基于西门子PLC的变频调速离心机控制系统的设计

林录云

海申机电总厂（象山）（浙江宁波 315718）

随着我国国民经济的发展，工业废水、生活污水的排放量日益增加。为了保护生态环境、保护人民的身体健康、提高水环境质量，污水必须经过净化处理并达标后才能排放。近年来，我国的污水处理量和处理规模迅速增长。

一个标准的污水处理系统，其工艺需要很多机械设备，主要包括格珊、刮泥机、搅拌机、输送机、离心脱水机等。本研究主要介绍了离心脱水机和利用变频器对电机进行调速的工作原理。利用西门子可编程逻辑控制器（PLC）进行变频调速控制，更好地控制离心机工作，提高自动化程度，提高分离效率。

1 离心脱水机的基本工作原理

离心脱水机（全称卧式螺旋卸料沉降离心机，简称离心机）将高速旋转产生的离心加速度转化为重力加速度，使固体颗粒的沉降时间较在重力场作用下缩短至数千分之一，快速沉积的固体颗粒通过螺旋输送器排出转鼓，从而实现不间断连续运行。

物料经进料管被输送到螺旋出料口，高速旋转的螺旋出料口将物料均匀地分布于转鼓内；主电机通过皮带传动使转鼓高速旋转产生数千倍的重力加速度，固体颗粒快速沉降并堆积于转鼓内壁，与转鼓相对运动的螺旋输送器连续将沉渣向沉渣排出口输送；沉渣在螺旋输送器的挤压和转鼓脱水段共同作用下，最大程度地除去固体颗粒的水分，分离后的清液在重力作用下通过堰板排出或由设备自带的向心泵带压排出。通过控制差速器输入轴的速度（背驱动装置包括恒扭矩变频电机、耦合器、液压马达等），可对螺旋输送器与转鼓间的速度差（即差转速）进行调整，控制排渣速度和分离性能。

2 变频器电机调速的基本工作原理

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。变频器靠内部绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供电源电压，进而达到节能、调速的目的。另外，变频器还具有过流、过压、过载保护等功能。

简单来说，变频器就是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。

3 设计控制要求

3.1 控制对象

此次设计控制的离心机，其背驱动装置采用电机驱动，电气控制部分有两台电机需要控制。根据离心机的工作原理，离心机在运行时并不需要电机工频运行，而是根据所分离物料的性质对电机进行调速运行，因此采用变频器对电机进行调速。由于离心机在工作结束后需要清水清洗其内部，因此控制对象还需增加一个冲洗电磁阀（简称冲洗阀）。具体如图1所示。

图1 离心机控制系统控制对象简图

3.2 控制要求

用户要求控制设备一键启动、一键停止，即：当系统收到启动信号时，离心机能够自动启动运行到达工作转速；当收到停止信号时，离心机能够自动从工作转速降到冲洗转速，并自动开启冲洗电磁阀使用清水冲洗离心机，冲洗结束后自动关闭冲洗电磁阀和离心机。同时，要求变频器故障或收到急停信号时，变频器能够停止工作。

3.3 设计分析

3.3.1 选用双电机双变频控制技术

离心机主、副电机均选用变频器控制调速，由于其副电机在差速作用下始终处于发电机状态，需要采用变频器共直流母线技术。副变频能很好地将副电机产生的电能通过转化供主电机使用，从而避免了副变频器母线电压过高报警，且达到节能降耗的目的。[1]离心机主副变频器连接情况如图2所示。

图2 离心机主、副变频器共直流母线连接示意

3.3.2 主要元器件选用

实现对电机进行调速的变频器选用阿西布朗勃法瑞（ABB）公司生产的变频器。该变频器主要用于控制和调节三相交流异步电机的速度，具有稳定的性能、丰富的组合功能、高性能的矢量控制技术、低速高转矩输出、良好的动态特性及超强的过载能力，在变频器市场占据着重要地位。此外，该系列变频器具有共直流母线端子排，可满足采用共直流母线技术的设计需要。

负责实现自动控制流程的PLC选用德国西门子公司生产的S7-200。S7-200与配备的编程软件STEP7 Micro/WIM4.0，S7-200 CPU将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳中，从而形成了一个功能强大的小型PLC。SIMATIC S7-200 Micro自成一体，具有操作简便的硬件和软件，且在国内应用广泛，资料查询很方便。[2]

3.4 PLC控制点

根据控制需求，进行PLC控制点统计，具体如表1（DI为数字量输入，DO为数字量输出）所示。

表1 离心机控制点统计

其中输入点需要7DI，输出点需要6DO，考虑需要预留部分控制点以便后期有新增的控制要求，选用一块S7-200 224模块（型号为6ES7 214-1BD23-0XB0），其有14DI和10DO，可满足设计需求。

4 具体设计

4.1 接线

配电及变频器接线情况如图3所示。

图3 配电及变频器接线图

PLC自动控制部分接线情况如图4所示。

图4 PLC接线图

4.2 设计接线说明

变频器的端子DI1在接收到继电器K1信号时主变频器启动，接收到继电器K2信号时副变频器启动，变频器频率则是端子DI3和DI4在接收到继电器K3和K4后进行选择切换。发生故障时，HD1报警器可以通过响亮的声音提示有故障。冲洗阀由PLC的Q1.0直接输出控制。

PLC不仅输出控制信号，还接收变频器的运行和故障反馈信号，用户的启动/停止按钮信号，以及现场的紧急停车按钮信号。

从设计接线图中看不出设备的运行控制及逻辑关系，因为这部分内容均被“封装”在PLC内部。

4.3 程序流程

使用梯形图编制离心机的运行流程图见图5。主要用到计时器和计数器即可以编制离心机的运行流程，从而快速控制离心机运行，做到一键启停，降低操作难度。

图5 离心机运行流程

5 结语

通过应用PLC与变频器的变频调速控制技术对离心机进行调速控制，不仅顺利达到了自控的目的，而且发现比传统保护控制线缆的控制更加灵活。因此，在离心机系统中采用PLC与变频器的控制技术值得推广应用。

虽然在本研究程序中只用到了简单的指令（如常开/常闭指令、输入/输出指令、计数器指令、计时器指令），程序的编制并不复杂，但是也能够满足此次对离心机的控制要求。在以后的项目设计中，还可以使用高级的编程，如使用PLC和变频器进行Modbus RTU通讯，这样能够采集到更多的设备运行数据。