臥螺離心機的程序控制及應用
來源：浙江正達環保設備有限公司 閱讀：13724 更新時間：2018-07-24 13:38摘要:臥螺離心機是一種常用的臥螺設備,對其的控制直接關系到產品最終的產量和質量。該文討論了采用PLC、變頻器及人機界面對臥螺離心機進行程序控制的控制方案。
作為國民生產中的重要設備,臥式螺旋卸料離心脫水機在化工、環保、國防等行業中占有很高的地位。臥式螺旋卸料離心脫水機工作時,其啟動控制、保護、自動監護、轉鼓轉速及其與螺旋輸送器之間的速差,都是離心機很重要的性能。目前多數離心機仍由繼電器控制,采用有級調速,離心機工作轉速調節單一、設備故障率較高。
本研究主要介紹了采用PLC控制和變頻器調速的臥式螺旋卸料離心脫水機。
臥螺離心機PLC控制系統一般采用二個變頻電機分別帶動轉鼓和螺旋推進器，變頻電機通過同步帶傳遞轉鼓和螺旋推進器所需的動力，這種變頻器必須具備多段速、可編程自動運行、通迅等功能，通過變頻電機的控制實現調節轉鼓與螺旋推進器的轉速差，速差越低，分離的效果越好。PLC控制系統主要包括：電機啟動裝置、保護報警裝置、軸承溫度報警、扭矩報警、轉速（溫度）顯示裝置、電流（電壓）顯示、差速調節控制裝置（包括顯示裝置），也可以選用觸摸屏顯示技術顯示相關技術參數，采用菜單操作，人機界面友好，操作簡單方便，同時實現上位機連接，與生產廠家進行數據通訊，實現生產現場監控，也可通過3G網進行遠程監控，并可對現場設備進行實時數據組態和運行狀態的修正。
1離心機工作原理
臥式螺旋卸料離心脫水機,如圖1所示。其工作原理是將待分離的物料經進料管送入高速旋轉的離心機轉鼓中,固體在離心力的作用下沉降到轉筒的內壁,而澄清的液體則通過后端的溢流口流出。!螺旋輸送器和轉鼓的相對速差則會對沉降在轉鼓內的固體產生一個推進的輸送力,在離心力的作用下從排渣口排出機外[3]。臥式螺旋卸料離心脫水機工藝過程分為:進料、離心、卸料和清洗。
臥螺離心機廣泛應用于石油、化工、冶金、醫藥、食品、輕工等部門,一般是工藝流程中的后處理設備或成品環節,對其的應用和控制直接關系到最終產品的產量和質量。離心機屬于起動慣量大、加減速頻繁、周期運行的設備。離心機的工藝流程通常都可分為進料、分離、出料、洗滌等幾個主要步驟。而根據生產工藝及物料的特性,要求能夠隨時更改離心機的進料、分離、洗滌等步驟的次數、時間以及其他各種時間參數。因此,離心機電氣控制系統應具備以下功能:控制機器程序動作,包括開機、關機、報警自停,故障診斷等;具備人機對話功能,能夠設置和顯示工藝參數,并根據工藝的要求在人機界面上,修改參數;系統中PLC、人機界面進行網絡通信,使系統操作、運行更為簡捷,可靠。
2離心機控制要求
本離心機系統的控制方式分為:手動步進、單循環、全自動等三種方式。手動步進,單循環是在調試、故障恢復或者其它試車情況下使用,正常生產時使用全自動循環方式。料液分次經進料管(閥)進入離心機轉鼓,在高速旋轉產生的離心力作用下,固相顆粒分離沉積在轉鼓內壁上,再由螺旋刮刀卸料,卸料后對轉鼓進行洗滌準備下一循環,從而實現了離心機對物料的連續分離過程。
整個流程情況及控制過程要求既能由現場操作臺控制,又能在總控制室中進行遠距離監控操作。
2.1硬件設計臥式螺旋卸料離心脫水機主要由轉鼓、螺旋輸送器、可調溢流堰板、驅動電機、控制系統等組成。
工作時,離心機轉鼓與螺旋輸送器同向高速旋轉,但螺旋輸送器的轉速與轉鼓轉速之間存在轉速差,其值為轉鼓轉速的02%～3%[4]。轉鼓轉速以及與螺旋推料器之間的差速,決定著物料的分離效果和產量等指標,是離心機很重要的可變參數。而對離心機轉速的控制實際上就是對電機轉速的控制[5]。螺旋輸送器控制有兩種控制方案可選:①開環方案。
在螺旋送料器變頻器的轉矩輸出端接電壓表,操作者根據電壓值的變化改變螺旋送料器的轉速。在這一方案中,可以通過PLC的數據設定單元改變螺旋送料器的轉速,或者將PLC的A/D板接電位器,通過改變電位器阻值,使螺旋送料器的轉速改變。②閉環方案。由PLC的A/D板采集螺旋輸送器變頻器的轉矩輸出端信號,根據測得的設定轉矩值與當前轉矩值的差值,通過控制算法對螺旋送料器的轉速進行調節。在此系統中采用閉環方案,手動調節和自動運行之間實行無擾動切換,保證了系統的穩定性。
系統采用光洋公司DL06系列可編程序控制器控制,可對加料、過濾、卸料、軸承溫度、轉鼓和螺旋輸送器的電壓進行全程監護。離心脫水機采用PLC+FO-4AD2DA-2型A/D模塊、變頻器進行調速,通過電壓來控制變頻器的頻率,變頻器采用SAMCO公司的SPF系列變頻器,功率為7.5kW。
PLC外部硬件配置圖,如圖2所示。由開關量輸入單元與指令元件、檢測元件連接,實現操作者對離心機的運動控制和對離心機狀態的檢測;將開關量輸出單元和開關量控制的執行件(電磁閥、接觸器、繼電器)連接,實現所要求的控制動作。螺旋輸送器變頻器的外部接線,如圖3所示。
2.2軟件設計
控制系統的主控流程圖,如圖4所示。采用KOYO公司特有的級式編程方法進行編程,可以按照功能模塊分別設計。主要包括初始化設定,進料、分離、清洗控制程序,自動控制程序等。
當系統完成自動啟動過程后,如果選擇“自動運行”,則轉鼓和螺旋輸送器的轉速會在當前速度控制電壓的控制下保持不變,從而完成污泥的脫水分離卸料工作。如果選擇“手動運行”,則讀出輸送器/轉鼓的速度控制電壓和輸送器/轉鼓的速度調節旋鈕電壓信號。對出料器/滾筒速度調節旋鈕電壓采樣兩次,分別比較兩次讀出的出料器和滾筒手動調節信號,計算滾筒速度控制電壓及出料器控制電壓,得到離心機/滾筒控制電壓的輸出,從而完成污泥的脫水分離卸料工作。
程序設計中采用的安全保護有:轉速檢測、電機過載過熱保護、轉鼓/輸送器過載、故障保護、系統故障保護等。
3監控系統硬件配置
本離心機控制系統根據工藝和設備管理要求,由就地控制室(現場操作臺和控制柜)及總控室上位機兩部分組成。就地控制室在離心機現場,其中現場操作屏安裝有所用的操作按鈕、指示燈、蜂鳴器、轉速顯示和主電機電流顯示儀表等元件設備;控制柜內裝有可編程控制器(PLC)、交流變頻器、程控穩流穩壓電源、直流電源、繼電器、信號隔離轉換器等。總控制室上位機與就地控制室間由通訊電纜聯接。
根據設計要求,綜合設備的先進性,可靠性和成本因素,硬件采用如下配置:
(1)PLC采用西門子公司S7-300系列產品。
中央處理單元為CPU315-2DP,帶有DP口和MPI接口;底板上配有數字量的輸入、輸出模塊,用來采集柜內和現場的各類開關量信號;底板上同時也配有處理模擬量信號的模數和數模轉換模塊,裝在現場的各類變速器采集模擬信號如氮氣壓力、離心機振動幅度、離心機轉速測量反饋,前后軸溫度等信號輸入模數模塊,經過換算,在人機界面上實時顯示。數模模塊用于根據生產要求,實時修改離心機的運行速度。
(2)監控系統選用一臺研華工控機作為操作界面,監控軟件為WINCC6.0。
WinCC(WindowsControlCenter,窗口控制中心)是西門子公司(SIMENS)實現PLC與上位機之間的通訊及上位機監控畫面的制作的組態軟件,可與SIMATIC產品實現無縫連接,界面友好,功能強大,結合Windows圖形設計程序,能很方便地生成人機界面,實現控制界面設計、硬件組態、變量管理、標簽歸擋、報警歸擋、打印歸擋與用戶管理等功能,并可使監控畫面根據現場實際情況動態顯示,建立完整的過程監控解決方案。
本系統采用的PLC是S7-300系列,通信模板是CP5611MPl,上位機與PLC用MPI電纜連接,采用MPI協議,上位工控機與下位PLC成功實現通信,用戶可以通過WINCC操作和監控界面進行設備的啟動、停止,故障查詢,歸檔數據的查詢,各類工藝參數的修改等。
利用winCC作為監控軟件,不但可以簡化上位機與PLC的通訊,方便地讀取來自于PLC的數據及向PLC傳送數據,而且很容易配置形象、逼真的監控畫面,也利于保證程序運行的安全性。
4監控系統軟件編制
(1)根據使用廠家的要求,離心機的控制方式分為:手動(步進)、單循環、全自動循環。手動,單循環是在調試或者其它試車情況下使用,正常生產時使用全自動方式。
(2)編程采用編程軟件SIMATIC專業軟件包,它基于個人計算機,適用于西門子公司PLC的用戶程序編制和監控,通過計算機串行接口與PLC編程口相連,軟件中同時使用了語句表,梯形圖,GRAPH編程方法。不同的編程方法有不同的特點,如工藝步驟的運行比較容易有GRAPH來實現。
(3)根據故障對設備的損壞程度,將故障分為一般故障和重大故障。
一般故障如:氮氣的上下限,各類閥的開關不到位,離心機的前后軸溫度的上限,離心機振動上限,離心機轉速上限等。
重要故障如:緊急停止,門蓋未閉,氮氣的上上限,氮氣的下下限,前后軸溫度的上上限,離心機振動的上上限,離心機轉速的上上限等。
一般故障發生時,執行程序處于暫停狀態,所有控制閥的輸出信號停止輸出,離心機的速度也慢慢降至待機速度,等到故障處理完畢,在人機界面上可選擇工藝步驟的繼續運行,或者工藝步驟的重新運行。操作者選擇好需要的運行方式后,離心機的速度即慢慢升高至設定速度,當離心機的實際運行速度在設定速度正負50轉范圍內時,工藝步驟開始運行。
重要故障發生時,離心機跳機,處于自由停車狀態;工藝步驟處于停止狀態,所有控制閥的輸出信號停止輸出。等到設備維修人員排除故障后,方可重新開機。
