卧螺离心机的程序控制及应用
来源：浙江正达环保设备有限公司 阅读：12962 更新时间：2018-07-24 13:38摘要:卧螺离心机是一种常用的卧螺设备,对其的控制直接关系到产品最终的产量和质量。该文讨论了采用PLC、变频器及人机界面对卧螺离心机进行程序控制的控制方案。
作为国民生产中的重要设备,卧式螺旋卸料离心脱水机在化工、环保、国防等行业中占有很高的地位。卧式螺旋卸料离心脱水机工作时,其启动控制、保护、自动监护、转鼓转速及其与螺旋输送器之间的速差,都是离心机很重要的性能。目前多数离心机仍由继电器控制,采用有级调速,离心机工作转速调节单一、设备故障率较高。
本研究主要介绍了采用PLC控制和变频器调速的卧式螺旋卸料离心脱水机。
卧螺离心机PLC控制系统一般采用二个变频电机分别带动转鼓和螺旋推进器，变频电机通过同步带传递转鼓和螺旋推进器所需的动力，这种变频器必须具备多段速、可编程自动运行、通迅等功能，通过变频电机的控制实现调节转鼓与螺旋推进器的转速差，速差越低，分离的效果越好。PLC控制系统主要包括：电机启动装置、保护报警装置、轴承温度报警、扭矩报警、转速（温度）显示装置、电流（电压）显示、差速调节控制装置（包括显示装置），也可以选用触摸屏显示技术显示相关技术参数，采用菜单操作，人机界面友好，操作简单方便，同时实现上位机连接，与生产厂家进行数据通讯，实现生产现场监控，也可通过3G网进行远程监控，并可对现场设备进行实时数据组态和运行状态的修正。
1离心机工作原理
卧式螺旋卸料离心脱水机,如图1所示。其工作原理是将待分离的物料经进料管送入高速旋转的离心机转鼓中,固体在离心力的作用下沉降到转筒的内壁,而澄清的液体则通过后端的溢流口流出。!螺旋输送器和转鼓的相对速差则会对沉降在转鼓内的固体产生一个推进的输送力,在离心力的作用下从排渣口排出机外[3]。卧式螺旋卸料离心脱水机工艺过程分为:进料、离心、卸料和清洗。
卧螺离心机广泛应用于石油、化工、冶金、医药、食品、轻工等部门,一般是工艺流程中的后处理设备或成品环节,对其的应用和控制直接关系到最终产品的产量和质量。离心机属于起动惯量大、加减速频繁、周期运行的设备。离心机的工艺流程通常都可分为进料、分离、出料、洗涤等几个主要步骤。而根据生产工艺及物料的特性,要求能够随时更改离心机的进料、分离、洗涤等步骤的次数、时间以及其他各种时间参数。因此,离心机电气控制系统应具备以下功能:控制机器程序动作,包括开机、关机、报警自停,故障诊断等;具备人机对话功能,能够设置和显示工艺参数,并根据工艺的要求在人机界面上,修改参数;系统中PLC、人机界面进行网络通信,使系统操作、运行更为简捷,可靠。
2离心机控制要求
本离心机系统的控制方式分为:手动步进、单循环、全自动等三种方式。手动步进,单循环是在调试、故障恢复或者其它试车情况下使用,正常生产时使用全自动循环方式。料液分次经进料管(阀)进入离心机转鼓,在高速旋转产生的离心力作用下,固相颗粒分离沉积在转鼓内壁上,再由螺旋刮刀卸料,卸料后对转鼓进行洗涤准备下一循环,从而实现了离心机对物料的连续分离过程。
整个流程情况及控制过程要求既能由现场操作台控制,又能在总控制室中进行远距离监控操作。
2.1硬件设计卧式螺旋卸料离心脱水机主要由转鼓、螺旋输送器、可调溢流堰板、驱动电机、控制系统等组成。
工作时,离心机转鼓与螺旋输送器同向高速旋转,但螺旋输送器的转速与转鼓转速之间存在转速差,其值为转鼓转速的02%～3%[4]。转鼓转速以及与螺旋推料器之间的差速,决定着物料的分离效果和产量等指标,是离心机很重要的可变参数。而对离心机转速的控制实际上就是对电机转速的控制[5]。螺旋输送器控制有两种控制方案可选:①开环方案。
在螺旋送料器变频器的转矩输出端接电压表,操作者根据电压值的变化改变螺旋送料器的转速。在这一方案中,可以通过PLC的数据设定单元改变螺旋送料器的转速,或者将PLC的A/D板接电位器,通过改变电位器阻值,使螺旋送料器的转速改变。②闭环方案。由PLC的A/D板采集螺旋输送器变频器的转矩输出端信号,根据测得的设定转矩值与当前转矩值的差值,通过控制算法对螺旋送料器的转速进行调节。在此系统中采用闭环方案,手动调节和自动运行之间实行无扰动切换,保证了系统的稳定性。
系统采用光洋公司DL06系列可编程序控制器控制,可对加料、过滤、卸料、轴承温度、转鼓和螺旋输送器的电压进行全程监护。离心脱水机采用PLC+FO-4AD2DA-2型A/D模块、变频器进行调速,通过电压来控制变频器的频率,变频器采用SAMCO公司的SPF系列变频器,功率为7.5kW。
PLC外部硬件配置图,如图2所示。由开关量输入单元与指令元件、检测元件连接,实现操作者对离心机的运动控制和对离心机状态的检测;将开关量输出单元和开关量控制的执行件(电磁阀、接触器、继电器)连接,实现所要求的控制动作。螺旋输送器变频器的外部接线,如图3所示。
2.2软件设计
控制系统的主控流程图,如图4所示。采用KOYO公司特有的级式编程方法进行编程,可以按照功能模块分别设计。主要包括初始化设定,进料、分离、清洗控制程序,自动控制程序等。
当系统完成自动启动过程后,如果选择“自动运行”,则转鼓和螺旋输送器的转速会在当前速度控制电压的控制下保持不变,从而完成污泥的脱水分离卸料工作。如果选择“手动运行”,则读出输送器/转鼓的速度控制电压和输送器/转鼓的速度调节旋钮电压信号。对出料器/滚筒速度调节旋钮电压采样两次,分别比较两次读出的出料器和滚筒手动调节信号,计算滚筒速度控制电压及出料器控制电压,得到离心机/滚筒控制电压的输出,从而完成污泥的脱水分离卸料工作。
程序设计中采用的安全保护有:转速检测、电机过载过热保护、转鼓/输送器过载、故障保护、系统故障保护等。
3监控系统硬件配置
本离心机控制系统根据工艺和设备管理要求,由就地控制室(现场操作台和控制柜)及总控室上位机两部分组成。就地控制室在离心机现场,其中现场操作屏安装有所用的操作按钮、指示灯、蜂鸣器、转速显示和主电机电流显示仪表等元件设备;控制柜内装有可编程控制器(PLC)、交流变频器、程控稳流稳压电源、直流电源、继电器、信号隔离转换器等。总控制室上位机与就地控制室间由通讯电缆联接。
根据设计要求,综合设备的先进性,可靠性和成本因素,硬件采用如下配置:
(1)PLC采用西门子公司S7-300系列产品。
中央处理单元为CPU315-2DP,带有DP口和MPI接口;底板上配有数字量的输入、输出模块,用来采集柜内和现场的各类开关量信号;底板上同时也配有处理模拟量信号的模数和数模转换模块,装在现场的各类变速器采集模拟信号如氮气压力、离心机振动幅度、离心机转速测量反馈,前后轴温度等信号输入模数模块,经过换算,在人机界面上实时显示。数模模块用于根据生产要求,实时修改离心机的运行速度。
(2)监控系统选用一台研华工控机作为操作界面,监控软件为WINCC6.0。
WinCC(WindowsControlCenter,窗口控制中心)是西门子公司(SIMENS)实现PLC与上位机之间的通讯及上位机监控画面的制作的组态软件,可与SIMATIC产品实现无缝连接,界面友好,功能强大,结合Windows图形设计程序,能很方便地生成人机界面,实现控制界面设计、硬件组态、变量管理、标签归挡、报警归挡、打印归挡与用户管理等功能,并可使监控画面根据现场实际情况动态显示,建立完整的过程监控解决方案。
本系统采用的PLC是S7-300系列,通信模板是CP5611MPl,上位机与PLC用MPI电缆连接,采用MPI协议,上位工控机与下位PLC成功实现通信,用户可以通过WINCC操作和监控界面进行设备的启动、停止,故障查询,归档数据的查询,各类工艺参数的修改等。
利用winCC作为监控软件,不但可以简化上位机与PLC的通讯,方便地读取来自于PLC的数据及向PLC传送数据,而且很容易配置形象、逼真的监控画面,也利于保证程序运行的安全性。
4监控系统软件编制
(1)根据使用厂家的要求,离心机的控制方式分为:手动(步进)、单循环、全自动循环。手动,单循环是在调试或者其它试车情况下使用,正常生产时使用全自动方式。
(2)编程采用编程软件SIMATIC专业软件包,它基于个人计算机,适用于西门子公司PLC的用户程序编制和监控,通过计算机串行接口与PLC编程口相连,软件中同时使用了语句表,梯形图,GRAPH编程方法。不同的编程方法有不同的特点,如工艺步骤的运行比较容易有GRAPH来实现。
(3)根据故障对设备的损坏程度,将故障分为一般故障和重大故障。
一般故障如:氮气的上下限,各类阀的开关不到位,离心机的前后轴温度的上限,离心机振动上限,离心机转速上限等。
重要故障如:紧急停止,门盖未闭,氮气的上上限,氮气的下下限,前后轴温度的上上限,离心机振动的上上限,离心机转速的上上限等。
一般故障发生时,执行程序处于暂停状态,所有控制阀的输出信号停止输出,离心机的速度也慢慢降至待机速度,等到故障处理完毕,在人机界面上可选择工艺步骤的继续运行,或者工艺步骤的重新运行。操作者选择好需要的运行方式后,离心机的速度即慢慢升高至设定速度,当离心机的实际运行速度在设定速度正负50转范围内时,工艺步骤开始运行。
重要故障发生时,离心机跳机,处于自由停车状态;工艺步骤处于停止状态,所有控制阀的输出信号停止输出。等到设备维修人员排除故障后,方可重新开机。
