聶巨峰

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司化學(xué)分公司)

傳感技術(shù)在立式刮刀離心機(jī)自控系統(tǒng)中的應(yīng)用①

聶巨峰

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司化學(xué)分公司)

為實(shí)現(xiàn)立式刮刀離心機(jī)自控系統(tǒng)的全自動(dòng)化，在系統(tǒng)中采用了轉(zhuǎn)速、振蕩、填充、溫度和位置檢測(cè)傳感技術(shù)。介紹了這些傳感技術(shù)的工作原理、使用情況與應(yīng)用效果。

立式刮刀離心機(jī) 傳感技術(shù) 自控系統(tǒng) 工作流程

傳感器是一種檢測(cè)裝置，能夠?qū)⒈粶y(cè)量信息按一定規(guī)律變換成電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄及控制等要求，具有微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化及網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)[1]。傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，目前已廣泛應(yīng)用于科技、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航天、航空及國(guó)防等領(lǐng)域中。

傳感技術(shù)在離心機(jī)自控系統(tǒng)中具有非常重要的作用，傳感技術(shù)的先進(jìn)程度直接影響離心機(jī)自動(dòng)控制的先進(jìn)程度。為此，筆者對(duì)離心機(jī)上所使用的各類傳感器的工作原理、使用情況與應(yīng)用效果進(jìn)行分析說(shuō)明。

1 立式刮刀離心機(jī)工作流程

立式刮刀離心機(jī)工作流程如圖1所示。

圖1 離心機(jī)工作流程

離心機(jī)啟動(dòng)時(shí)，離心鼓加速到預(yù)設(shè)定的填料速度并開(kāi)始填料，物料附著在離心鼓內(nèi)壁上，通過(guò)填充檢測(cè)可以進(jìn)行多次填料以達(dá)到最佳填料量。填料后離心鼓轉(zhuǎn)速升至初步甩干轉(zhuǎn)速，完成填料和初步甩干步驟。

當(dāng)母液被甩離濾餅后進(jìn)行濾餅洗滌。洗滌液送入離心鼓被打散后在濾餅上形成均勻的液膜，在離心力的作用下，洗滌液通過(guò)濾餅被排出離心鼓，完成洗滌[2]。

離心鼓加速到預(yù)定的高速旋轉(zhuǎn)速度后，懸浮液在離心鼓的帶動(dòng)下克服重力加速甩去水分，脫水后懸浮液中的固體部分保留在篩網(wǎng)內(nèi)部。

當(dāng)濾餅的水分達(dá)到要求后，離心鼓減速。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的卸料速度時(shí)，刮刀緩慢進(jìn)入并下降，將固體部分由頂部到底部刮掉。整個(gè)工作循環(huán)結(jié)束。

在每個(gè)工作循環(huán)結(jié)束后，離心鼓內(nèi)層會(huì)殘留一些固體，因此在運(yùn)轉(zhuǎn)預(yù)設(shè)循環(huán)后對(duì)離心鼓進(jìn)行一次清洗。清洗離心鼓時(shí)，離心鼓加速至預(yù)設(shè)速度，打開(kāi)清洗離心鼓液閥門清洗離心鼓。

2 轉(zhuǎn)速檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用

轉(zhuǎn)速是描述各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)性能的一個(gè)重要參量。轉(zhuǎn)速表依據(jù)測(cè)量范式可分為接觸式和非接觸式兩大類，依據(jù)工作原理和采樣方式可分為機(jī)械式、光電式、激光式、頻閃式及磁電式等。目前，純機(jī)械式轉(zhuǎn)速表已逐漸被電子計(jì)數(shù)式轉(zhuǎn)速表所取代。近年來(lái)，我國(guó)轉(zhuǎn)速計(jì)量技術(shù)得到了巨大發(fā)展，研制出了高精度轉(zhuǎn)速計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置并制定了一系列轉(zhuǎn)速檢定規(guī)程[3]。

早期使用的離心機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置，操作人員僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速。這種靠經(jīng)驗(yàn)估計(jì)轉(zhuǎn)速的方法存在弊端和安全隱患，如填料時(shí)如果轉(zhuǎn)速低于可使物料離心力克服重力的轉(zhuǎn)速時(shí)，物料會(huì)流入濾餅下料口。

轉(zhuǎn)速檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于離心機(jī)離心鼓的轉(zhuǎn)速檢測(cè)。在離心機(jī)所有工作環(huán)節(jié)中，離心鼓轉(zhuǎn)速起著非常重要的作用。

2.1 轉(zhuǎn)速顯示

KFD2-UFC-1.D頻率轉(zhuǎn)換器是一個(gè)顯示和監(jiān)控頻率信號(hào)的儀表。該儀表通過(guò)安裝在離心鼓下方的四線制接近開(kāi)關(guān)獲得脈沖信號(hào)，然后將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流模擬電壓量，再將模擬電壓量轉(zhuǎn)換為4～20mA電流信號(hào)輸出，輸出電流與輸入脈沖信號(hào)頻率成正比。信號(hào)傳輸給PLC后，經(jīng)過(guò)Profibus傳送至現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)離心機(jī)離心鼓轉(zhuǎn)速的直接觀察。

2.2 過(guò)程控制

由于離心機(jī)填料、初步甩干、洗滌濾餅、離心、卸料及清洗離心鼓等過(guò)程均是在不同離心鼓轉(zhuǎn)速下完成的，因此在填料過(guò)程如果轉(zhuǎn)速控制不合適，會(huì)造成未脫水的物料流入固體下料口；在洗滌濾餅過(guò)程如果離心機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高，則無(wú)法保證洗滌液與濾餅接觸時(shí)間，進(jìn)而影響洗滌質(zhì)量；在離心過(guò)程，如果轉(zhuǎn)速太低會(huì)造成濾餅水分含量過(guò)高，轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)造成濾餅附著在離心鼓內(nèi)側(cè)不易排出；在卸料過(guò)程，如果轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)造成卸料器損壞，轉(zhuǎn)速過(guò)低會(huì)造成卸料不徹底；在清洗離心鼓過(guò)程如果轉(zhuǎn)速控制不合適，會(huì)造成清洗離心鼓不徹底。將轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)參與控制后，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確掌握離心鼓轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確發(fā)出填料閥門開(kāi)/關(guān)、洗滌液閥門開(kāi)/關(guān)、穩(wěn)定離心鼓轉(zhuǎn)速、卸料器工作及清洗離心鼓液閥門開(kāi)/關(guān)等指令。結(jié)合物料特性，操作人員可以通過(guò)人機(jī)界面準(zhǔn)確設(shè)定離心機(jī)填料、離心、卸料及清洗離心鼓等過(guò)程的離心鼓轉(zhuǎn)速。圖2為離心機(jī)離心鼓轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系曲線。

圖2 離心機(jī)離心鼓轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系曲線

3 振蕩監(jiān)測(cè)技術(shù)與應(yīng)用

工程振動(dòng)問(wèn)題一直是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工程實(shí)踐眾多領(lǐng)域中的重要課題之一。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，60%以上的設(shè)備故障是由振動(dòng)引起的，振動(dòng)與機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)向著大型化、連續(xù)化、復(fù)雜化、高速化、精細(xì)化的方向發(fā)展，由此帶來(lái)的工程振動(dòng)問(wèn)題更為突出。1939年，美國(guó)首次提出通過(guò)測(cè)量振動(dòng)來(lái)判斷機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的觀點(diǎn)，20世紀(jì)60年代工程技術(shù)人員開(kāi)始使用手持式測(cè)振儀，70年代中后期開(kāi)發(fā)了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，到了80年代振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已全面使用。然而在我國(guó)，由于起步較晚，振動(dòng)傳感器的可靠性和精密性還有待提高，產(chǎn)品類型較少，應(yīng)用也相對(duì)較少[4]。

離心機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中尤其是高速離心階段，由于物料在離心鼓內(nèi)側(cè)附著不均勻會(huì)發(fā)生振蕩，振動(dòng)過(guò)大會(huì)造成機(jī)器和機(jī)械部分損壞。為保護(hù)機(jī)器不受未經(jīng)允許的強(qiáng)振蕩，在離心機(jī)上安裝了663型振蕩監(jiān)測(cè)器，用于測(cè)量和監(jiān)控機(jī)器設(shè)備上離心鼓軸承振蕩，保證離心機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

3.1 設(shè)備不平衡度顯示

663型振蕩監(jiān)測(cè)器采用微電子技術(shù)將壓敏電阻注入在硅片上，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，壓敏電阻阻值隨之變化，輸出加速度信號(hào)[5]。對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析可以得到振動(dòng)位移，然后經(jīng)放大器放大并轉(zhuǎn)換為4～20mA電流信號(hào)輸出。信號(hào)傳送至PLC后，經(jīng)過(guò)Profibus傳送至現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面，即可實(shí)現(xiàn)離心機(jī)不平衡度的直接觀察。

3.2 設(shè)備控制

為保證設(shè)備在太強(qiáng)振蕩時(shí)不損壞機(jī)械部分，需在設(shè)備機(jī)械部分增加不平衡預(yù)警、主報(bào)警和調(diào)整設(shè)備轉(zhuǎn)速功能。

663型振蕩監(jiān)測(cè)器擁有兩個(gè)分開(kāi)調(diào)節(jié)的極限值和各自所屬的延遲時(shí)間繼電器輸出端子。當(dāng)振蕩超過(guò)極限值時(shí)相應(yīng)的延遲時(shí)間繼電器打開(kāi)，當(dāng)不超過(guò)極限值后繼電器自動(dòng)關(guān)閉。離心機(jī)處于填料過(guò)程：離心機(jī)振蕩和延遲時(shí)間達(dá)到LM1設(shè)定極限時(shí)，繼電器1打開(kāi)，離心機(jī)維持現(xiàn)有轉(zhuǎn)速、關(guān)閉填料閥門；離心機(jī)振蕩和延遲時(shí)間達(dá)到LM2設(shè)定極限時(shí)，繼電器2打開(kāi)，離心機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢下降直至繼電器2自動(dòng)閉合。離心機(jī)處于初步甩干或離心過(guò)程：離心機(jī)振蕩和延遲時(shí)間達(dá)到LM1設(shè)定極限時(shí)，繼電器1打開(kāi)，離心機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢下降直至繼電器1自動(dòng)閉合；離心機(jī)振蕩和延遲時(shí)間達(dá)到LM2設(shè)定極限時(shí)，繼電器2打開(kāi)，離心機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降直至繼電器2自動(dòng)閉合。離心機(jī)處于卸料過(guò)程：離心機(jī)振蕩和延遲時(shí)間達(dá)到LM1設(shè)定極限時(shí)，繼電器1打開(kāi)，離心機(jī)繼續(xù)卸料，當(dāng)達(dá)到LM2設(shè)定極限時(shí)，繼電器2打開(kāi)，離心機(jī)卸料器回到初始位置且轉(zhuǎn)速緩慢下降。離心機(jī)處于洗滌濾餅或清洗離心鼓過(guò)程：離心機(jī)振蕩和延遲時(shí)間達(dá)到LM1設(shè)定極限時(shí)，繼電器1打開(kāi)，離心機(jī)繼續(xù)工作，當(dāng)達(dá)到LM2設(shè)定極限時(shí)，繼電器2打開(kāi)，離心機(jī)關(guān)閉所有閥門且轉(zhuǎn)速緩慢下降。

4 填充檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用

離心機(jī)在填料過(guò)程中，如果填料量過(guò)小會(huì)降低設(shè)備使用效率；如果填料量過(guò)大會(huì)影響離心質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至造成離心鼓驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)荷過(guò)高，發(fā)生保護(hù)停機(jī)，導(dǎo)致未脫水的物料流入固體下料口。

立式刮刀離心機(jī)填料控制系統(tǒng)選用的是氣動(dòng)離心機(jī)填料控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地向系統(tǒng)傳輸填料量的最大值和最小值信號(hào)，正確反映離心鼓內(nèi)物料的重量，并通過(guò)PLC優(yōu)化填料量。

通常，易過(guò)濾的物料可以按圖3的曲線1進(jìn)行多次填料，當(dāng)離心鼓內(nèi)物料達(dá)到最大值時(shí)，填料閥門關(guān)閉，母液在離心力的作用下被排出離心鼓，當(dāng)離心鼓內(nèi)重量在認(rèn)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最小值時(shí)，填料閥門自動(dòng)開(kāi)啟，直到認(rèn)定的時(shí)間內(nèi)物料重量沒(méi)有達(dá)到最小值，或整個(gè)填料步驟超過(guò)認(rèn)定的最大填料時(shí)間后開(kāi)始進(jìn)入下一個(gè)工作周期。對(duì)于難過(guò)濾的物料可以按圖3的曲線2進(jìn)行一次填料。

圖3 離心機(jī)填料曲線

5 溫度檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用

溫度檢測(cè)技術(shù)發(fā)展相對(duì)較早，與其他傳感技術(shù)相比要更加成熟，應(yīng)用也更加廣泛。目前，溫度傳感器主要有4種類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測(cè)器和IC溫度傳感器，其中IC溫度傳感器包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。目前，國(guó)內(nèi)外該行業(yè)的研究方向是實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)和特殊條件下的溫度測(cè)量，同時(shí)，還要不斷探索新的溫度測(cè)量方法，改進(jìn)原有測(cè)量技術(shù)，以滿足各種條件下的溫度測(cè)量需求[6]。

立式刮刀離心機(jī)的離心鼓為豎直轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸上下端各有一個(gè)軸承與離心機(jī)的設(shè)備本體連接，導(dǎo)致軸承溫度在外界不易測(cè)量。為保證軸承安全可靠的運(yùn)行，需要在設(shè)備運(yùn)行中檢測(cè)兩個(gè)軸承的實(shí)時(shí)溫度。

離心機(jī)卸料器的運(yùn)動(dòng)和機(jī)蓋的開(kāi)關(guān)依靠液壓系統(tǒng)完成。離心機(jī)在連續(xù)運(yùn)行期間，液壓系統(tǒng)工作頻率很高，液壓站內(nèi)液壓油溫升很快，因此需要在液壓站對(duì)液壓油溫度進(jìn)行檢測(cè)。

立式刮刀離心機(jī)溫度變送器采用的是熱電偶，它可以將溫度(-60～200℃)轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號(hào)輸出至PLC，再經(jīng)由Profibus傳送至現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)軸承和液壓站溫度的顯示。

PLC設(shè)定了警告和報(bào)警兩個(gè)報(bào)警值。離心機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中如果兩個(gè)軸承其中一個(gè)的溫度高于警告設(shè)定值但低于報(bào)警值，則：當(dāng)離心機(jī)處于填料過(guò)程時(shí)，離心機(jī)維持現(xiàn)有轉(zhuǎn)速不變，關(guān)閉填料閥；當(dāng)離心機(jī)處于初步甩干或離心過(guò)程時(shí)，離心機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降；當(dāng)離心機(jī)處于卸料過(guò)程時(shí)，離心機(jī)卸料器回到初始位置，轉(zhuǎn)速緩慢下降；當(dāng)離心機(jī)處于洗滌濾餅或清洗離心鼓過(guò)程時(shí)，離心機(jī)關(guān)閉所有閥門，轉(zhuǎn)速緩慢下降。當(dāng)溫度高于報(bào)警值時(shí)，離心機(jī)無(wú)論處于什么工作狀態(tài)均立即停機(jī)。

PLC設(shè)定了報(bào)警值。當(dāng)液壓站溫度高于設(shè)定值時(shí)，液壓系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

6 位置檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用

接近開(kāi)關(guān)是一種無(wú)需與運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行機(jī)械直接接觸而可以操作的位置開(kāi)關(guān)，當(dāng)物體接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)面到動(dòng)作距離時(shí)，不需要機(jī)械接觸與施加任何壓力即可使開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而驅(qū)動(dòng)直流電器或給計(jì)算機(jī)裝置提供控制指令。接近開(kāi)關(guān)是開(kāi)關(guān)型傳感器，既有行程開(kāi)關(guān)、微動(dòng)開(kāi)關(guān)的特性，也有傳感性能，且動(dòng)作可靠、性能穩(wěn)定、頻率響應(yīng)快、使用壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)，并具有防水、防震及耐腐蝕等特點(diǎn)[7]。目前，國(guó)內(nèi)外的研究方向是提高其定位精度、操作頻率、安裝調(diào)整的方便性及對(duì)惡劣環(huán)境的適用能力等。

位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)是立式刮刀離心機(jī)卸料器原位、工作位、頂位、底位和機(jī)蓋關(guān)閉位置的重要傳感器。檢測(cè)開(kāi)關(guān)選用NCB4-12GM40-N0-V1接近式感應(yīng)開(kāi)關(guān)，其感應(yīng)距離4mm。

6.1 卸料器工作狀態(tài)位和機(jī)蓋開(kāi)/合位顯示

接近傳感器由高頻振蕩、檢波、放大、觸發(fā)及輸出電路等組成。振蕩器傳感器檢測(cè)面產(chǎn)生一個(gè)交變電磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體接近傳感器檢測(cè)面時(shí)，金屬中產(chǎn)生的渦流會(huì)吸收振蕩器能量，使振蕩減弱停振。振蕩器振蕩和停振這兩種狀態(tài)可以轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)整形放大后可轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制開(kāi)關(guān)信號(hào)，經(jīng)功率放大后輸出給PLC數(shù)字量輸入模塊。信號(hào)經(jīng)Profibus傳送至現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面后，即可實(shí)現(xiàn)卸料器狀態(tài)位和機(jī)蓋開(kāi)/合位的顯示。

6.2 設(shè)備啟/停、卸料器工作和機(jī)蓋開(kāi)/合控制

立式刮刀離心機(jī)卸料器的工作過(guò)程為：初始位置(原位+頂位)→工作位置(工作位+頂位)→卸料完成位置(工作位+底位)→工作位置(工作位+頂位)→初始位置(原位+頂位)。整個(gè)周期中，液壓站液壓泵持續(xù)工作，根據(jù)卸料器位置切換液壓站上的電磁閥。如果任何一個(gè)接近開(kāi)關(guān)故障，則設(shè)備無(wú)法進(jìn)行下一步工序。另外，卸料器位置與設(shè)備啟/停和機(jī)蓋位置形成聯(lián)鎖，即卸料器不在初始位置(原位+頂位)時(shí)，離心機(jī)禁止啟動(dòng)(防止物料通過(guò)進(jìn)料管道噴到卸料器液壓缸上)、機(jī)蓋在關(guān)閉位置禁止開(kāi)/合(防止卸料器與離心鼓碰撞)。在機(jī)蓋開(kāi)啟后，卸料器可任意改變狀態(tài)位置。

7 結(jié)束語(yǔ)

傳感技術(shù)在立式刮刀離心機(jī)控制系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，不僅提高了設(shè)備的自動(dòng)化程度、使用效率，滿足了最高的安全標(biāo)準(zhǔn)，還確保了操作人員、生產(chǎn)環(huán)境、設(shè)備和產(chǎn)品的安全。筆者通過(guò)分析立式刮刀離心機(jī)自控系統(tǒng)中各類傳感器的工作原理、使用情況與應(yīng)用效果，為我國(guó)自動(dòng)化設(shè)備在傳感器選型和應(yīng)用方面提供一定的參考。

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SensingTechnologyApplicationinAuto-controlSystemofVerticalScrapingCentrifuges

NIE Ju-feng

(ChemicalCorporation,JinduichengMolybdenumCo.,Ltd.)

TH237+.5

B

1000-3932(2017)08-0767-05

2017-03-09，

2017-03-31)

聶巨峰(1983-)，工程師，從事工廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)各種儀器儀表的管理工作，niejufeng@126.com。