冯金冰

摘要：在切削加工自动生产线中，切削液流量充足、压力恒定对保证加工质量至关重要。采用性能优异的三菱变频器为主要控制元件，利用变频器内置的PID运算功能控制电动机启停，可以达到控制系统管网内流量变化和压力恒定的目的。该系统具有普适性，可以为其他类似应用提供借鉴。

关键词：变频器；恒压；切削液；PLC；应用

中图分类号：TS208 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2019）02-0044-03

在大规模金属切削加工生产流水线中， 若把切削液集中起来再以恒压供应每台机床使用， 不但可以节省机床切削液储存箱，还能通过循环流动避免其过早变质，进而节约空间和成本。依据切削液用量变化和自动调节系统运行参数， 确保切削液用量发生变化时管道压力保持恒定，实现切削液可靠使用，是切削加工生产工艺的研究方向之一。针对企业切削液使用要求，设计一种利用变频器作为主要控制元件的切削液恒压供给系统， 并在生产中得到了实际应用。

1 切削液恒压供给系统的特点

当生产任务多、机床使用频繁时，需要切削液压力较大、流量充足，反之应维持一定的管压。切削液供給系统的控制对象是切削液流量，即通过改变切削液流量来调节压力，从而实现切削液的恒定供给。特点如下：

1） 节约生产成本。通常情况下，每台机床都需要备冷却泵和冷却箱。如果把切削液集中起来使用，不仅可以省却这些配套，而且能够延长切削液的使用寿命并提高切削液的冷却效果。从长远看，采用切削液恒压供给系统可为企业节约大量生产成本。

同时，使用变频方式还可以明显节约电能。

由流体力学可知，P=Q×H，其中，P为功率，Q为流量，H为压力。流量Q与转速N的一次方、压力H与转速N的平方、功率P与转速N的立方均成正比例关系。若水泵效率固定，则流量Q下降时转速N随之成比例下降，而输出功率会按三次方关系大幅降低。当离心泵电机功率55 kW、转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16 kW/h，节约用电48.82%，则年耗电量为：8 760×28.16=246 681.60 （kWh）。若按0.55元/kWh计算，则年支出电费为：246 681.60×0.55≈135 674.88 （元）。每年大约节省电费129 315.12 元。

当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.88 kW/h，节约用电87.50%，则年耗电量为： 8 760×6.88=60 268.80 （kWh）。按0.55元/kWh计算，则年支出电费为：60 268.80×0.55≈33 147.84 （元）。每年大约节省电费231 842.16 元。

可见，使用变频器可节约大量用电成本，其启动平稳的特性对水泵电机起保护作用，有助于改善生产工艺、提高作业效率、节约生产成本。

2） 运行安全稳定。切削液恒压供给能够满足任何工况下的机床使用要求，利于排屑，减少因刀具磨损造成的安全事故，进而保障企业生产安全。

3 切削液恒压供给系统的构成

3.1 工作原理

切削液恒压控制系统主要由压力传感器、冷却水井、抽水泵、补水泵、循环泵、变频器组成，其工作原理是：通过给定参数作为变频器PID控制器的输入参数，压力传感器检测网管压力作为反馈参数，变频器PID控制器通过给定参数和反馈参数的比较作为PID控制的最终输入参数，变频器运算后输出频率控制水泵运行。当网管压力发生变化时，变频器改变频率，进而改变水泵转速，控制网管压力始终恒定于某固定范围。变频器恒压控制原理见图1。

在切削液恒压供给系统中，变频器、压力传感器及水泵之间构成闭环控制回路。变频器接收压力传感器电压信号（反馈值）与水泵出口压力（设定值）相比较，比较结果作为变频器的输入信号，进而控制变频器输出，使其压力恒定。当水泵出口压力低于传感器压力值时，变频器在低频状态下运行；当水泵压力高于传感器压力值时，变频器自动切换频率，执行PID控制。

通过设置变频器参数，可使变频器以递减转矩负载特性来运行，其运行特点是变频器输出电压与电流将随负载变化而变化，进而实现自动调节功能。同时，可避免水泵电机长时间运行在大电流状态，延长水泵使用寿命，节约作业成本。

3.2 系统构成

切削液恒压供给系统由冷却水井、抽水泵、变频器、压力变送器、补水泵、循环泵、蓄水池、循环泵、阀门、分水器组成。工作时，首先用抽水泵从冷却水井中抽水至蓄水池，再用循环泵从蓄水池中抽水到分水器，进而送达各机床。切削液使用后通过管道回流至冷却水井，经过滤沉淀后，由抽水泵抽出并送到蓄水池中。当压力传感器检测出循环泵送出压力较小时，补水泵启动，送水压力和流量增大。当压力传感器检测出循环泵送出压力较大时，补水泵停止。当蓄水池水位较低时，抽水泵自动启动工作。图2为切削液恒压供给系统简图。

3.3 电气原理图

切削液恒压供给系统电气控制部分主要由变频器、水泵电机、传感器、按钮、指示灯等组成，见图3。断路器QF1起漏电保护、过载保护等作用。变频器采用三菱变频器，压力传感器接入变频器模拟信号输入端子，A、C端子为故障输出继电器端子。工作时合上断路器QF1，变频器输入电源接通；按下启动按钮，变频器开始输出频率，电机开始转动；变频器压力传感器输入信号与设定参数相比较，自动调整输出频率，控制电机转速，进而实现切削液压力恒定。

4 结论

以变频器作为切削液恒压供给系统核心元件，利用变频器PID运算功能进行自动控制，既可避免使用PLC控制，也利于节约作业成本和提高生产效率。此外，变频器无需编程，操作简单，节约电能，在实际使用中可保证供水压力稳定，具有推广应用价值。

参考文献

[1] 康梅，朱莉.变频器使用指南[M].北京：化学工业出版社，2008.

[2] 蒋卫良，杨生华，芮丰.高压变频器在煤矿带式输送机上的应用[J].煤炭工程，2018（11）：69.

[3] 李白先，黄哲.变频器使用技术与维修精要[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[4] 屈细红.变频器内置PID功能在造纸厂消防系统中的应用[J].中国造纸，2018（2）：46-47.

[5] 朱强.自来水恒压供水系统中变频器的应用[J].科技与创新.2015（10）：155.

[6] 姜平.变频器工频切换电路改造实例[J].电世界，2017，58（8）：50.

[7] 刘鑫，李鹏飞.下位机PLC和上位机组态软件在恒压供水系统中的应用[J].电气传动自动化，2016（4）：29-34.