反滲透膜元件自動(dòng)卷膜機(jī)設(shè)計(jì)

章宇慶，諶建國(guó)，汪自祥，林瑞進(jìn)

（中國(guó)聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州310022）

0 引言

我國(guó)是一個(gè)資源性缺水國(guó)家，海水淡化是解決沿海地區(qū)水資源短缺的一種重要方法。海水淡化分為反滲透、低溫多效和多級(jí)閃蒸三種技術(shù)路線，其中反滲透技術(shù)具有系統(tǒng)可靠、投資成本低，使用能耗低，維護(hù)方便的特點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)成為海水淡化的首選方案[1]。根據(jù)測(cè)算，2020年我國(guó)的反滲透膜元件市場(chǎng)將達(dá)到50億人民幣，折合約200萬(wàn)只膜元件，市場(chǎng)前景廣闊。

國(guó)際知名品牌陶氏、東麗、海德能等全部采用自動(dòng)卷膜機(jī)來(lái)生產(chǎn)反滲透膜元件，而國(guó)內(nèi)企業(yè)普遍通過(guò)手工方式生產(chǎn)?，F(xiàn)有手工生產(chǎn)方式產(chǎn)水布分切、產(chǎn)水布焊接、打膠、卷制之間沒(méi)有自動(dòng)流水線，需要大量工人來(lái)負(fù)責(zé)半成品在工位之間的流轉(zhuǎn)；膜片分切折疊采用人工方式，折疊和貼膠帶對(duì)不準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品泄漏，產(chǎn)品質(zhì)量不合格；關(guān)鍵打膠工位人工打膠，膠量難以控制，產(chǎn)品合格率只有95%，產(chǎn)品成品率低，脫鹽率為99.3%，產(chǎn)水量36 m3/d.本文根據(jù)工藝要求設(shè)計(jì)了一臺(tái)自動(dòng)卷膜機(jī)，實(shí)現(xiàn)了反滲透膜元件的自動(dòng)卷制，解決了原有手工生產(chǎn)方式產(chǎn)能小、質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低的問(wèn)題。

1 卷膜機(jī)工藝及參數(shù)

膜元件來(lái)料主要有反滲透膜卷料、網(wǎng)格卷料、產(chǎn)水布卷料、透明膠帶卷料、膠水筒料等。工藝流程圖如圖1所示[2]。

圖1 反滲透膜元件工藝流程圖

主要工藝參數(shù)如下：

膜片寬度：1 066 mm

產(chǎn)水布寬度：1 016 mm

網(wǎng)格寬度：1 016 mm

卷膜節(jié)拍：15 min

膜元件直徑：90～195 mm

膜片錯(cuò)位偏差：±2 mm

網(wǎng)格與膜片錯(cuò)位偏差：±2 mm

2 卷膜機(jī)組成

根據(jù)膜元件卷制前后工序的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的卷膜機(jī)分成6個(gè)子系統(tǒng)，如圖2所示。透明膠帶平貼系統(tǒng)用于在膜片折疊處平貼一條透明膠帶。膜片上平貼透明膠帶后，膜片網(wǎng)格折疊分切系統(tǒng)將膜片在透明膠帶處折疊，并將網(wǎng)格插入膜片中間，膜片和網(wǎng)格達(dá)到設(shè)定長(zhǎng)度后，切刀將膜片網(wǎng)格切斷成一個(gè)膜頁(yè)。打膠系統(tǒng)由打膠機(jī)器人、膠桶、壓盤(pán)泵、計(jì)量泵、分配閥等組成；計(jì)量泵和分配閥通過(guò)總線同時(shí)啟閉控制精確打膠，打膠信號(hào)通過(guò)機(jī)械手運(yùn)行信號(hào)同步控制。膜頁(yè)打膠完成后，插膜卷膜系統(tǒng)將膜頁(yè)插入插膜平臺(tái)，每插入一頁(yè)膜頁(yè)后，產(chǎn)水布分離機(jī)構(gòu)將下一片產(chǎn)水布平鋪到插膜平臺(tái)，完成設(shè)定張數(shù)的膜頁(yè)插膜后，系統(tǒng)壓緊并收卷，形成一個(gè)松散的膜元件。透明膠帶纏繞系統(tǒng)用于在松散膜元件外側(cè)緊密均勻纏繞一層透明膠帶，需要進(jìn)行張力控制，保證纏繞完成膜元件的外徑。產(chǎn)水布包通過(guò)上下料系統(tǒng)的上層鏈條輸送線進(jìn)料，最終纏繞完成的膜元件通過(guò)上下料系統(tǒng)的下層滾筒輸送線出料。其中的透明膠帶平貼系統(tǒng)和透明膠帶纏繞系統(tǒng)與原有手工生產(chǎn)方式差別較大，開(kāi)發(fā)難度較高，下文進(jìn)行重點(diǎn)說(shuō)明。

圖2 卷膜機(jī)

2.1 透明膠帶平貼系統(tǒng)

膜片折疊處需要和網(wǎng)格接觸，為保證膜片免受網(wǎng)格破壞，保證膜元件產(chǎn)水量和脫鹽率的穩(wěn)定，需要在膜片折疊處平貼透明膠帶，原有人工貼膠帶形式無(wú)法保證膠帶的定位精度和平整性，會(huì)造成膜片起拱，影響后續(xù)插膜。

透明膠帶平貼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。平移機(jī)構(gòu)用于膠帶在膜片上黏貼后的橫向行走，為保證定位精度，采用滾珠絲杠傳動(dòng)。放卷機(jī)構(gòu)用于膠帶的主動(dòng)放卷，由于透明膠帶在放卷過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生拉伸，導(dǎo)致平貼至膜片后膠帶回縮，導(dǎo)致膜片起皺；此處對(duì)膠帶進(jìn)行主動(dòng)放卷，保證放卷速度和貼膠帶速度的一致性，進(jìn)而保證膠帶張力恒定，防止膜片回縮起皺。前壓輪用于膠帶放料后將膠帶在膜片上壓實(shí)，防止膠帶脫落。完成一個(gè)貼膠帶循環(huán)后，需要對(duì)膠帶端頭自動(dòng)吸附和脫附，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，采用真空吸附形式；膠帶剪切時(shí)，后壓輪上的真空吸盤(pán)吸住膠帶端頭，切斷機(jī)構(gòu)的氣缸推出，切刀將透明膠帶切斷，完成一個(gè)貼膠帶流程；膠帶平貼開(kāi)始時(shí)，后壓輪上的真空吸盤(pán)破真空，透明膠帶從真空吸盤(pán)脫附，黏貼至膜片位置。

圖3 透明膠帶平貼系統(tǒng)

2.2 透明膠帶纏繞系統(tǒng)

插膜收卷完成膜片是松散的半成品，需要在膜卷外層緊密均勻纏繞透明膠帶。原來(lái)采用人工形式，手動(dòng)拉扯膠帶并行走，張力不恒定導(dǎo)致外繞透明膠帶松緊不一致，行走速度差異導(dǎo)致外繞膠帶層數(shù)不一致，造成最終膜元件周長(zhǎng)差別很大。

透明膠帶纏繞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。膜元件移栽到位后，壓緊機(jī)構(gòu)將透明膠帶端頭黏貼于松散膜卷上，吸附機(jī)構(gòu)破真空，卷軸開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，透明膠帶恒張力放卷的同時(shí)開(kāi)始由平移機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)軸向運(yùn)動(dòng)，將膠帶均勻纏繞膜卷外層。到達(dá)停止位后，卷軸停止，吸附機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，切斷機(jī)構(gòu)氣缸伸出，切刀將膠帶切斷，完成一個(gè)松散膜卷的膠帶纏繞。為了保證外繞膜卷直徑的一致性，需要對(duì)膠帶張力進(jìn)行控制，本系統(tǒng)采用超聲波傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)膠帶卷料直徑，根據(jù)監(jiān)測(cè)直徑和設(shè)定張力，放卷機(jī)構(gòu)控制膠帶卷料的扭矩，保證膠帶張力恒定，有效保證膜卷最后的外徑精度。為了解決膠帶行走過(guò)程中膠帶和膜卷的角度偏差問(wèn)題，設(shè)計(jì)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，可根據(jù)卷軸纏繞速度自行確定所需擺角，保證膠帶和膜卷的角度適應(yīng)膠帶行走速度，防止膠帶纏繞過(guò)程中起皺。

圖4 透明膠帶纏繞系統(tǒng)

3 控制系統(tǒng)

卷膜機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)高速數(shù)據(jù)總線技術(shù)組成22軸聯(lián)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)，在全自動(dòng)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)裁剪、折疊、涂膠、插膜卷膜等各工序在高速高精度狀態(tài)下有機(jī)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

系統(tǒng)中主控制器采用三菱Q03UDE，分別采用一塊QD77MS16、一塊QD77MS4及一塊QD77MS2伺服控制器通過(guò)光纖控制22臺(tái)伺服軸，控制系統(tǒng)控制器的主要配置如表1.

表1 控制系統(tǒng)主要配置

軟件系統(tǒng)使用三菱PLC結(jié)構(gòu)化編程軟件GXWORK2及人機(jī)界面編程軟件GT-WORK3進(jìn)行開(kāi)發(fā)?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)用的主要技術(shù)包括以下幾個(gè)方面：

（1）工業(yè)以太網(wǎng)下的系統(tǒng)監(jiān)控、診斷及調(diào)試技術(shù)

控制系統(tǒng)通過(guò)MC通訊將設(shè)備運(yùn)行控制數(shù)據(jù)反應(yīng)到HMI觸摸屏上，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，界面實(shí)時(shí)反應(yīng)相關(guān)信息，以幫助維修人員查找故障原因，采用相應(yīng)步驟。

（2）SSCNETIII現(xiàn)場(chǎng)總線下的多軸聯(lián)動(dòng)

SSCNET III采用光纖作為通訊介質(zhì)，和伺服馬達(dá)通訊速度達(dá)150兆Hz，實(shí)現(xiàn)同步通信，無(wú)滯后不同步現(xiàn)象。

（3）涂膠膠量控制

膜片涂膠根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品的型號(hào)不同，其膠線的類型、平均膠量、涂膠速度都必須根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且由于氣溫或膜片等都會(huì)影響膠的固化速度及固化質(zhì)量等，所以打膠過(guò)程中對(duì)實(shí)際的膠量進(jìn)行監(jiān)控，反饋的信息通過(guò)PID控制反應(yīng)到機(jī)器人運(yùn)行的速度上，以控制膠線膠量不超過(guò)5%的誤差范圍。

（4）通過(guò)配方的方式實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)的要求

卷膜機(jī)的生產(chǎn)參數(shù)包括裁剪、焊接、拉布折疊、涂膠、插膜、纏膠帶等都可以通過(guò)一鍵式的參數(shù)改變而改變最終產(chǎn)品的參數(shù)。

（5）自動(dòng)化控制和管理技術(shù)

控制系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)方式，提供了足夠充分的接口和數(shù)據(jù)以供工廠MES系統(tǒng)的鏈接。目前在HMI工業(yè)觸摸屏上修改調(diào)用不同配方以修改產(chǎn)品參數(shù)，隨著下一步工作的開(kāi)展，可以通過(guò)MES系統(tǒng)下達(dá)生產(chǎn)任務(wù)和設(shè)置設(shè)備參數(shù)等。

4 卷膜機(jī)運(yùn)行效果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，生產(chǎn)卷膜機(jī)見(jiàn)圖6.安裝調(diào)試完成交付業(yè)主，經(jīng)過(guò)近一個(gè)月的試生產(chǎn)，制造出卷制膜元件800只，取其中6只膜元件測(cè)試脫鹽率和產(chǎn)水量，結(jié)果如表2所示，產(chǎn)水量和脫鹽率相比原有手工生產(chǎn)方式都有一定的提高。

圖6 調(diào)試完成的卷膜機(jī)

表2 膜元件脫鹽率和產(chǎn)水量

通過(guò)使用自動(dòng)卷膜機(jī)進(jìn)行反滲透膜元件卷制，解決了原有手工生產(chǎn)方式產(chǎn)能小、質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低的問(wèn)題：（1）采用柔性生產(chǎn)形式，產(chǎn)品原材料的長(zhǎng)度厚度寬度可調(diào)，提高生產(chǎn)線的產(chǎn)品適應(yīng)性和靈活性；（2）將瓶頸工序的涂膠和插膜工序細(xì)分為涂膠、插膜2個(gè)獨(dú)立工序，采用機(jī)械手自動(dòng)涂膠，提高生產(chǎn)效率50%，節(jié)省膠水用量20%；（3）開(kāi)發(fā)透明膠帶平貼系統(tǒng)，自動(dòng)、精確將透明膠帶平貼至膜片折疊位置，解決了人工貼膠帶的定位誤差和平整性問(wèn)題；（3）開(kāi)發(fā)透明膠帶纏繞系統(tǒng)，自動(dòng)將卷制完成膜卷外纏透明膠帶，保證外纏膠帶膜元件外徑誤差±2 mm.

5 結(jié)束語(yǔ)

反滲透膜元件自動(dòng)卷膜機(jī)研制成功，并運(yùn)用在納濾膜、反滲透膜元件的自動(dòng)卷制。相比原有手工方式，提高了生產(chǎn)效率和成品脫鹽率，在國(guó)內(nèi)的反滲透膜元件廠家中有很強(qiáng)的推廣價(jià)值；可帶動(dòng)相關(guān)海水淡化用膜元件的穩(wěn)定高效節(jié)能柔性的批量生產(chǎn)，降低與進(jìn)口產(chǎn)品的差距，替代進(jìn)口產(chǎn)品。后續(xù)可以將自動(dòng)測(cè)試等功能添加進(jìn)來(lái)，真正實(shí)現(xiàn)膜元件生產(chǎn)過(guò)程的智能化、無(wú)人化。

參考文獻(xiàn)：

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