入储油罐，当电动轮汽车需要保养时，操作人员通过操作平台使变频器、压力变送器及两个并联支管路中的电动球阀、腰轮式流量计以及独立的计量控制单元、终端等按照设置的程序控制液体的流动。计量控制单元、压力变送器、变频器组成闭环控制系统控制螺杆泵驱动电机的转速，从而调整输出油量的大小，来满足加油操作对流量的要求。输出的流量由计量控制单元进行计算和显示，从而使整个加油过程处于动态监控状态。静压液位显示仪显示储油罐存油的多少，当储油罐油量低于设定值时，开启辅助加油系统，向储油罐继续泵油。

从保养系统原理可以得出此套加油系统具有以下特点：能满足加注运动黏度较大的油液的使用要求，且计量准确；有显著的节能功能。油泵流量根据加油车道数通过变频调速而变化，避免了溢流功率损失；有节油功能。加油系统取消中间加油罐，形成封闭供油，减少漏油和环境对油的污染；通过变频器恒压供油避免产生油料多加或少加的要求。

根据加油系统工作原理和使用要求可知，系统主要组件包括变频器、螺杆泵与齿轮泵、输油管、电动执行机构与电动球阀、流量计、光电式电脉冲转换器与流量数字积算仪、油管转盘和加油枪、溢流阀等。在完成系统各设备的选型后，进行管道系统设备的集成。管道系统设备的集成包括储油间管道系统设备的集成和保养库管道系统设备的集成。

2 保养库变频调速恒压控制系统设计

变频调速恒压控制系统是由作为核心部件的交流变频器、压力变送器、PID调节器、变频电机、油泵和管路组成，变频调速恒压供油系统原理图如图2所示。

图2 变频调速恒压供油系统原理图

变频调速恒压供油系统的工作原理是：驱动螺杆泵的电机是鼠笼式三相异步电机，电机的转速与电源的频率成正比，改变电动机定子的转动频率则改变了电机的转速，实现油泵改变输出流量[1]。根据流量与油口面积及油口前后压差成比例关系[2]，按照反馈定理在加油油路上安装了压力变送器作为反馈元件，通过油压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统，保持油压稳定。工作时，首先通过工控机开启变频器，变频电机带动螺杆泵抽油，当在一个工位上工作时，流量计检测流量信号，并将信号传递给工控机，工控机控制对应的一个主油管上电动球阀开启，回油管上的电动球阀关闭，此时主油管上的电动球阀的开口面积为，对应加油量为，阀口压力为；两个工位工作时，对应的两个油路的两个电动球阀开启，油口面积为，瞬间油口压力为下降，经压力变送器检测与给定值比较，PID控制器改变定子的供电频率，从而改变电机的转速，油泵改变输出流量，对应加油量为，以此类推。当没有工位工作时，主油管道上的电动球阀关闭，回油管道上的电动球阀开启，油液回到油罐中。

3 变频调速恒压供油系统控制方案的确定

3.1 控制器的选择

选用工控机作为控制器控制变频器的启、停。选用工控机的原因为：工控机不仅是变频调速恒压供油系统的控制器，还是整个电动轮保养系统计算机控制管理系统的上位机，因此选用具有丰富的软件资源、硬件配置可以很高的，具有方便的通讯和扩展功能空间的工控机作为控制器。对于闭环系统的控制信号由PID调节器给定。

3.2 输入通道的设计

在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将生产现场测得的信息传给计算机。计算机经过计算、处理后，将结果以数字量的形式输出，并转换为适合于生产过程进行控制的量。一个生产过程中有两个基本量：一是随时间连续变化的物理量；一是反映生产过程的两态开关或某物理量的数字信号。前者为物理量，后者为数字量。外界的模拟量只有转换为数字量才能为计算机所接受。对于恒压供油系统来说，只有两路模拟量输入通道，即为油压的给定值和反馈值。对于油压的检测和变送可由压力变送器完成，压力变送器并把压力这一物理信号转换成4～20mADC的输出。

3.3 输出通道的设计

输出通道分为两大部分：模拟量输出通道，进行螺杆泵的转速控制；数字量输出通道，进行变频电机的起停控制。

（1）模拟量输出通道：将经处理后的数字量送往 PID 调节器，变换成 0～5V、4～20mA 信号，作为变频器的频率给定，来控制变频电机的转速。

（2）数字量输出通道：有许多执行机构需要开关量控制信号。CPU可通过I/O接口电路直接对执行机构进行控制，也可以通过半导体开关的动作或机电式继电器接点的开闭进行控制。本系统采用控制继电器，来达到控制变频电机的起停作用[3]。

3.4 变频器的起、停控制

变频器的起停控制有两种方式，一种是手动控制，即通过变频器面板上的按钮直接进行控制，一种是选用外部端子运转操作。本系统中的变频器设置在油料储存间，故采用工控机控制外部端子操作变频器的起停。

3.5 PID算法实现

PID调节器接收压力变送器传递的闭环控制信号，实现对变频器频率的给定，从而调节异步电动机的转速，实现变频调速。

PID控制器根据目标值(设定值)r(t)与反馈值(测量值)c(t)构成的控制偏差:

将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。其控制规律为:

式中：Kp——调节器的比例系数；Ti——调节器的积分时间；Td——调节器的微分时间；e(t)——调节器的偏差信号；δ——比例带，它是惯用增益的倒数；u(t)——输出。

3.6 带PID控制器的变频器的控制原理

带PID控制器的变频器的控制原理如图3所示。外部压力变换器检测到管道上油压值并转换为4～20mA的模拟信号反馈到变频器内的 IRF/VRF2端子,然后经过滤波器送至与预先设定值比较,比较的偏差值送入变频器内置的PID控制器中，PID控制器根据 P（比例）、I（积分）、D（微分）进行控制，从而使负载一侧异步电机转速跟随指令值变化而变化的一种控制功能。如果遇到反馈信号上叠加有噪音情况时，可调节反馈信号输入滤波器的时间常数，滤波器时间常数的设定范围为10－5000m。使反馈信号经过滤波器后可得到质量更高的信号。本功能是一种用于u/f模式的控制功能,在闭环PID控制中，即使负载一侧发生变动时也能一直跟随指令值而始终保持稳定状态。

3.7 变频器的端子接线设计及其接地

变频器的端子有主电路端子、控制电路端子和通信回路端子三种接线端子。主电路端子接线中，变频器电源输入端子与电控柜电源端子之间连接MCCB（断路开关）进行电路保护。在MCCB和电源输入端子之间接上MC（电磁接触器），且使MC尽量靠近变频器，当变频器发生故障时，用MC切断变频器电源以防故障进一步扩大。U、V、W端子用于连接电机的电源输入端子，布线时应尽量缩短变频器和电机之间的距离，使其在10～20m之间，变频器和电机要可靠接地。控制电路端子接线中，控制电路端子分为输入端子和输出端子，模拟输入线要使用屏蔽电缆，连接频率表时要使用双绞线。

变频器接地，变频器接地的主要目的是防止漏电及外界干扰的侵入或对外辐射。回路必须按电气设备技术标准和规定进行可靠接地，采用独立的、实用牢固的接地桩，保证本系统的接地桩与其他大型电气设备的接地桩分隔开。在本项目中，采用保养库房立柱作为统一的接线桩进行对地连接。对于单元型变频器接地电线，可直接与变频器的接地端子连接，当变频器安装在配电柜内时，则与配电柜的接地端子或接地母线连接。不管哪一种情况，都不能经过其他装置的接地端子或接地母线，而必须直接与接地电极或接地母线连接。根据电气设备技术标准，接地电线必须用直径1.6mm以上的软铜线。

变频器是工业控制过程中至关重要的设备，变频器的安全可靠运行是保证企业正常生产的基础。根据本项目变频器使用中各种不同的电气干扰及其特点，采取相应的有针对性的抑制对策，就可有效防止这些干扰引起的外围设备和变频器的误动作，保证设备正常运行。

4 变频调速恒压供油系统控制模型的建立

变频调速供油控制系统框图如图4所示。

图4 变频调速供油控制系统控制框图

4.1 变频调速恒压供油系统数学模型的建立

在变频恒压供油系统中，供油压力的调整是通过对变频器输出频率的控制来实现的。确定供油压力和输出频率的关系是设计控制环节控制策略的基础，是确定控制算法的依据。

根据异步电动机工作原理，推倒出恒磁通条件下异步电动机变频调速状态的数学模型。

液压泵是将机械能转化为液体压力能的装置。螺杆泵是液压泵中的一种，它是根据工作腔的容积变化而进行吸油和排油的，属于容积式液压泵；而且每一周期中吸入和排出的液体是恒定，是一种定量型泵。

4.2 变频调速控制系统仿真模型的建立

本系统属于恒值控制系统，采用单位阶跃信号输入，应用MATLAB/Simulink建立仿真模型如图5所示。

系统的准确性就是要求被控量和设定值之间的误差达到所要求的精度范围。准确性反应了系统的稳态精度，通常控制系统的稳态精度可以用稳态精度误差来表示，误差越小，控制精度或准确性就越高，该系统具有良好的控制精度。

5 结论

本文进行了电动轮汽车油料补给的全过程的自动控制与加油数据统计管理的控制系统设计，首先确定了该系统的控制方案，其次研究了PID算法的实现，再次设计了变频器的端子接线及接地，最后进行了变频调速系统的建模与仿真。此套系统具有准确、快速、稳定加油的性能，此套系统如能成功使用，将会成为我国高黏度油料加注的成功范例。

[1]刘会军，吴开兴.工控机在自助式加油控制系统中的应用[J].工矿自动化，2002(5)：20—22.

[2]可显著节约燃料的自动加油系统[J].国外内燃机车，1994，(7)：47—48.

[3]李壮云.液压元件与系统[M].北京：机械工业出版社，2005.

[4]高志宏.过程控制与自动化仪表[M].杭州：浙江大学出版社，2006.8:206—211.

[5]陈夕松,汪木兰.过程控制系统[M].北京：科学出版社，2005.

[责任编辑：桂传友]