传感技术在立式刮刀离心机自控系统中的应用①

2017-11-01聂巨峰

化工自动化及仪表 2017年8期

关键词：刮刀滤饼离心机

聂巨峰

(金堆城钼业股份有限公司化学分公司)

传感技术在立式刮刀离心机自控系统中的应用①

聂巨峰

(金堆城钼业股份有限公司化学分公司)

为实现立式刮刀离心机自控系统的全自动化，在系统中采用了转速、振荡、填充、温度和位置检测传感技术。介绍了这些传感技术的工作原理、使用情况与应用效果。

立式刮刀离心机传感技术自控系统工作流程

传感器是一种检测装置，能够将被测量信息按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息传输、处理、存储、显示、记录及控制等要求，具有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化及网络化等特点[1]。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，目前已广泛应用于科技、工农业生产、航天、航空及国防等领域中。

传感技术在离心机自控系统中具有非常重要的作用，传感技术的先进程度直接影响离心机自动控制的先进程度。为此，笔者对离心机上所使用的各类传感器的工作原理、使用情况与应用效果进行分析说明。

1 立式刮刀离心机工作流程

立式刮刀离心机工作流程如图1所示。

图1 离心机工作流程

离心机启动时，离心鼓加速到预设定的填料速度并开始填料，物料附着在离心鼓内壁上，通过填充检测可以进行多次填料以达到最佳填料量。填料后离心鼓转速升至初步甩干转速，完成填料和初步甩干步骤。

当母液被甩离滤饼后进行滤饼洗涤。洗涤液送入离心鼓被打散后在滤饼上形成均匀的液膜，在离心力的作用下，洗涤液通过滤饼被排出离心鼓，完成洗涤[2]。

离心鼓加速到预定的高速旋转速度后，悬浮液在离心鼓的带动下克服重力加速甩去水分，脱水后悬浮液中的固体部分保留在筛网内部。

当滤饼的水分达到要求后，离心鼓减速。当达到预定的卸料速度时，刮刀缓慢进入并下降，将固体部分由顶部到底部刮掉。整个工作循环结束。

在每个工作循环结束后，离心鼓内层会残留一些固体，因此在运转预设循环后对离心鼓进行一次清洗。清洗离心鼓时，离心鼓加速至预设速度，打开清洗离心鼓液阀门清洗离心鼓。

2 转速检测技术与应用

转速是描述各种旋转机械运转技术性能的一个重要参量。转速表依据测量范式可分为接触式和非接触式两大类，依据工作原理和采样方式可分为机械式、光电式、激光式、频闪式及磁电式等。目前，纯机械式转速表已逐渐被电子计数式转速表所取代。近年来，我国转速计量技术得到了巨大发展，研制出了高精度转速计量标准装置并制定了一系列转速检定规程[3]。

早期使用的离心机没有转速检测装置，操作人员仅根据经验判断离心机转鼓转速。这种靠经验估计转速的方法存在弊端和安全隐患，如填料时如果转速低于可使物料离心力克服重力的转速时，物料会流入滤饼下料口。

转速检测技术主要应用于离心机离心鼓的转速检测。在离心机所有工作环节中，离心鼓转速起着非常重要的作用。

2.1 转速显示

KFD2-UFC-1.D频率转换器是一个显示和监控频率信号的仪表。该仪表通过安装在离心鼓下方的四线制接近开关获得脉冲信号，然后将脉冲信号转换为直流模拟电压量，再将模拟电压量转换为4～20mA电流信号输出，输出电流与输入脉冲信号频率成正比。信号传输给PLC后，经过Profibus传送至现场人机界面，实现离心机离心鼓转速的直接观察。

2.2 过程控制

由于离心机填料、初步甩干、洗涤滤饼、离心、卸料及清洗离心鼓等过程均是在不同离心鼓转速下完成的，因此在填料过程如果转速控制不合适，会造成未脱水的物料流入固体下料口；在洗涤滤饼过程如果离心机转速过高，则无法保证洗涤液与滤饼接触时间，进而影响洗涤质量；在离心过程，如果转速太低会造成滤饼水分含量过高，转速过高会造成滤饼附着在离心鼓内侧不易排出；在卸料过程，如果转速过高会造成卸料器损坏，转速过低会造成卸料不彻底；在清洗离心鼓过程如果转速控制不合适，会造成清洗离心鼓不彻底。将转速检测信号参与控制后，系统可以准确掌握离心鼓转速，根据转速准确发出填料阀门开/关、洗涤液阀门开/关、稳定离心鼓转速、卸料器工作及清洗离心鼓液阀门开/关等指令。结合物料特性，操作人员可以通过人机界面准确设定离心机填料、离心、卸料及清洗离心鼓等过程的离心鼓转速。图2为离心机离心鼓转速与时间的关系曲线。

图2 离心机离心鼓转速与时间的关系曲线

3 振荡监测技术与应用

工程振动问题一直是现代科学技术和工程实践众多领域中的重要课题之一。据相关数据统计，60%以上的设备故障是由振动引起的，振动与机械的运行状态密切相关。随着生产技术的发展，工业向着大型化、连续化、复杂化、高速化、精细化的方向发展，由此带来的工程振动问题更为突出。1939年，美国首次提出通过测量振动来判断机械运行状态的观点，20世纪60年代工程技术人员开始使用手持式测振仪，70年代中后期开发了实时在线监测系统，到了80年代振动监测系统已全面使用。然而在我国，由于起步较晚，振动传感器的可靠性和精密性还有待提高，产品类型较少，应用也相对较少[4]。

离心机在运转过程中尤其是高速离心阶段，由于物料在离心鼓内侧附着不均匀会发生振荡，振动过大会造成机器和机械部分损坏。为保护机器不受未经允许的强振荡，在离心机上安装了663型振荡监测器，用于测量和监控机器设备上离心鼓轴承振荡，保证离心机的平稳运行。

3.1 设备不平衡度显示

663型振荡监测器采用微电子技术将压敏电阻注入在硅片上，当系统运动应力发生变化时，压敏电阻阻值随之变化，输出加速度信号[5]。对信号进行分析可以得到振动位移，然后经放大器放大并转换为4～20mA电流信号输出。信号传送至PLC后，经过Profibus传送至现场人机界面，即可实现离心机不平衡度的直接观察。

3.2 设备控制

为保证设备在太强振荡时不损坏机械部分，需在设备机械部分增加不平衡预警、主报警和调整设备转速功能。

663型振荡监测器拥有两个分开调节的极限值和各自所属的延迟时间继电器输出端子。当振荡超过极限值时相应的延迟时间继电器打开，当不超过极限值后继电器自动关闭。离心机处于填料过程：离心机振荡和延迟时间达到LM1设定极限时，继电器1打开，离心机维持现有转速、关闭填料阀门；离心机振荡和延迟时间达到LM2设定极限时，继电器2打开，离心机转速缓慢下降直至继电器2自动闭合。离心机处于初步甩干或离心过程：离心机振荡和延迟时间达到LM1设定极限时，继电器1打开，离心机转速缓慢下降直至继电器1自动闭合；离心机振荡和延迟时间达到LM2设定极限时，继电器2打开，离心机转速迅速下降直至继电器2自动闭合。离心机处于卸料过程：离心机振荡和延迟时间达到LM1设定极限时，继电器1打开，离心机继续卸料，当达到LM2设定极限时，继电器2打开，离心机卸料器回到初始位置且转速缓慢下降。离心机处于洗涤滤饼或清洗离心鼓过程：离心机振荡和延迟时间达到LM1设定极限时，继电器1打开，离心机继续工作，当达到LM2设定极限时，继电器2打开，离心机关闭所有阀门且转速缓慢下降。

4 填充检测技术与应用

离心机在填料过程中，如果填料量过小会降低设备使用效率；如果填料量过大会影响离心质量，严重时甚至造成离心鼓驱动电机负荷过高，发生保护停机，导致未脱水的物料流入固体下料口。

立式刮刀离心机填料控制系统选用的是气动离心机填料控制系统，该系统可以准确地向系统传输填料量的最大值和最小值信号，正确反映离心鼓内物料的重量，并通过PLC优化填料量。

通常，易过滤的物料可以按图3的曲线1进行多次填料，当离心鼓内物料达到最大值时，填料阀门关闭，母液在离心力的作用下被排出离心鼓，当离心鼓内重量在认定的时间内达到最小值时，填料阀门自动开启，直到认定的时间内物料重量没有达到最小值，或整个填料步骤超过认定的最大填料时间后开始进入下一个工作周期。对于难过滤的物料可以按图3的曲线2进行一次填料。

图3 离心机填料曲线

5 温度检测技术与应用

温度检测技术发展相对较早，与其他传感技术相比要更加成熟，应用也更加广泛。目前，温度传感器主要有4种类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器和IC温度传感器，其中IC温度传感器包括模拟输出和数字输出两种类型。目前，国内外该行业的研究方向是实际工作现场和特殊条件下的温度测量，同时，还要不断探索新的温度测量方法，改进原有测量技术，以满足各种条件下的温度测量需求[6]。

立式刮刀离心机的离心鼓为竖直转轴，转轴上下端各有一个轴承与离心机的设备本体连接，导致轴承温度在外界不易测量。为保证轴承安全可靠的运行，需要在设备运行中检测两个轴承的实时温度。

离心机卸料器的运动和机盖的开关依靠液压系统完成。离心机在连续运行期间，液压系统工作频率很高，液压站内液压油温升很快，因此需要在液压站对液压油温度进行检测。

立式刮刀离心机温度变送器采用的是热电偶，它可以将温度(-60～200℃)转换成4～20mA电流信号输出至PLC，再经由Profibus传送至现场人机界面，实现轴承和液压站温度的显示。

PLC设定了警告和报警两个报警值。离心机在运行过程中如果两个轴承其中一个的温度高于警告设定值但低于报警值，则：当离心机处于填料过程时，离心机维持现有转速不变，关闭填料阀；当离心机处于初步甩干或离心过程时，离心机转速迅速下降；当离心机处于卸料过程时，离心机卸料器回到初始位置，转速缓慢下降；当离心机处于洗涤滤饼或清洗离心鼓过程时，离心机关闭所有阀门，转速缓慢下降。当温度高于报警值时，离心机无论处于什么工作状态均立即停机。

PLC设定了报警值。当液压站温度高于设定值时，液压系统无法正常工作。

6 位置检测技术与应用

接近开关是一种无需与运动部件进行机械直接接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触与施加任何压力即可使开关动作，从而驱动直流电器或给计算机装置提供控制指令。接近开关是开关型传感器，既有行程开关、微动开关的特性，也有传感性能，且动作可靠、性能稳定、频率响应快、使用寿命长、抗干扰能力强，并具有防水、防震及耐腐蚀等特点[7]。目前，国内外的研究方向是提高其定位精度、操作频率、安装调整的方便性及对恶劣环境的适用能力等。

位置检测开关是立式刮刀离心机卸料器原位、工作位、顶位、底位和机盖关闭位置的重要传感器。检测开关选用NCB4-12GM40-N0-V1接近式感应开关，其感应距离4mm。

6.1 卸料器工作状态位和机盖开/合位显示

接近传感器由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。振荡器传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测面时，金属中产生的涡流会吸收振荡器能量，使振荡减弱停振。振荡器振荡和停振这两种状态可以转换成电信号，经整形放大后可转换成二进制开关信号，经功率放大后输出给PLC数字量输入模块。信号经Profibus传送至现场人机界面后，即可实现卸料器状态位和机盖开/合位的显示。

6.2 设备启/停、卸料器工作和机盖开/合控制

立式刮刀离心机卸料器的工作过程为：初始位置(原位+顶位)→工作位置(工作位+顶位)→卸料完成位置(工作位+底位)→工作位置(工作位+顶位)→初始位置(原位+顶位)。整个周期中，液压站液压泵持续工作，根据卸料器位置切换液压站上的电磁阀。如果任何一个接近开关故障，则设备无法进行下一步工序。另外，卸料器位置与设备启/停和机盖位置形成联锁，即卸料器不在初始位置(原位+顶位)时，离心机禁止启动(防止物料通过进料管道喷到卸料器液压缸上)、机盖在关闭位置禁止开/合(防止卸料器与离心鼓碰撞)。在机盖开启后，卸料器可任意改变状态位置。