變頻器多段速運行功能在離心機上的應用

唐 磊

(云南中寮礦業開發投資有限公司，云南 昆明 650401)

我國是鉀肥消耗大國，但鉀資源又嚴重短缺。加快老撾萬象平原鉀鎂礦開采利用，形成海外鉀資源基地，對中國農業、保障糧食安全、促進中老經濟發展有深遠的戰略意義。

鉀鹽礦加工工藝相對來說并不復雜，但對生產設備要求較高，如設備的耐腐蝕性、可靠性、安全性等都有較高要求。為保證工藝的連續性和裝置的長周期運行，就必須對某些重點設備進行技改升級。

1 鉀鹽公司離心機電控流程

中寮礦業鉀鹽公司位于老撾萬象平原，主要從事鉀鹽礦開采加工。光鹵石礦經破碎后，加入含浮選劑的母液溶解，經浮選機選出含氯化鉀的原漿液。 原漿液通過帶式過濾機過濾，送入離心機甩出大部分水分，然后由輸送帶送入干燥窯烘干，直至包裝成成品。

離心機機組主要由液壓站、離心機主機、成套電控組成。液壓站提供各工序電磁閥所需動力，如進料、反沖洗、虹吸、洗滌、撇液、卸料。離心機主機由一臺 90 kW 電機拖動，臺達VFD-B 90 kW 變頻器驅動電機。離心機主軸上的編碼器測速，通過西門子S7-200PLC處理，顯示在西門子TD400C文本顯示器上。西門子S7-200PLC控制各部件動作，現場操作柜上的西門子TD400C文本顯示器和PLC使用的是RS485通訊。文本顯示器可以實時顯示各部件動作工況、電機轉速、電流、離心機振動、軸承溫度等參數。工藝流程如圖1。

圖1 離心機工作流程圖

2 離心機工作過程中存在的問題

離心機負載必須均勻，轉鼓內物料的最大量及最高轉速不能超離心機額定值。離心機設計轉速為 1200 r/min。受設計的彈性基礎限制，轉鼓轉速限制在 500 r/min～1200 r/min 范圍內，避免發生強度破壞。整個工序離心機都工作在全速，沒有對各個工序進行速度定義，這樣會存在以下問題：

氯化鉀物料脫水經離心機幾個循環后，會在離心力作用下形成堅實的氯化鉀殘留層，濾布因此堵塞。這時，母液脫水需很長時間，有時甚至會變得無法進行離心分離。這樣，必須停機人工清理，耗時費力。如在氯化鉀形成堅實殘留層前增加反沖洗時間，就可避免這種情況。這樣在不停止離心機循環的情況下，保證了離心機長周期運行。反沖洗工序全速運行，濾布清洗效果不佳，雖然更換濾布的頻率有所下降，但仍然影響長周期運行。反之，反沖洗工序低速運行，濾布得到充分浸潤，殘留氯化鉀料層充分溶解在清洗水中，清洗效果好，濾布得以再生。

如果進料時全速運行，物料進入離心機轉鼓，受沖擊，電流、振動增大，易引起變頻器過流跳閘或機組振動值超預設值而停機。如增大變頻器過流保護設定值，離心機振動保護設定值又起不到保護機組的作用。

如果洗滌工序全速運行，氯化鉀在離心力作用下變得緊密，洗滌液不易滲透氯化鉀料層，氯化鉀中的雜質不容易被洗滌出，產品質量不達標。且料層緊密后，滲水能力變差，洗滌液排出不及時，導致變頻器過流跳閘或設備振動加大。低速時洗滌液充分浸濕料層且易滲透料層，帶走鐵銹等雜質，氯化鉀產品質量提高，離心機振動減小。

如果卸料工序全速運行，刮刀、軸承磨損嚴重，機組振動大，甚至有時因刮料阻力大，刮刀斷裂，損傷轉鼓和過濾布，造成事故。低速時刮刀使用壽命大大增加，軸承、刮刀、過濾布更換頻率下降，機組運行平穩、振動小，不會因振動值超限引起停機。

3 解決方法

在部分生產機械控制中，不同的工藝段常常需要不同的轉速，為此變頻器可預先設置多種運行頻率，以滿足生產工藝的需要。這種控制功能稱多段速運行功能。市面上所有變頻器都有多段速運行的功能，且基本上都是通過多功能端口的通斷組合來進行多段速運行的控制。變頻器進行多段速運行必須對多功能端口進行多段速運行設置，對每段頻率進行設置。部分變頻器還可以對每段的加減速時間進行設置。如三個多功能端口，外接三個開關，開關通斷用0、1表示。三個開關的通斷組合可以組成8個組合，也就是可以定義8個段的速度。這種控制方式需要外接外電路，并且需要編制PLC程序控制外電路開關的動作。如果外電路動作不可靠或出現故障，變頻器容易出現失速，造成事故或產生廢品。多段速運行時，一個段速運行結束，變頻器要將頻率降為0后再升高頻率到另一段速，轉速不能實現無極調速。變頻器內置程序運行功能無需變頻器外接控制電路就可以完成多段速的單循環或連續循環運行，可以取代復雜的繼電器控制線路和PLC控制電路。通過變頻器預設置，使變頻器按照既定的程序進行多段速運行，有時也叫簡易PLC功能[2]。程序自動運行多段速控制功能相關參數設置如下：內置程序控制多段速自動運行設置有效、自動運行的段數、每段運行的頻率、每段運行的方向、每段運行的加減速時間、每段運行時間、自動運行模式選擇(循環周期)。每個參數都必須設置正確，多段速功能才生效。

應用變頻器多段速控制功能，設置不同工序使用不同的轉速來達到滿足工藝的要求。啟動離心機，速度升至反沖洗速 600 r/min，編碼器測速并通過PLC運算輸出控制反沖洗電磁閥動作，反沖洗工序工作。反沖洗速運行時間到，PLC控制反沖洗電磁閥關閉，變頻器升速至加料工序速度 900 r/min，編碼器測得加料速度。此速度與程序設定速度比較后，PLC控制進料電磁閥動作，進料工序工作。進料時間到，關閉進料電磁閥，等待一段時間后再次開啟進料電磁閥進料。進料兩次，關閉進料電磁閥，離心機升速至脫水分離速度 1200 r/min，料漿在轉鼓內脫水分離。脫水分離時間到，離心機降速至清洗速度 900 r/min，清洗電磁閥打開清洗物料，清洗時間到，關閉清洗電磁閥，再次升速至脫水分離速 1200 r/min，甩干物料。脫水分離工序完成后，減速至卸料工序速度 750 r/min，卸料電磁閥動作，刮刀進給卸料。卸料時間到達，關閉卸料電磁閥，刮刀退回，減速至反沖洗速度 600 r/min，進入下一個循環。流程圖、時序圖如圖2、圖3。

圖2 改進后的離心機流程圖

圖3 改進后的離心機工作時序圖(各段速升降速時間按 300 s 設置)

PLC順序控制功能是指在生產過程中，各執行機構按照生產工藝中預先設定的動作順序以及相應的轉換條件，一步一步進行的自動有序的過程[1]。所謂的步進式順序控制，是指控制系統的任一程序步的得電，必須以前一步的得電并且本步的轉換主令信號已發出為條件。前一步動作未完成，后一步動作無法進行，不會導致動作順序錯亂。

使用S7-200 PLC順序控制功能指令編程，PLC通用程序段如圖4。

圖4 離心機PLC程序

SCR指令為各工序的開始。編碼器測速，通過高速計數模塊轉換成電機實際轉速，與程序設定轉速比較。速度相等時，比較指令為1，計時器輸入IN使能，計時器開始計時，且相對應工序的電磁閥PLC內部繼電器Q動作，驅動外部電磁閥工作。工序設定時間到，計時器常開接點接通指令SCRT，復位計時器、輸出繼電器Q，工序停止執行并跳轉下一工序執行。SCRE為本工序結束指令。如反沖洗工序，當電機轉速達到 600 r/min，比較指令輸出為1，反沖洗計時器開始計時，反沖洗電磁閥動作，反沖洗工序開始工作。反沖洗時間到，計時器接點T閉合，SCRT指令執行，停止反沖洗工序復位反沖洗計時器，程序跳轉到加料工序程序段。這樣依次執行各工序程序段，直到一個循環結束后又返回第二個循環。

4 應用后的效果

離心機電控經改進，氯化鉀含水率大大降低，節約了下一道烘干工序所需用煤量；刮刀、軸承檢修更換頻率降低(原控制工藝下，刮刀、過濾布2～3 d 需要打磨更換，軸承4～5 d 需加潤滑脂一次)；離心機正常運行時間增加，氯化鉀產品質量穩定；勞動強度降低，設備利用率增加。