丁建國，陳崔龍，劉呈啟，朱碧肖

(1.合肥通用機械研究院有限公司，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，翻袋式自動卸料離心機(以下簡稱“翻袋離心機”)問世[1-3]。翻袋離心機是一種通過將裝有濾餅的濾袋翻開進(jìn)行固體卸料的新型過濾式離心機，屬于分離機械范疇[4]。該設(shè)備具有獨特設(shè)計的翻袋機構(gòu)，能夠克服傳統(tǒng)立式或臥式離心機刮刀破壞物料晶型、存在殘余濾餅以及機械接觸帶來的安全隱患等問題[5-7]。陳崔龍等[8]設(shè)計開發(fā)的機械傳動雙軸系新型翻袋離心機，改變了傳統(tǒng)液壓驅(qū)動翻袋機構(gòu)存在的可靠性低、液壓管路易疲勞失效的問題。設(shè)備翻袋以及復(fù)位動作的實現(xiàn)需內(nèi)外軸系的協(xié)同工作，其穩(wěn)定、可靠運行主要依賴于自動控制系統(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，翻袋離心機將傳統(tǒng)的臥式離心機回轉(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)軸系可在螺紋副機械裝置的作用下沿軸向運動：前進(jìn)時，翻出過濾袋，實現(xiàn)卸料；后退時，收回過濾袋，實現(xiàn)復(fù)位。翻袋離心機工作原理如圖1所示。

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

翻袋離心機控制系統(tǒng)如圖2所示。

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

控制系統(tǒng)包括PLC、主副電機及配套變頻器、溫度傳感器、振動傳感器、稱重傳感器、流量傳感器、速度傳感器、觸摸屏、遠(yuǎn)程計算機、擴展模塊、控制閥門等。其中，西門子S7-200 PLC是控制系統(tǒng)的核心。它一方面對現(xiàn)場信號進(jìn)行采集、運算處理與分析，實現(xiàn)對主、副電機及相應(yīng)閥門的控制[9]；另一方面，通過以太網(wǎng)與現(xiàn)場的觸摸屏及遠(yuǎn)程計算機進(jìn)行實時通信，以提供良好的人機交互窗口和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

以常用規(guī)格型號FWZ600型翻袋離心機為例，對控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作以下詳細(xì)說明。①PLC：西門子S7-200 Smart。②主電機：YB225S-4，37 kW，南陽防爆電機。③副電機：YB180L-4，7.5 kW，南陽防爆電機。④主電機變頻器：37 kW，丹佛斯。⑤副電機變頻器：7.5 kW，丹佛斯。⑥溫度傳感器：PT100，安徽天康。⑦振動傳感器：VT9285，沈陽振科。⑧稱重傳感器：SBT-1X，梅泰勒托利多。⑨接近開關(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。

翻袋離心機的核心是翻袋動作的實現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)通過變頻器控制主、副電機轉(zhuǎn)速，并利用轉(zhuǎn)速傳感器實時檢測主、副電機實際轉(zhuǎn)速V1、V2，進(jìn)而對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速運行；利用主副電機的相對轉(zhuǎn)速差，通過絲桿螺紋副，實現(xiàn)推盤機構(gòu)的前進(jìn)或后退，即翻袋或復(fù)位。主副電機的轉(zhuǎn)速通過變頻器實時控制。V1、V2通過轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行測量。翻袋或復(fù)位對應(yīng)的位置信號S1、S2、S3、S4由位置傳感器感應(yīng)測量。當(dāng)推盤機構(gòu)推出到位或復(fù)位到位時，副電機停止運轉(zhuǎn)，即停止推盤機構(gòu)的伸縮。

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

翻袋離心機的主軸屬于臥式、懸臂結(jié)構(gòu)。主軸承在運行中承載較大，且受物料沖擊。對此，采用溫度傳感器測得主軸前后兩個軸承的溫度T1、T2。主軸承溫度報警值應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)：主軸承溫升不超過45 ℃；軸承溫度不超過80 ℃。當(dāng)溫度超過設(shè)定值時，系統(tǒng)報警并自動停機。過大的機械振動與動載荷不僅會嚴(yán)重影響翻袋離心機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，在振動較大處設(shè)置振動傳感器，實時監(jiān)測振動速率Vi。當(dāng)振動速率大于設(shè)定值時，為保證安全，系統(tǒng)報警并自動停機。設(shè)定的參數(shù)為振動報警值應(yīng)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值；空載運轉(zhuǎn)時振動速度不大于4.5 mm/s；負(fù)載運轉(zhuǎn)時振動速度不大于11.2 mm/s。

為保證兩批物料無交叉，需對翻袋離心機進(jìn)行無死角清洗，以達(dá)到良好生產(chǎn)規(guī)范(good manufacturing practice，GMP)要求。翻袋離心機的清洗方式為浸泡清洗和噴淋球在線清洗，清洗徹底，無殘留。在設(shè)備上設(shè)置液位傳感器測量清洗液液位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)備自動開啟出液閥，排出清洗液。

2 翻袋動作的控制

翻袋離心機通過控制主副電機的轉(zhuǎn)速，使得內(nèi)外軸系產(chǎn)生相對運動，進(jìn)而實現(xiàn)翻袋式卸料動作。內(nèi)軸系驅(qū)動原理如圖3所示。

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

當(dāng)設(shè)備處于進(jìn)料、過濾階段時，內(nèi)、外推盤與轉(zhuǎn)鼓形成封閉腔體，使物料進(jìn)入并且升速過濾、脫水。此時:主電機驅(qū)動轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)；滑動螺母帶動絲桿作同步旋轉(zhuǎn)；副電機被動旋轉(zhuǎn)。當(dāng)設(shè)備處于卸料階段時：轉(zhuǎn)鼓降速到卸料轉(zhuǎn)速；副電機啟動并轉(zhuǎn)速超過轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速；絲桿轉(zhuǎn)速大于滑動螺母轉(zhuǎn)速。這就導(dǎo)致滑動螺母開始向左滑動，帶動推桿、內(nèi)外推盤同步向左運動，使濾袋慢慢翻轉(zhuǎn)、推出，從而卸除濾餅。當(dāng)滑動螺母滑動到位時，副電機停止運轉(zhuǎn)，則滑動螺母帶動絲桿作同步旋轉(zhuǎn)?；瑒勇菽赶蛴一瑒?，使內(nèi)、外推盤同步向右運動，直至關(guān)閉，完成復(fù)位，進(jìn)入下一個循環(huán)。

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

翻袋動作時的PID控制原理如圖4所示。

圖4 翻袋動作時的PID控制原理圖Fig.4 PID control principle diagram of turning bag

通過調(diào)整主電機轉(zhuǎn)速n主，達(dá)到穩(wěn)定主、副電機速度差的目的。

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

翻袋完成后，復(fù)位動作時的PID控制原理如圖5所示。

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

復(fù)位動作是通過調(diào)整副電機轉(zhuǎn)速n副，達(dá)到穩(wěn)定主、副電機速度差的目的。

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

翻袋動作過程中，因為物料波動，會造成進(jìn)料差異。但進(jìn)料量較多時，有可能使翻袋動作出現(xiàn)卡阻，使副電機負(fù)載過大，產(chǎn)生停機、濾袋破損等狀況。本智能控制系統(tǒng)設(shè)計中，通過位置傳感器信號、主副電機轉(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，自動快速復(fù)位并再次翻袋，較好地解決了翻袋卡阻現(xiàn)象。通過應(yīng)用數(shù)據(jù)整理分析，由卡阻導(dǎo)致的停機率基本降至1%以下。

3 控制軟件的設(shè)計

翻袋離心機智能控制系統(tǒng)的程序采用S7-MicroWin Smart軟件編寫，可實現(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：實現(xiàn)PLC與人機界面、傳感器、執(zhí)行器、遠(yuǎn)程計算機之間的通信。③參數(shù)設(shè)置：通過人機界面對運行工序與參數(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得的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析、處理。⑤控制程序：可實現(xiàn)點動控制、自動控制之間任意切換，方便用戶對設(shè)備的控制與操作。⑥監(jiān)控與報警：實時顯示設(shè)備運行狀態(tài)；當(dāng)振動、軸承溫度、電流等超過設(shè)定報警值時，為保證設(shè)備安全，報警并自動停機。

控制程序中的點動控制和自動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，點動控制便于尋找最佳工況以及處理特殊工況。當(dāng)設(shè)備最佳運行參數(shù)確定后，自動控制模式更加簡單、方便。用戶可在人機界面中進(jìn)行手動操作，完成氮氣置換、進(jìn)料、脫水、洗滌、卸料、清洗等操作，但用戶無法更改設(shè)備安全防護(hù)以及連鎖程序。對于用戶對設(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行條件。如不滿足，系統(tǒng)將無任何操作，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)位時誤點進(jìn)料啟動按鈕，設(shè)備將無任何操作。自動控制時，用戶需先在人機界面參數(shù)設(shè)置界面設(shè)置運行工序以及操作參數(shù)，開啟自動運行模式，使設(shè)備自動完成全流程工作并循環(huán)操作。當(dāng)需要停止運行時，用戶按下停機按鈕，使設(shè)備自動走完剩下全部流程并停機。當(dāng)濾布需要再生時，可按下濾布再生鍵。此時，固體出料閥、出液閥以及進(jìn)料閥自動關(guān)閉，底部清洗液進(jìn)液閥自動開啟，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，PLC接收到液位傳感器信號，關(guān)閉清洗液進(jìn)液閥，推出濾袋，并低速運轉(zhuǎn)，對濾布進(jìn)行浸泡再生。濾布再生完成后，底部出液閥開啟，使濾袋復(fù)位，完成濾布清洗與再生。

4 翻袋離心機在硝化棉上的應(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，閃點為4.4 ℃。干燥的硝化棉易自燃，在儲存的過程中需增入水、酒精等液體來抑制其危險性。在硝化棉民用生產(chǎn)過程中多次發(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)安全性也越來越受到企業(yè)關(guān)注[9-13]。企業(yè)采用翻袋離心機替換傳統(tǒng)的刮刀下卸料離心機用于硝化棉的固液分離，以提高安全性。本文采用全自動遠(yuǎn)程控制的方式，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場無人化工作。采用FWZ600型號翻袋離心機進(jìn)行硝化棉的脫水與洗滌。

翻袋離心機工作流程如圖6所示。

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

圖6中：i為實際洗滌次數(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)入翻袋離心機中。進(jìn)料時，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，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,運行60 s。卸料階段：主電機降速至300 r/min后，副電機啟動，進(jìn)行翻袋動作；濾餅隨之脫離濾袋進(jìn)入固體收集倉，濾餅約20 kg，濾袋隨之復(fù)位。經(jīng)上述過程后，得到濾餅含水率為5%,達(dá)到工藝要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種機械傳動雙軸系翻袋離心機的自動控制系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于硝化棉的脫水過濾工作?？刂葡到y(tǒng)運行穩(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)，實現(xiàn)翻袋與復(fù)位動作的穩(wěn)定性與設(shè)備的安全性；采用友好的人機界面以及控制邏輯，實現(xiàn)一鍵啟動、一鍵停機、一鍵濾布再生等功能，便于客戶的操作。該設(shè)計有利于翻袋離心機的推廣與應(yīng)用。