摘    要： 就陶瓷洗涤设备的技术改造的问题进行分析, 根据产品的洗涤工艺特点, 采用PLC可编程序控制器作为控制系统的中心, 用触摸屏实现指令的发出、参数的设置及监控功能, 利用变频启动和变频停止等技术使陶瓷的破损率降低为4%以下, 减少设备维护维修费用, 方便操作, 从而以较低的投入得到较理想的改造效果。

关键词： 陶瓷; 洗涤; 变频器; PLC; 触摸屏;

0、前言

传统的洗涤设备由三相异步电动机带动, Y/△起动自由停车的有触点式继电控制系统, 其洗涤工艺与洗衣机洗涤衣服相类似, 不同的是, 由于电工陶瓷是易碎品, 不适宜如洗衣服一样频繁双向洗涤, 故只有单向旋转, 但是Y/△起动和停止时均有较大转距突变, 故陶瓷的破碎率高达40%。为此决定采用变频起停, 目的是将陶瓷受到的转距冲击降至不破损的程度。为了方便操作和方便维护、监控, 决定采用PLC作为控制系统的核心, 采用触摸屏实现指令的发出、参数的设置及监控功能。

1 改造思路

(1) 为了系统的灵活性和适用性的要求, 采用PLC程控取代原有的继电控制电路。洗涤时间长短从数据寄存器中读取, 该数值可由触摸屏修改, 以适用不同产品的工艺要求。

(2) 为最大可能地降低陶瓷的破碎率, 采用变频器变频起动取代Y/D控制。为了减小停机时的转矩冲击, 以变频停止取代原有的自由停车起动, 变频器的频率由5Hz开始间隔上升, 停机时反序, 可使转速变化趋于相对平稳, 尽量降低转矩冲击。

(3) 为了方便观察设备运行情况采用触摸屏实现监控, 监控对象为运行频率、洗涤时间及电机过载报警。

2 分步设计

2.1、变频器设置

(1) 型号选择

鉴于洗涤电机功率为7.5KW, 选择频率器容量为7.5KVA。为了适用性选三菱公司变频器, 型号为FR-E740系列。

(2) 段数选择

为了尽可能降低转矩冲击和缩短起动时间的矛盾, 采用15段速。对应频率分别为:5Hz, 8Hz, 11Hz, 14Hz, 17Hz, 20Hz, 23Hz, 26Hz, 29Hz, 32Hz, 35Hz, 38Hz, 41Hz, 45Hz, 50Hz。

(3) 参数设置

为了兼顾降低转矩冲击和缩短起动时间的矛盾, 采用各级起动时间递减式设置。上述频率 (除50Hz长时运行外) 对应起动时间为:4s, 3.9s, 3.8s, 3.7s, 3.6s, 3.5s, 3.4s, 3.3s, 3.2s, 3.1s, 3.0s, 2.9s, 2.8s, 2.7s (参照电机的功率和电机起动时过渡过程时间的特点) 。

电子过流保护Pr.9中的电机容量设为1.8IN=1.8×7.5×2=27A, 变频器参数, 如表1、表2所示。

表1 基本参数

表2 运行参数

2.2、触摸屏画面设计

触摸屏画面设计, 如图1所示。通过触摸屏按钮控制电机起停、电机过载报警、洗涤机洗涤时间:M1电机正序启动、M2反序降频停机, M3电机过载报警控制按钮, D0洗涤机洗涤时间显示、D1陶瓷电工清洗时间显示。

图1 触摸屏画面

2.3、主电路图

要实现三相异步电机的变频调速, 必须有同时改变电压和频率的变频装置, 本文设计的变频器的主电路如图2所示, 采用直接变频器, 即交-交变频器, 电网交流电被直接变成可调频调压的交流电[2]。

2.4 PLC程序设计

(1) 工艺流程图

PLC设计工艺流程框图见图3。

(2) I/O分配表及分配图

根据设计改造思路, 可知:当负载过载时, 由PLC控制报警;洗涤机水位由PLC控制, 控制洗涤机的进水排水脱水;PLC控制变频器的变频驱动电机的转速、起停。由此可得PLC I/O口分配表 (见表3) , I/O分配图即PLC接线图 (见图4) 。根据控制要求, 有X0、X1、X2共3个输入点, Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y10、Y11、Y12共9个输出点。

图2 主电路——电机控制电路图

图3 PLC设计工艺流程框图

从分配图可知:X0输入热保护启动, Y5输出报警;X1输入, Y12输出排水;X2启动, Y11输出进水, Y0、Y1、Y2、Y3、Y4输出, RH、RM、RL、REX、STF可根据程序设计出不同段速。

表3 I/O分配表

(3) PLC程序分步设计

(1) 触摸屏画面报警程序, 如图5所示。

当输入X0接通, 即过载时, 辅助继电器M3接通;X0上升沿, 驱动线圈Y5报警, 定时器T0从0开始对10ms时钟脉冲进行累积计数, 当计数值与设定值K300相等时, 定时器接通, 报警时间为3s[2]。

(2) 变频起动设计, 如表4所示。

图4 接线图、

表4 接点与对应频率设计表

为了简化程序, 采用功能指令配合变址寄存器, 将PLC各输出状态编程控制字, 存于数据寄存器D, 即将控制字存于D200～D214连续15个单元中, 每种输出状态对应运行时间也按工艺要求编写, 存于数据寄存器, 将运行时间存于D220～D234连续15个单元中。为了防止数据丢失, 采用掉电保持型数据寄存器。控制字推理如表5所示。

图5 触摸屏画面程序

(3) 变频停机设计

由于电机及负载不变, 故惯性同启动时一致。制动只需反向取控制字即可。由于运行结束时“V”已复位, 故反向取控制字及运行时间时, V应定义为1。

(4) 清洗设计

变频停机后, 应立即打开排水阀Y12, 故K3Y0中只有Y12得电。当水排干后, X2动作, 则需将Y12断电, 同时注入清水漂洗, 水位到达X1动作。此时则需进水、排水、清洗同时进行。清洗时间到, 停止注水, 待水排干后, 进入脱水流程。由于清洗时输出状态发生变化, 故对应控制字应修改, 修改后的控制字存于D240开始的连续单元中。修改如表6所示。

表5 控制字推理表

表6 控制字修改状态

从表中可以看出, 对控制字的影响只有Y12、Y11前面两位, 故将控制字首位“1”改为“7”即可。则D240～D254单元控制字为H711～H71F, 运行时间由原来洗涤15分钟 (K9000) 改为5分钟 (K3000) , 将修改后的时间序列存于D260～D274连续15个单元中。

(5) Ⅴ脱水设计

进入脱水状态, 就不能再进水, 但排水继续。运行到水位到达下限时, 进入停机状态, 同样采用变频停机, 排水阀一直开启到最后。所以排水控制字Y12、Y11、Y10的组合为101, 脱水控制字序列最高位 (16进制) 有“7”改为“5”, 将修改后的控制字存于D280～D294中, 分别为H511～H5F, 脱水时间定为2分钟 (K1200) , 对应时间序列存于D300～D314中。

3 总体设计

为防止水位开关X1、X2在不同工作状态时动作, 造成相互干扰, 决定采用顺控执行方式, 将上述各工作状态归入各自状态元件之下, 即可避免此种隐患的产生。经运行, 电脑传输数据, 数据寄存器数据显示如表7所示。

4 改造结果及结论

总体程序设计完成, 经上机调试, 逻辑满足后投入改造。改造后的故障率不但大大降低, 关键是陶瓷的破损率从40%下降到4%以下, 达到了非常满意的效果。将电工新技术转化为生产力, 不但达到了很好的经济效益, 也收到了良好的社会效益。

表7 数据寄存器 (有电脑传输) 数据一览表

参考文献：

[1]岳庆来.变频器、可编程控制器及触摸屏综合应用技术[M], 北京:机械工业出版社, 2006.
[2] 梁耀光、余文烋.工业控制新技术教程[M], 广东:华南理工大学出版社, 2014, 114-115.
[3]陈立定、吴玉香、苏开才.电气控制与可编程控制器[M], 广州:华南理工大学出版, 2001.
[4]徐德.可编程控制器 (PLC) 应用技术[M], 济南:山东科技出版社, 2001.