機(jī)械傳動(dòng)雙軸系翻袋離心機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁建國(guó)，陳崔龍，劉呈啟，朱碧肖

(1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽 合肥 230031；2.合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230031)

0 引言

1971年，翻袋式自動(dòng)卸料離心機(jī)(以下簡(jiǎn)稱“翻袋離心機(jī)”)問(wèn)世[1-3]。翻袋離心機(jī)是一種通過(guò)將裝有濾餅的濾袋翻開(kāi)進(jìn)行固體卸料的新型過(guò)濾式離心機(jī)，屬于分離機(jī)械范疇[4]。該設(shè)備具有獨(dú)特設(shè)計(jì)的翻袋機(jī)構(gòu)，能夠克服傳統(tǒng)立式或臥式離心機(jī)刮刀破壞物料晶型、存在殘余濾餅以及機(jī)械接觸帶來(lái)的安全隱患等問(wèn)題[5-7]。陳崔龍等[8]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的機(jī)械傳動(dòng)雙軸系新型翻袋離心機(jī)，改變了傳統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)翻袋機(jī)構(gòu)存在的可靠性低、液壓管路易疲勞失效的問(wèn)題。設(shè)備翻袋以及復(fù)位動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)需內(nèi)外軸系的協(xié)同工作，其穩(wěn)定、可靠運(yùn)行主要依賴于自動(dòng)控制系統(tǒng)。本文以可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)為核心，設(shè)計(jì)了一種集遠(yuǎn)程監(jiān)控、工況顯示、一鍵操作、故障診斷等功能于一體的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)上，翻袋離心機(jī)將傳統(tǒng)的臥式離心機(jī)回轉(zhuǎn)構(gòu)件分離成同步旋轉(zhuǎn)的內(nèi)、外軸系兩部分。外軸系軸向固定。內(nèi)軸系可在螺紋副機(jī)械裝置的作用下沿軸向運(yùn)動(dòng)：前進(jìn)時(shí)，翻出過(guò)濾袋，實(shí)現(xiàn)卸料；后退時(shí)，收回過(guò)濾袋，實(shí)現(xiàn)復(fù)位。翻袋離心機(jī)工作原理如圖1所示。

圖1 翻袋離心機(jī)工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of invertible filter centrifuge

翻袋離心機(jī)控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 翻袋離心機(jī)控制系統(tǒng)圖Fig.2 Control system diagram of invertible filter centrifuge

控制系統(tǒng)包括PLC、主副電機(jī)及配套變頻器、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、稱重傳感器、流量傳感器、速度傳感器、觸摸屏、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)、擴(kuò)展模塊、控制閥門等。其中，西門子S7-200 PLC是控制系統(tǒng)的核心。它一方面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集、運(yùn)算處理與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)主、副電機(jī)及相應(yīng)閥門的控制[9]；另一方面，通過(guò)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)的觸摸屏及遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，以提供良好的人機(jī)交互窗口和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

以常用規(guī)格型號(hào)FWZ600型翻袋離心機(jī)為例，對(duì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作以下詳細(xì)說(shuō)明。①PLC：西門子S7-200 Smart。②主電機(jī)：YB225S-4，37 kW，南陽(yáng)防爆電機(jī)。③副電機(jī)：YB180L-4，7.5 kW，南陽(yáng)防爆電機(jī)。④主電機(jī)變頻器：37 kW，丹佛斯。⑤副電機(jī)變頻器：7.5 kW，丹佛斯。⑥溫度傳感器：PT100，安徽天康。⑦振動(dòng)傳感器：VT9285，沈陽(yáng)振科。⑧稱重傳感器：SBT-1X，梅泰勒托利多。⑨接近開(kāi)關(guān)：P+F。⑩液位傳感器：SLF-70-F-A，上海思派。轉(zhuǎn)速變送器：P+F；觸摸屏：西門子Smartline。

翻袋離心機(jī)的核心是翻袋動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)通過(guò)變頻器控制主、副電機(jī)轉(zhuǎn)速，并利用轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)主、副電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速V1、V2，進(jìn)而對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行；利用主副電機(jī)的相對(duì)轉(zhuǎn)速差，通過(guò)絲桿螺紋副，實(shí)現(xiàn)推盤機(jī)構(gòu)的前進(jìn)或后退，即翻袋或復(fù)位。主副電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過(guò)變頻器實(shí)時(shí)控制。V1、V2通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行測(cè)量。翻袋或復(fù)位對(duì)應(yīng)的位置信號(hào)S1、S2、S3、S4由位置傳感器感應(yīng)測(cè)量。當(dāng)推盤機(jī)構(gòu)推出到位或復(fù)位到位時(shí)，副電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，即停止推盤機(jī)構(gòu)的伸縮。

翻袋離心機(jī)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程都是密閉的。翻袋離心機(jī)的優(yōu)勢(shì)是適合小批量、多批次的離心過(guò)濾工藝。因此，進(jìn)料控制是關(guān)鍵。一般離心機(jī)的進(jìn)料是通過(guò)流量計(jì)，結(jié)合進(jìn)料時(shí)間進(jìn)行控制。受物料的不均勻、進(jìn)料波動(dòng)、感應(yīng)時(shí)間滯后等因素影響，這種控制方式誤差較大。翻袋離心機(jī)采用杠桿式稱重結(jié)構(gòu)，通過(guò)杠桿原理，對(duì)前端轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的物料變化進(jìn)行放大，通過(guò)稱重傳感器精確測(cè)量，且通過(guò)阻尼消除了運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)影響，能較好地對(duì)物料進(jìn)料進(jìn)行準(zhǔn)確控制，使誤差率在1%以內(nèi)。

翻袋離心機(jī)的主軸屬于臥式、懸臂結(jié)構(gòu)。主軸承在運(yùn)行中承載較大，且受物料沖擊。對(duì)此，采用溫度傳感器測(cè)得主軸前后兩個(gè)軸承的溫度T1、T2。主軸承溫度報(bào)警值應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)：主軸承溫升不超過(guò)45 ℃；軸承溫度不超過(guò)80 ℃。當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警并自動(dòng)停機(jī)。過(guò)大的機(jī)械振動(dòng)與動(dòng)載荷不僅會(huì)嚴(yán)重影響翻袋離心機(jī)的使用壽命與可靠性，而且可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。因此，在振動(dòng)較大處設(shè)置振動(dòng)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)速率Vi。當(dāng)振動(dòng)速率大于設(shè)定值時(shí)，為保證安全，系統(tǒng)報(bào)警并自動(dòng)停機(jī)。設(shè)定的參數(shù)為振動(dòng)報(bào)警值應(yīng)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值；空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)速度不大于4.5 mm/s；負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)速度不大于11.2 mm/s。

為保證兩批物料無(wú)交叉，需對(duì)翻袋離心機(jī)進(jìn)行無(wú)死角清洗，以達(dá)到良好生產(chǎn)規(guī)范(good manufacturing practice，GMP)要求。翻袋離心機(jī)的清洗方式為浸泡清洗和噴淋球在線清洗，清洗徹底，無(wú)殘留。在設(shè)備上設(shè)置液位傳感器測(cè)量清洗液液位H。當(dāng)清洗液液位到達(dá)設(shè)定值，設(shè)備停止進(jìn)液。當(dāng)設(shè)備清洗完全后，設(shè)備自動(dòng)開(kāi)啟出液閥，排出清洗液。

2 翻袋動(dòng)作的控制

翻袋離心機(jī)通過(guò)控制主副電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得內(nèi)外軸系產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)翻袋式卸料動(dòng)作。內(nèi)軸系驅(qū)動(dòng)原理如圖3所示。

圖3 內(nèi)軸系驅(qū)動(dòng)原理圖Fig.3 Internal shafting driving principle diagram

當(dāng)設(shè)備處于進(jìn)料、過(guò)濾階段時(shí)，內(nèi)、外推盤與轉(zhuǎn)鼓形成封閉腔體，使物料進(jìn)入并且升速過(guò)濾、脫水。此時(shí):主電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)；滑動(dòng)螺母帶動(dòng)絲桿作同步旋轉(zhuǎn)；副電機(jī)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)設(shè)備處于卸料階段時(shí)：轉(zhuǎn)鼓降速到卸料轉(zhuǎn)速；副電機(jī)啟動(dòng)并轉(zhuǎn)速超過(guò)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速；絲桿轉(zhuǎn)速大于滑動(dòng)螺母轉(zhuǎn)速。這就導(dǎo)致滑動(dòng)螺母開(kāi)始向左滑動(dòng)，帶動(dòng)推桿、內(nèi)外推盤同步向左運(yùn)動(dòng)，使濾袋慢慢翻轉(zhuǎn)、推出，從而卸除濾餅。當(dāng)滑動(dòng)螺母滑動(dòng)到位時(shí)，副電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，則滑動(dòng)螺母帶動(dòng)絲桿作同步旋轉(zhuǎn)?；瑒?dòng)螺母向右滑動(dòng)，使內(nèi)、外推盤同步向右運(yùn)動(dòng)，直至關(guān)閉，完成復(fù)位，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

翻袋動(dòng)作的快慢，通過(guò)調(diào)整主副電機(jī)之間的速度差Δn=n主-n副來(lái)實(shí)現(xiàn)。翻袋動(dòng)作時(shí)，Δn=n副-n主。當(dāng)n主一定時(shí)，n副↓(減小)，Δn↓(減小)，翻袋動(dòng)作變慢；反之，翻袋動(dòng)作加快，卸料時(shí)間縮短。翻袋完成后，復(fù)位動(dòng)作時(shí)，Δn=n主-n副。當(dāng)n主一定時(shí)，n副↑(增加)，Δn↓(減小)，復(fù)位動(dòng)作變慢；反之，復(fù)位動(dòng)作加快，復(fù)位時(shí)間縮短。對(duì)于均勻物料，可以通過(guò)比例積分微分(proportional integral differential,PID)算法實(shí)現(xiàn)恒差速控制，使翻袋動(dòng)作穩(wěn)定、可靠，且卸料時(shí)間得到優(yōu)化，延長(zhǎng)了絲桿的使用壽命。

翻袋動(dòng)作時(shí)的PID控制原理如圖4所示。

圖4 翻袋動(dòng)作時(shí)的PID控制原理圖Fig.4 PID control principle diagram of turning bag

通過(guò)調(diào)整主電機(jī)轉(zhuǎn)速n主，達(dá)到穩(wěn)定主、副電機(jī)速度差的目的。

其控制過(guò)程如下：差速(Δn定)↑(增加)→PID控制量↓(減小)→主電機(jī)變頻器↑(增加)→主電機(jī)轉(zhuǎn)速↑(增加)→差速(Δn)↓(減小)。該控制過(guò)程可使誤差趨向零，保證差速穩(wěn)定。

翻袋完成后，復(fù)位動(dòng)作時(shí)的PID控制原理如圖5所示。

圖5 復(fù)位動(dòng)作時(shí)的PID控制原理圖Fig.5 PID control principle diagram during reset action

復(fù)位動(dòng)作是通過(guò)調(diào)整副電機(jī)轉(zhuǎn)速n副，達(dá)到穩(wěn)定主、副電機(jī)速度差的目的。

其控制過(guò)程如下：差速(Δn定)↑(增加)→PID控制量↓(減小)→副電機(jī)變頻器↑(增加)→副電機(jī)轉(zhuǎn)速↑(增加)→差速(Δn)↓(減小)。該控制過(guò)程可使誤差趨向零，保證差速穩(wěn)定。

翻袋動(dòng)作過(guò)程中，因?yàn)槲锪喜▌?dòng)，會(huì)造成進(jìn)料差異。但進(jìn)料量較多時(shí)，有可能使翻袋動(dòng)作出現(xiàn)卡阻，使副電機(jī)負(fù)載過(guò)大，產(chǎn)生停機(jī)、濾袋破損等狀況。本智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)位置傳感器信號(hào)、主副電機(jī)轉(zhuǎn)速、絲桿參數(shù)等數(shù)據(jù)，利用程序內(nèi)部算法，智能判別翻袋卡阻，自動(dòng)快速?gòu)?fù)位并再次翻袋，較好地解決了翻袋卡阻現(xiàn)象。通過(guò)應(yīng)用數(shù)據(jù)整理分析，由卡阻導(dǎo)致的停機(jī)率基本降至1%以下。

3 控制軟件的設(shè)計(jì)

翻袋離心機(jī)智能控制系統(tǒng)的程序采用S7-MicroWin Smart軟件編寫，可實(shí)現(xiàn)以下功能。

①系統(tǒng)自檢：用于確定設(shè)備是否處于初始狀態(tài)、安全狀態(tài)。②數(shù)據(jù)通信：實(shí)現(xiàn)PLC與人機(jī)界面、傳感器、執(zhí)行器、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間的通信。③參數(shù)設(shè)置：通過(guò)人機(jī)界面對(duì)運(yùn)行工序與參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，用于滿足工藝要求。④模擬量輸入：對(duì)溫度傳感器、位置傳感器、液位傳感器、轉(zhuǎn)速變送器等傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析、處理。⑤控制程序：可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)控制、自動(dòng)控制之間任意切換，方便用戶對(duì)設(shè)備的控制與操作。⑥監(jiān)控與報(bào)警：實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)振動(dòng)、軸承溫度、電流等超過(guò)設(shè)定報(bào)警值時(shí)，為保證設(shè)備安全，報(bào)警并自動(dòng)停機(jī)。

控制程序中的點(diǎn)動(dòng)控制和自動(dòng)控制分別適用于生產(chǎn)中的不同階段。在調(diào)試、物料選型、維護(hù)階段，點(diǎn)動(dòng)控制便于尋找最佳工況以及處理特殊工況。當(dāng)設(shè)備最佳運(yùn)行參數(shù)確定后，自動(dòng)控制模式更加簡(jiǎn)單、方便。用戶可在人機(jī)界面中進(jìn)行手動(dòng)操作，完成氮?dú)庵脫Q、進(jìn)料、脫水、洗滌、卸料、清洗等操作，但用戶無(wú)法更改設(shè)備安全防護(hù)以及連鎖程序。對(duì)于用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行的任何操作，系統(tǒng)都將先判斷該操作是否滿足運(yùn)行條件。如不滿足，系統(tǒng)將無(wú)任何操作，以避免誤操作導(dǎo)致的生產(chǎn)事故。如：當(dāng)用戶在濾袋未復(fù)位時(shí)誤點(diǎn)進(jìn)料啟動(dòng)按鈕，設(shè)備將無(wú)任何操作。自動(dòng)控制時(shí)，用戶需先在人機(jī)界面參數(shù)設(shè)置界面設(shè)置運(yùn)行工序以及操作參數(shù)，開(kāi)啟自動(dòng)運(yùn)行模式，使設(shè)備自動(dòng)完成全流程工作并循環(huán)操作。當(dāng)需要停止運(yùn)行時(shí)，用戶按下停機(jī)按鈕，使設(shè)備自動(dòng)走完剩下全部流程并停機(jī)。當(dāng)濾布需要再生時(shí)，可按下濾布再生鍵。此時(shí)，固體出料閥、出液閥以及進(jìn)料閥自動(dòng)關(guān)閉，底部清洗液進(jìn)液閥自動(dòng)開(kāi)啟，使清洗液進(jìn)入設(shè)備內(nèi)。當(dāng)液位高度到達(dá)設(shè)定高度時(shí)，PLC接收到液位傳感器信號(hào)，關(guān)閉清洗液進(jìn)液閥，推出濾袋，并低速運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)濾布進(jìn)行浸泡再生。濾布再生完成后，底部出液閥開(kāi)啟，使濾袋復(fù)位，完成濾布清洗與再生。

4 翻袋離心機(jī)在硝化棉上的應(yīng)用

硝化棉是一種用于生產(chǎn)爆炸物、涂料、膠卷和賽璐珞等產(chǎn)品的白色或淡黃色棉固體。純硝化棉為白色纖維狀固體，工業(yè)上常和其他物質(zhì)混合變?yōu)椴煌螒B(tài)以滿足工業(yè)領(lǐng)域的需求，如加入增塑劑鄰苯二甲酸二丁酯(dibutyl phthalate,DBP)成為白色片狀固體。硝化棉的密度約為1.62 g/cm3，閃點(diǎn)為4.4 ℃。干燥的硝化棉易自燃，在儲(chǔ)存的過(guò)程中需增入水、酒精等液體來(lái)抑制其危險(xiǎn)性。在硝化棉民用生產(chǎn)過(guò)程中多次發(fā)生燃燒、爆炸事故，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，硝化棉的生產(chǎn)安全性也越來(lái)越受到企業(yè)關(guān)注[9-13]。企業(yè)采用翻袋離心機(jī)替換傳統(tǒng)的刮刀下卸料離心機(jī)用于硝化棉的固液分離，以提高安全性。本文采用全自動(dòng)遠(yuǎn)程控制的方式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人化工作。采用FWZ600型號(hào)翻袋離心機(jī)進(jìn)行硝化棉的脫水與洗滌。

翻袋離心機(jī)工作流程如圖6所示。

圖6 翻袋離心機(jī)工作流程Fig.6 Working process of invertible filter centrifuge

圖6中：i為實(shí)際洗滌次數(shù)；n為系統(tǒng)設(shè)定物料需要洗滌次數(shù)；j為實(shí)際處理物料批數(shù)；m為系統(tǒng)設(shè)定需要處理的物料總批數(shù)。

在調(diào)試階段，采用手動(dòng)模式進(jìn)行硝化棉的脫水洗滌工作，獲得最佳的穩(wěn)定生產(chǎn)工況如下。質(zhì)量含量為10%的硝化棉水溶液以110 kg/min的速度進(jìn)入翻袋離心機(jī)中。進(jìn)料時(shí)，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為950 r/min。進(jìn)料完成后，系統(tǒng)進(jìn)入脫水階段。此時(shí)，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速提升至1 350 r/min；脫水60 s。洗滌階段：轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為950 r/min；洗滌液進(jìn)液速度為30 L/min；進(jìn)液1 min。脫洗滌液階段：轉(zhuǎn)速提升至1 350 r/min,運(yùn)行60 s。卸料階段：主電機(jī)降速至300 r/min后，副電機(jī)啟動(dòng)，進(jìn)行翻袋動(dòng)作；濾餅隨之脫離濾袋進(jìn)入固體收集倉(cāng)，濾餅約20 kg，濾袋隨之復(fù)位。經(jīng)上述過(guò)程后，得到濾餅含水率為5%,達(dá)到工藝要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)械傳動(dòng)雙軸系翻袋離心機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于硝化棉的脫水過(guò)濾工作。控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、安全性高：采用恒差速PID控制以及位置傳感器感應(yīng)，實(shí)現(xiàn)翻袋與復(fù)位動(dòng)作的穩(wěn)定性與設(shè)備的安全性；采用友好的人機(jī)界面以及控制邏輯，實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)、一鍵停機(jī)、一鍵濾布再生等功能，便于客戶的操作。該設(shè)計(jì)有利于翻袋離心機(jī)的推廣與應(yīng)用。