傳感技術在立式刮刀離心機自控系統中的應用①

聶巨峰

(金堆城鉬業股份有限公司化學分公司)

傳感技術在立式刮刀離心機自控系統中的應用①

聶巨峰

(金堆城鉬業股份有限公司化學分公司)

為實現立式刮刀離心機自控系統的全自動化，在系統中采用了轉速、振蕩、填充、溫度和位置檢測傳感技術。介紹了這些傳感技術的工作原理、使用情況與應用效果。

立式刮刀離心機 傳感技術 自控系統 工作流程

傳感器是一種檢測裝置，能夠將被測量信息按一定規律變換成電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息傳輸、處理、存儲、顯示、記錄及控制等要求，具有微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化及網絡化等特點[1]。傳感器是實現自動檢測和自動控制的首要環節，目前已廣泛應用于科技、工農業生產、航天、航空及國防等領域中。

傳感技術在離心機自控系統中具有非常重要的作用，傳感技術的先進程度直接影響離心機自動控制的先進程度。為此，筆者對離心機上所使用的各類傳感器的工作原理、使用情況與應用效果進行分析說明。

1 立式刮刀離心機工作流程

立式刮刀離心機工作流程如圖1所示。

圖1 離心機工作流程

離心機啟動時，離心鼓加速到預設定的填料速度并開始填料，物料附著在離心鼓內壁上，通過填充檢測可以進行多次填料以達到最佳填料量。填料后離心鼓轉速升至初步甩干轉速，完成填料和初步甩干步驟。

當母液被甩離濾餅后進行濾餅洗滌。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，洗滌液通過濾餅被排出離心鼓，完成洗滌[2]。

離心鼓加速到預定的高速旋轉速度后，懸浮液在離心鼓的帶動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內部。

當濾餅的水分達到要求后，離心鼓減速。當達到預定的卸料速度時，刮刀緩慢進入并下降，將固體部分由頂部到底部刮掉。整個工作循環結束。

在每個工作循環結束后，離心鼓內層會殘留一些固體，因此在運轉預設循環后對離心鼓進行一次清洗。清洗離心鼓時，離心鼓加速至預設速度，打開清洗離心鼓液閥門清洗離心鼓。

2 轉速檢測技術與應用

轉速是描述各種旋轉機械運轉技術性能的一個重要參量。轉速表依據測量范式可分為接觸式和非接觸式兩大類，依據工作原理和采樣方式可分為機械式、光電式、激光式、頻閃式及磁電式等。目前，純機械式轉速表已逐漸被電子計數式轉速表所取代。近年來，我國轉速計量技術得到了巨大發展，研制出了高精度轉速計量標準裝置并制定了一系列轉速檢定規程[3]。

早期使用的離心機沒有轉速檢測裝置，操作人員僅根據經驗判斷離心機轉鼓轉速。這種靠經驗估計轉速的方法存在弊端和安全隱患，如填料時如果轉速低于可使物料離心力克服重力的轉速時，物料會流入濾餅下料口。

轉速檢測技術主要應用于離心機離心鼓的轉速檢測。在離心機所有工作環節中，離心鼓轉速起著非常重要的作用。

2.1 轉速顯示

KFD2-UFC-1.D頻率轉換器是一個顯示和監控頻率信號的儀表。該儀表通過安裝在離心鼓下方的四線制接近開關獲得脈沖信號，然后將脈沖信號轉換為直流模擬電壓量，再將模擬電壓量轉換為4～20mA電流信號輸出，輸出電流與輸入脈沖信號頻率成正比。信號傳輸給PLC后，經過Profibus傳送至現場人機界面，實現離心機離心鼓轉速的直接觀察。

2.2 過程控制

由于離心機填料、初步甩干、洗滌濾餅、離心、卸料及清洗離心鼓等過程均是在不同離心鼓轉速下完成的，因此在填料過程如果轉速控制不合適，會造成未脫水的物料流入固體下料口；在洗滌濾餅過程如果離心機轉速過高，則無法保證洗滌液與濾餅接觸時間，進而影響洗滌質量；在離心過程，如果轉速太低會造成濾餅水分含量過高，轉速過高會造成濾餅附著在離心鼓內側不易排出；在卸料過程，如果轉速過高會造成卸料器損壞，轉速過低會造成卸料不徹底；在清洗離心鼓過程如果轉速控制不合適，會造成清洗離心鼓不徹底。將轉速檢測信號參與控制后，系統可以準確掌握離心鼓轉速，根據轉速準確發出填料閥門開/關、洗滌液閥門開/關、穩定離心鼓轉速、卸料器工作及清洗離心鼓液閥門開/關等指令。結合物料特性，操作人員可以通過人機界面準確設定離心機填料、離心、卸料及清洗離心鼓等過程的離心鼓轉速。圖2為離心機離心鼓轉速與時間的關系曲線。

圖2 離心機離心鼓轉速與時間的關系曲線

3 振蕩監測技術與應用

工程振動問題一直是現代科學技術和工程實踐眾多領域中的重要課題之一。據相關數據統計，60%以上的設備故障是由振動引起的，振動與機械的運行狀態密切相關。隨著生產技術的發展，工業向著大型化、連續化、復雜化、高速化、精細化的方向發展，由此帶來的工程振動問題更為突出。1939年，美國首次提出通過測量振動來判斷機械運行狀態的觀點，20世紀60年代工程技術人員開始使用手持式測振儀，70年代中后期開發了實時在線監測系統，到了80年代振動監測系統已全面使用。然而在我國，由于起步較晚，振動傳感器的可靠性和精密性還有待提高，產品類型較少，應用也相對較少[4]。

離心機在運轉過程中尤其是高速離心階段，由于物料在離心鼓內側附著不均勻會發生振蕩，振動過大會造成機器和機械部分損壞。為保護機器不受未經允許的強振蕩，在離心機上安裝了663型振蕩監測器，用于測量和監控機器設備上離心鼓軸承振蕩，保證離心機的平穩運行。

3.1 設備不平衡度顯示

663型振蕩監測器采用微電子技術將壓敏電阻注入在硅片上，當系統運動應力發生變化時，壓敏電阻阻值隨之變化，輸出加速度信號[5]。對信號進行分析可以得到振動位移，然后經放大器放大并轉換為4～20mA電流信號輸出。信號傳送至PLC后，經過Profibus傳送至現場人機界面，即可實現離心機不平衡度的直接觀察。

3.2 設備控制

為保證設備在太強振蕩時不損壞機械部分，需在設備機械部分增加不平衡預警、主報警和調整設備轉速功能。

663型振蕩監測器擁有兩個分開調節的極限值和各自所屬的延遲時間繼電器輸出端子。當振蕩超過極限值時相應的延遲時間繼電器打開，當不超過極限值后繼電器自動關閉。離心機處于填料過程：離心機振蕩和延遲時間達到LM1設定極限時，繼電器1打開，離心機維持現有轉速、關閉填料閥門；離心機振蕩和延遲時間達到LM2設定極限時，繼電器2打開，離心機轉速緩慢下降直至繼電器2自動閉合。離心機處于初步甩干或離心過程：離心機振蕩和延遲時間達到LM1設定極限時，繼電器1打開，離心機轉速緩慢下降直至繼電器1自動閉合；離心機振蕩和延遲時間達到LM2設定極限時，繼電器2打開，離心機轉速迅速下降直至繼電器2自動閉合。離心機處于卸料過程：離心機振蕩和延遲時間達到LM1設定極限時，繼電器1打開，離心機繼續卸料，當達到LM2設定極限時，繼電器2打開，離心機卸料器回到初始位置且轉速緩慢下降。離心機處于洗滌濾餅或清洗離心鼓過程：離心機振蕩和延遲時間達到LM1設定極限時，繼電器1打開，離心機繼續工作，當達到LM2設定極限時，繼電器2打開，離心機關閉所有閥門且轉速緩慢下降。

4 填充檢測技術與應用

離心機在填料過程中，如果填料量過小會降低設備使用效率；如果填料量過大會影響離心質量，嚴重時甚至造成離心鼓驅動電機負荷過高，發生保護停機，導致未脫水的物料流入固體下料口。

立式刮刀離心機填料控制系統選用的是氣動離心機填料控制系統，該系統可以準確地向系統傳輸填料量的最大值和最小值信號，正確反映離心鼓內物料的重量，并通過PLC優化填料量。

通常，易過濾的物料可以按圖3的曲線1進行多次填料，當離心鼓內物料達到最大值時，填料閥門關閉，母液在離心力的作用下被排出離心鼓，當離心鼓內重量在認定的時間內達到最小值時，填料閥門自動開啟，直到認定的時間內物料重量沒有達到最小值，或整個填料步驟超過認定的最大填料時間后開始進入下一個工作周期。對于難過濾的物料可以按圖3的曲線2進行一次填料。

圖3 離心機填料曲線

5 溫度檢測技術與應用

溫度檢測技術發展相對較早，與其他傳感技術相比要更加成熟，應用也更加廣泛。目前，溫度傳感器主要有4種類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器和IC溫度傳感器，其中IC溫度傳感器包括模擬輸出和數字輸出兩種類型。目前，國內外該行業的研究方向是實際工作現場和特殊條件下的溫度測量，同時，還要不斷探索新的溫度測量方法，改進原有測量技術，以滿足各種條件下的溫度測量需求[6]。

立式刮刀離心機的離心鼓為豎直轉軸，轉軸上下端各有一個軸承與離心機的設備本體連接，導致軸承溫度在外界不易測量。為保證軸承安全可靠的運行，需要在設備運行中檢測兩個軸承的實時溫度。

離心機卸料器的運動和機蓋的開關依靠液壓系統完成。離心機在連續運行期間，液壓系統工作頻率很高，液壓站內液壓油溫升很快，因此需要在液壓站對液壓油溫度進行檢測。

立式刮刀離心機溫度變送器采用的是熱電偶，它可以將溫度(-60～200℃)轉換成4～20mA電流信號輸出至PLC，再經由Profibus傳送至現場人機界面，實現軸承和液壓站溫度的顯示。

PLC設定了警告和報警兩個報警值。離心機在運行過程中如果兩個軸承其中一個的溫度高于警告設定值但低于報警值，則：當離心機處于填料過程時，離心機維持現有轉速不變，關閉填料閥；當離心機處于初步甩干或離心過程時，離心機轉速迅速下降；當離心機處于卸料過程時，離心機卸料器回到初始位置，轉速緩慢下降；當離心機處于洗滌濾餅或清洗離心鼓過程時，離心機關閉所有閥門，轉速緩慢下降。當溫度高于報警值時，離心機無論處于什么工作狀態均立即停機。

PLC設定了報警值。當液壓站溫度高于設定值時，液壓系統無法正常工作。

6 位置檢測技術與應用

接近開關是一種無需與運動部件進行機械直接接觸而可以操作的位置開關，當物體接近開關的感應面到動作距離時，不需要機械接觸與施加任何壓力即可使開關動作，從而驅動直流電器或給計算機裝置提供控制指令。接近開關是開關型傳感器，既有行程開關、微動開關的特性，也有傳感性能，且動作可靠、性能穩定、頻率響應快、使用壽命長、抗干擾能力強，并具有防水、防震及耐腐蝕等特點[7]。目前，國內外的研究方向是提高其定位精度、操作頻率、安裝調整的方便性及對惡劣環境的適用能力等。

位置檢測開關是立式刮刀離心機卸料器原位、工作位、頂位、底位和機蓋關閉位置的重要傳感器。檢測開關選用NCB4-12GM40-N0-V1接近式感應開關，其感應距離4mm。

6.1 卸料器工作狀態位和機蓋開/合位顯示

接近傳感器由高頻振蕩、檢波、放大、觸發及輸出電路等組成。振蕩器傳感器檢測面產生一個交變電磁場，當金屬物體接近傳感器檢測面時，金屬中產生的渦流會吸收振蕩器能量，使振蕩減弱停振。振蕩器振蕩和停振這兩種狀態可以轉換成電信號，經整形放大后可轉換成二進制開關信號，經功率放大后輸出給PLC數字量輸入模塊。信號經Profibus傳送至現場人機界面后，即可實現卸料器狀態位和機蓋開/合位的顯示。

6.2 設備啟/停、卸料器工作和機蓋開/合控制

立式刮刀離心機卸料器的工作過程為：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)。整個周期中，液壓站液壓泵持續工作，根據卸料器位置切換液壓站上的電磁閥。如果任何一個接近開關故障，則設備無法進行下一步工序。另外，卸料器位置與設備啟/停和機蓋位置形成聯鎖，即卸料器不在初始位置(原位+頂位)時，離心機禁止啟動(防止物料通過進料管道噴到卸料器液壓缸上)、機蓋在關閉位置禁止開/合(防止卸料器與離心鼓碰撞)。在機蓋開啟后，卸料器可任意改變狀態位置。

7 結束語

傳感技術在立式刮刀離心機控制系統中的成功應用，不僅提高了設備的自動化程度、使用效率，滿足了最高的安全標準，還確保了操作人員、生產環境、設備和產品的安全。筆者通過分析立式刮刀離心機自控系統中各類傳感器的工作原理、使用情況與應用效果，為我國自動化設備在傳感器選型和應用方面提供一定的參考。

[1] 高肇凌,郭雪,陳艷東,等.無線傳感器網絡在水下防噴器控制系統中的應用[J].石油化工自動化,2016,52(2):25～28.

[2] 于梅,孫橋,薛淑英.轉速計量檢測技術的發展現狀與存在的問題[J].計量技術,2003,(11):38～39.

[3] 屈云海,張輝.振動監測與現代造紙機械故障診斷技術的發展[J].中國造紙學報,2013,28(1):53～61.

[4] 陳冠勝,唐晉濱.翻袋式離心機在原料藥固液離心分離工藝上的應用[J].現代制造,2005,(8):50～53.

[5] 谷毅.振動測量傳感器的發展現狀[J].現代測量與實驗室管理,1997,(5):6～9.

[6] 楊永軍.溫度測量技術現狀和發展概述[J].計測技術,2009,29(4):62～65.

[7] 陳英鐘.略談接近開關[J].低壓電器,1990,(5):36～40.

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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，從事工廠自動化控制系統、變配電系統和現場各種儀器儀表的管理工作，niejufeng@126.com。