隔膜泵测控系统的改进与应用

2019-03-22张世宣于代林徐绍良

有色冶金设计与研究 2019年1期

张世宣，于代林，徐绍良

（鞍钢集团矿业有限公司能源动力分公司，辽宁鞍山114046）

某选矿厂于1994年引进了2台美国WILSONSNYDER公司的隔膜泵，2台设备从1996年正式使用至今，已连续运行20多年。隔膜泵是矿浆输送生产流程中的核心设备，其检测控制部分存在着电控模式落后，测控元器件老化的现象，仅能将电气信号送入老式PLC，实现简单的联锁控制，没有实时监控画面、工艺参数监测、历史数据储存等功能，也不具备数据通讯功能；没有专用的独立隔膜测控装置，只能简单地靠电磁阀控制隔膜行程位置，不具备精确检测隔膜位置能力；缺乏管道矿浆输送工艺关键参数采集，无法对矿浆管道输送的流量、压力实现闭环调节控制；系统的冲洗泵、润滑泵、推进液泵等辅助设备，采取分散就地手动操作，没有与控制系统融入。岗位人员操作繁琐，控制不及时，不利于快速的维护检修，具有一定的安全生产隐患。

针对以上问题，通过对隔膜泵的生产工艺、测控方式的研究分析，对现有测控系统进行升级改造。通过增设关键测控点和专用装置，设计隔膜泵通用典型测控模块，找出隔膜泵最优化控制策略，并对现场感知终端进行适当的智能化升级，达到提高控制效果、优化生产工艺指标、提高经济效益的目的。

1 隔膜泵测控系统总体设计

1.1 对原隔膜泵PLC系统进行升级

根据对现有网络硬件及通讯线路的研究分析，以及考虑到降低施工成本，减轻施工对正常生产的影响，在充分利用隔膜泵PLC系统现有电控设备、控制器及线路的基础之上，进行改造升级。其具体改造如下：将原有的SLC 500 CPU升级为新型号的AB新型L35E CPU。由于两组型号的PLC属于同一系列，所以只需简单改动程序的硬件组态，即可延用部分原有程序。另外，AB新型的CPU集成以太网接口，可以更方便地将1#隔膜泵和2#隔膜泵接入通讯网络，利用以太网通讯电缆采用10 M/100 M的工业以太网技术进行联接。将1#、2#隔膜泵PLC CPU通讯接口连接，通过上位机或者触摸屏的以太网通讯接口，将计算机与PLC CPU进行物理连接，利用通讯接口软件建立软件通讯，组态软件读取CPU中具体数据，实现对1#、2#隔膜泵的运行艺参数检测、控制、操作和显示。改造后的隔膜泵PLC系统软件构成原理，如图1所示。

图1 改造后的隔膜泵PLC系统软件构成原理

1.2 隔膜泵测控系统功能设计

对AB新型L35E CPU进行控制程序升级及整体硬件组态和软件设计，通过对输送管道矿浆的压力、流量、浓度、温度以及搅拌槽液位、隔膜泵变频器输出频率、辅助设备（冲洗泵、润滑泵、推进液泵）等参数检测，与新开发的“专用隔膜泵隔膜测控单元”重新组成“隔膜泵测控系统”。隔膜泵测控系统与隔膜泵本体的仪表、传感器、电器元器件等连接，对其参数信息进行采集，按工艺逻辑要求实施控制；系统与隔膜泵驱动电机的高压变频器进行DP总线通讯连接，按系统工艺控制过程要求，在确保管道内矿浆浓度、流量、压力在设计范围内，进行准确的变频器频率输出，保证管道矿浆正常输出；专用隔膜泵隔膜测控单元，能够独立进行隔膜泵隔膜位置检测和控制，并与隔膜泵测控系统通过以太网进行通讯，实时传输隔膜位置信息。隔膜泵测控系统构成，如图2所示。

该系统主要功能如下：急停；现场操作权限选择；启动/停止冲洗泵；启动/停止润滑泵；启动/停止推进液泵；启动/停止主泵电机；冲洗泵运行/故障指示；润滑泵运行/故障指示；推进液泵运行/故障指示；主泵电机速度控制/故障指示；工作压力高故障指示；空气压力低故障指示；各隔膜室的初始自动补油选择；各隔膜室补排油指示；各隔膜室补排油故障指示；主电机电流/频率显示；隔膜泵隔膜位置测控；矿浆管道压力显示及控制；矿浆管道流量显示及控制；矿浆管道浓度显示及控制；矿浆管道温度显示；矿浆搅拌桶液位显示及控制；搅拌槽补加水泵变频器频率显示及控制等。

图2 隔膜泵测控系统构成

2 改进方法

2.1 隔膜泵总体结构构成

隔膜泵总体结构构成，如图3所示。

图3 隔膜泵内部结构

1）传动系统。其主要包含动力端、液力端、液压辅助系统、电气控制系统。

2）动力端。主动轴偏心轮与被动轴轴承支撑定位。人字齿轮及连杆、连杆与十字头通过销轴连接，十字头与介杆、介杆与活塞杆通过螺纹连接，螺母锁固。

3）液力端。通过缸双作用往复式隔膜泵的液力端中有2个活塞缸，每个活塞缸由缸体、缸套、活塞与活塞杆等组成。活塞杆与动力端中通过介杆连接，并通过介杆与十字头连动。缸体两端上方的进、出油口与隔膜室连接，隔膜室的进、出料口分别与进、出料阀箱连接。进料管将各进料阀连接在一起，出料管将各出料阀连接在一起。在出料管上方装有出料压力补偿器，料浆经过补偿器压力平衡后排出。

4）隔膜室。隔膜室由隔膜腔体、隔膜室盖、橡胶隔膜、隔膜行程检测装置等组成。隔膜腔中有料浆流动通道和推进液流动通道。料浆流动通道有2个开孔，底部进料口连接进料阀箱，顶部出料口连接出料阀箱。在隔膜腔中装有1个橡胶隔膜把推进液油与矿浆分隔开，避免了推进液油与料浆的混合，保证了活塞缸内的运动部件在清洁的油液中工作，从而提高了使用寿命。

5）活塞缸。活塞缸由活塞杆、活塞缸套、活塞杆密封以及活塞缸盖、活塞锁紧等结构组成。

6）液压辅助系统。其主要包含润滑系统、冲洗系统、控制仪表、推进液系统、超压保护系统。

7）控制系统。其控制项目主要为橡胶隔膜位置控制、最高工作压力控制、补油系统压力控制，油泵电机、冲洗液泵电机、润滑油泵电机、主电机等。以上控制项目由PLC来实现，并完成各控制系统间联锁功能。

2.2 隔膜泵驱动装置改进

1994年引进美国WILSON-SNYDER公司的隔膜泵，配套了SIEMENS 6SC87系列1 000 HP变频器和1 000 HP电动机作为隔膜泵动力驱动。由于其变频器采用恒V/F控制，变频系统动态响应较慢，无法快速抑制负载的波动导致的变频器电流的波动，电流调节器经常超调。另外，电动机特性较硬（994 r/min），经常出现直流母线高电压，变频器保护跳闸现象。为了解决以上问题，变频器控制更换为6SE7041系列，同时增设DP通讯，将变恒V/F控制方式改为矢量控制方式，满足了隔膜泵驱动装置地有效控制。

2.3 矿浆输出管道矿浆浓度控制

精矿输送首先是通过精矿浓密机进行浓缩后，再输送到搅拌槽内，搅拌槽内矿浆通过喂料泵输送到储矿槽后，自流给到主泵站隔膜泵系统，再由隔膜泵把矿浆通过管道输送到22 km的过滤车间进行下一道工序处理。矿浆输送管道安装了进口同位素浓度检测仪表，能够准确测量管道内矿浆浓度，把浓度信号引入PLC系统，通过补加水系统（两级串联变频泵）对搅拌桶内的矿浆进行浓度控制。

2.4 隔膜泵矿浆输送管道流量、压力控制

采用电磁流量计测量管道输送矿浆流量（首尾两端），通过设定流量参数，利用变频器，由可编程程序控制器计算出给定频率，实现对流量的闭环控制。由于规定管道输送压力不能超限（稳定在一定范围内），通过压力变送器检测信号、变频器频率信号及控制器实现压力控制。由于压力控制与流量控制存在关联，在实施过程中可采用串级调节方式，以压力为主调、流量为辅调。通过管道矿浆流量检测（首尾两端），可判断管道是否泄漏；通过浓度、流量检测值可计算出输出的干矿量。

2.5 隔膜位置检测与逻辑控制

隔膜泵隔膜位置检测原理，如图4所示。

图4 隔膜泵隔膜位置检测原理

设定：排油传感器检测到的信号为1，没有检测的信号为0；补油传感器检测到信号为1，没有检测的信号为0。

1）隔膜正常位置：排油传感器信号为0，补油传感器信号为1。此时隔膜的位置表示液压系统没有进行冲油（隔膜补油）和回油（隔膜排油）进程，就是初始位置，表明隔膜没有工作。

2）隔膜位置向左移动：排油传感器信号为1，补油传感器信号为1。此时，隔膜已经工作，液压系统开始冲油（隔膜补油），液压油推动隔膜向左移动，隔膜带动导磁杆整体向左移动，直到排油传感器信号由0变为1（磁条达到排油传感器位置），此时补油传感器没有脱离磁条，其检测信号仍为1。

3）隔膜位置向左移动过进：排油传感器信号为1，补油传感器信号为0。当补油和排油传感器信号都为1时，隔膜继续向左移动，使排油传感器信号不变，仍为1，补油传感器信号则由1变为为0。此时，称为隔膜位置左移过进，隔膜腔内液压油必须排到液压系统的液压箱内。

4）隔膜位置向右移动到限：排油传感器信号为0，补油传感器信号为0。当隔膜腔的液压油排到一定程度时，隔膜腔油压小于隔膜左侧矿浆压力，则隔膜向右侧移动，隔膜带动导磁杆向右运行，当排油传感器信号由1变为0、补油传感器信号由1变为0，则隔膜右移到限，需要补油进程。

2.6 增设隔膜运行位置的间接判断方法

增设隔膜油腔和矿浆腔的压力检测变送器（矿浆端为法兰式），压力范围在0～3 MPa；增设隔膜油腔补、排油（1个管路）流量检测装置。由于主泵矿浆系统在进入隔膜腔前设有稳压装置，矿浆排出也设有稳压装置，所以矿浆系统压力基本保持稳定（矿浆稳压装置前端是搅拌桶自流和喂料泵补充，压力保持在0.7 MPa），液压系统的每个隔膜装置内油压保持稳定在一定的范围内（2～3 MPa）。由于隔膜的工作过程依靠其腔内液压油增补和减少实现，所以通过液压系统就能控制隔膜运行在有效行程内。通过对隔膜初始位置以及向左、向右的197 mm移动轨迹和极限检测（隔膜位置检测与控制逻辑），能够确定每个位置的油压及补、排油油量。经过反复试验，积累了大量隔膜移动位置的油压、油量数据，从而实现了利用油压、油流参数间接判断隔膜运行位置。

通过增设了1种隔膜检测、控制的方法，并把这种方法与原检测、控制方法一起综合应用，减少了因检测元器件失效造成隔膜损坏等故障的发生次数。

2.7 增设连续信号输出的位置传感器

在导磁杆内，嵌入1种高精度位移传感器。传感器通过密封的耐压、耐腐、耐高温专用插接连接器和导线，连接到原补油探头附近的专用密封插接连接器上，再通过线缆连到隔膜泵PLC系统。通过位置传感器的4～20 mA信号所对应200 mm隔膜移动轨迹的各个位置，4 mA对应隔膜右限位置，12 mA对应隔膜初始位置，20 mA对应隔膜左限位置。隔膜位置示意及隔膜位移检测原理，如图5～图6所示。