基于位置控制的多隔膜泵同步合流控制系統(tǒng)設計

李志剛

(攀鋼集團礦業(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鍵設備之一，近年來，隨著生產規(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)的泵由變頻器驅動無法精準調節(jié)各個泵之間的相位差，采用跟蹤編碼器角度的PID調節(jié)，通過調節(jié)速度來實現并穩(wěn)定各泵的角度差非常困難，大慣量泵的運行剛性和響應很難及時響應PID調節(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；采用伺服驅動器做泵的位置控制更合適，但每臺泵設計獨立的控制器時，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?，是隔膜泵或泥漿泵設備難以承受的[4-7]。

1 控制系統(tǒng)的設計要求

系統(tǒng)設計為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，電機參數為：額定電壓690 V，額定功率710 kW。系統(tǒng)根據各泵的運行速度和最佳相角進行協調，達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，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網絡連接，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，開關信號輸出到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)設計由 PLC、變頻器、編碼器等構成閉環(huán)調速電氣控制系統(tǒng)。通過隔膜泵驅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，并與設定的相位差對比，通過控制變頻器微調電機轉速來實現相位差的控制。

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連接實現；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，負責和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定相位偏差角度設定值，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，如果大于設定偏差，MAM 的運動距離為負，如果小于設定，MAM 的運動距離為正。經過這個補償的MAM運動后，電子齒輪的位置關系依然保持，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置為0°，第2個泵和虛擬主泵偏差角度設定為120°，第3個泵和虛擬主泵偏差角度設置為240°，達到多泵相位同步合流的目的。

（4）遠程同步：DCS系統(tǒng)通過通訊設置偏差角度，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：為了設備使用更為靈活，在DCS系統(tǒng)故障的情況下也能達到多泵同步的效果，設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、接線復雜等缺點。

（2）通過 PID調節(jié)速度來調相位差的控制方式、精度差，并且處于長期調整狀態(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°，且達到設定相位差后會一直穩(wěn)定。

（4）運動中改變相位偏差設定時，設備速度改變平滑；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）驅動器參數存放在控制器中，更換硬件時免維護，Ethernet/IP實時工業(yè)以太網高效方便地連接各種控制設備,標簽化編程使用戶數據所見及所得，方便項目開發(fā)及維護。

（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 結論

該多隔膜泵同步合流控制技術成功應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)，能夠自動根據各泵的運行速度與最佳相角進行協調，從而達到隔膜泵組穩(wěn)定同步運行的目的。