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张家港市谱发机械制造有限公司

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虹吸离心机自动控制系统的现状及发展趋势

人气:发表时间:2018-08-30
1  前言
    虹吸离心机是一种具有独特结构的离心机,它是在一般刮刀离心机的转鼓上, 加了转动虹吸装置,从而提高了总的过滤推动力, 过滤效率也相应增加。它的处理能力和产品质量都比原刮刀离心机大大提高,生产能力增加一倍左右;而且还具有反冲洗这一特殊功能,可以用滤液对残余底层进行反冲洗,以使滤布再生, 因而它的有效周期比一般离心机长200 多倍。该机在加料时可保持一个较均匀的液环,消除了机器运转的不平衡。由于强化了过滤推动力, 因而节约了能量, 相同生产能力所需功率比一般离心机低30%左右。
    由于虹吸离心机是连续运转、间歇操作的, 其分离过程是连续循环的,准确无误的操作程序的建立是发挥虹吸离心机优势的充分必要条件。只有在进料阀、洗涤阀、反冲阀、滤液阀被控制得恰到好处,与虹吸管的动作协调一致的条件下, 优势才能充分利用,否则其操作性能比一般过滤离心机都不如。这里简述一下生产中应用的反映了现代水平的几种离心机的控制系统的应用及发展状况。
2  基本工作原理
图1  虹吸离心机的工艺流程
    图1  虹吸离心机的工艺流程

    虹吸离心机用于固、液分离的工艺流程如图1所示。
    虹吸离心机的操作控制中各个控制阀的动作及所需控制的时间如下(见图2) :
图2  虹吸离心机的布置
    图2  虹吸离心机的布置
    (1) 洗网阶段:转动虹吸管至高位,然后打开反冲阀进行洗网, t1 秒后关闭;
    (2) 进料阶段:打开进料阀, t2 秒后转动虹吸管至低位,继续加料,直到物料检测器发出信号,关闭进料阀;
    (3) 脱水阶段:进料阀关闭后进行脱水,脱水时间为t3 秒;
    (4) 洗料阶段:脱水后, 打开洗涤阀t4 秒后关闭;
    (5) 甩干阶段:洗涤阀关闭后进行甩干,甩干时间t5 秒;
    (6) 卸料阶段:甩干后,使刮刀进刀,进行卸料,碰到限位开关后刮刀退刀,或延时t6 秒后,又进行洗网阶段,反复连续运行上述各阶段。
    从加料至刮刀回程循环N 次后, 输入大洗网工序,随后又开始进入下一轮顺序循环工作。
3  主要参数的测量及控制
    由上述的工艺流程可以看出,虹吸离心机的操作中有6 个时间需精确控制,有进料阀、洗涤阀、反冲阀及滤液阀需控制,虹吸管及刮刀的驱动油缸也需控制,这些控制需协调一致。另外,虹吸离心机的主轴转速是一个很重要的参数,它关系到分离因数和能量的消耗, 所以需要速度的检测;还有主轴高速连续运转, 主轴轴承处的温度应检测, 限定其温度不得超过预定的值, 超过时能报警并停机, 以免温度过高而引起轴承失效,使机器不能运转。此外,还有滤饼厚度与液位深度的检测, 如果用螺旋卸料器卸料,还有螺旋转速的检测。
3.1  时间的控制
    时间的控制可用时间继电器,但时间继电器的准确性较差,最好是利用计算机精确的系统时间,实现各工序的准确定时和循环记数,并可根据生产要求灵活地改变时间来控制整个工艺流程。
3.2  阀门的控制
    上述各阀门的控制通过电磁阀来操作,用电磁阀的通电、断电来控制液压的换向, 从而控制阀门的开启、关闭。
3.3  油压站及刮刀卸料、虹吸管转动的液压控制系统
图3  控制卸料刮刀的液压系统工作原理
    图3  控制卸料刮刀的液压系统工作原理
    油压站主要是由一台能产生2~5MPa 油压的泵及控制回路组成, 卸料刮刀的控制由行程活塞、刮刀及控制回路组成(见图3) ;虹吸管的转动控制由行程活塞、虹吸管及控制回路组成(见图4) 。
图4  控制虹吸管转动的液压系统工作原理
    图4  控制虹吸管转动的液压系统工作原理
3.4  位移、转角和转速的检测
    位移和转角主要用限位开关提供信号,从而控制电磁阀的动作。
    转速传感器常用的有涡流、磁阻传感器, 较新型的有红外光电转速传感器、光电编码器等。光电编码器具有无接触、高转速、高分辨率、高可靠性等优点,在自动控制和自动检测技术领域得到越来越广泛的应用。
    常用的转速测量方法主要有F/ V 变换法, 定时记数法等。F/ V 变换法硬件电路复杂,不利于数字化处理,且精度不高;定时记数测量法是:记录一固定时间ΔT 内转速脉冲数i 来求得转速值, N =i/ ΔT( r/ min) 。这种方法在测量定转速的情况下,其绝对误差反比于定时时间ΔT 的宽度。因此,在稳态测量和实时性要求不高的情况下,可取较大的ΔT 保证足够的精度。但是, 在一些转速变化较快、且要求实时检测的系统中(例如一些转速变化较快的化工机械) ,若用定周期的方法,如要满足实时性,只有减小ΔT , 而ΔT 的减小, 势必影响测量的精度,由于虹吸离心机基本上在定速下运转, 转速基本不变,所以用定时记数法即可。随着大规模集成电路的高速发展,使微处理器在工业中得到广泛地应用,把单片机引入转速的测量, 用定时记数法可取得良好的效果。以微处理器(如单片机) 为核心的转速测量系统是采用脉冲中断软件测量法来计算转速。其基本思想是:由于传感器通常都是产生脉冲信号, 利用脉冲信号作中断源, 可以来一个脉冲信号,产生一次中断,用软件计算一次转速。用此方法精度高, 转速测量及时, 可以满足各种不同旋转机械转速变化的要求。
3.5  温度的检测
    根据测温对象和利用的物理量有各种不同的温度传感器,有接触式与非接触式之分, 有玻璃温度计(如水银温度计) 、双金属温度计、压力温度计、电阻温度计(如热敏电阻) 、热电温度计(如热电偶) 、光学高温计和辐射温度计等。
    热敏电阻温度传感器是利用对热量敏感的电阻体,其电阻值随温度变化而发生显著变化。热电偶传感器测量准确,热电偶热电势与温度值间的非线性处理方法通常有查表法和分断线性化法,在配有微处理器的智能仪表或控制系统中,经常采用查表法,可参见文献中提出的一种占用内存较少、查表速度快的通用查表法。
    热敏电阻温度传感器与其它温度传感器相比,由于热敏电阻温度系数大, 故灵敏度高, 且响应迅速,能随动于急剧的温度变化, 在短时间内测温。而且耐湿、耐酸、耐碱、耐热冲击和耐振动,可靠性高。因此,最近发展成为能够提供年时效变化非常小的稳定的热敏电阻。将热敏电阻用于温度传感器的控制电路具有如下优点: (1) 由于能提高灵敏度,所以利用简单的放大器就可组成控制电路; (2)不需要象热电偶那样的零接点和零点补偿, 可自热,不管在什么场合下使用, 采用一只与温度补偿用元件一样特性的热敏电阻,即可简单地进行温度补偿; (3) 热敏电阻的固有电阻大,即使忽略导线电阻也不会产生温差,故能够远距离集中控制管理。由于热敏电阻能用0.001~1.5 ℃的精度来测量- 50~450 ℃范围内的温度, 将它插入被测物体与其表面接触,就能在很短的时间内测量、控制、记录温度与温差, 在远距离集中操作, 故可选用热敏电阻来测量主轴轴承处的温度值。将热敏电阻温度传感器安装于轴承的外圈(静止不动) ,经传感器将温度的变化转换成相应的电平,通过A/ D 转换,由微处理器采样,经数字滤波得到轴承温度的测量值。再将其与预定的温度进行比较, 若超过则报警,甚至停机。
4  离心机的两种自动控制系统
4.1  可编程控制器控制
    可编程控制器简称PC, 目的是用来取代继电器,执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能,建立柔性程控系统。PC 是一种利用计算机原理为顺序控制专门设计的、通用的使用方便的装置。它采用了专用设计的硬件,而它的一些实用性能都是通过存放在存储器内的控制程序来确定的,若要改变控制功能,只要改变一些“软件指令”即可。与传统的继电器控制电路相比,它有结构紧凑、修改灵活、制作成本较低的优点。可编程控制器不仅可以代替继电器控制装置和非接触式半导体逻辑元件控制装置,使硬件“软化”,提高工作可靠性和系统的柔性,还具有运算、计数、定时、调节、通信、联网等许多功能,是控制技术的一个飞跃。它与通用计算机不尽相同,因为可编程控制器省去了一些运算功能, 却大大加强了逻辑运算控制功能, 包括步进顺序控制、限时控制、条件控制、计数等;它与单板机等微机控制设备相比, 不仅具有逻辑运算电路简单、指令系统简化、程序编制方法容易掌握和直观易懂等优点,而且配备有可靠的输入、输出接口,可直接用于控制对象及外围设备, 使用极为方便, 即使在生产现场的恶劣环境中应用,仍能保证可靠运行。总之,可编程微机控制器具有控制功能简便、工作稳定可靠、易于检查维修和缩短整个设备的设计制造周期等优点。
    可编程控制器的运行过程如下:当程序的初始周期执行时,控制器首先查询各个输入端的信号状态,并将它们存放在输入过程状态寄存器或存储器映像单元中,然后控制器逐句读出存放在存储器中的语句内容,加以解释,并控制整个运行过程。各种逻辑状态运算结果由控制器送入指定输出过程状态寄存器或存储器映象单元中存放。当一个周期循环结束时,控制器才将存放在寄存器或存储器映象单元中的全部输出过程状态传送到各有关的输出组件中去。接着,又开始一个新的循环周期,重复进行上述过程。显然,它在程序执行周期内,不受外部信号变化的影响。
    在文献中,作者采用可编程控制器对工业离心机进行控制, 文中详细地阐述了整机功能、硬件电路、工作原理及主体软件,流程框图等。作者的控制方案是:在控制器的外围配置了一定的接口电路,在机内软件的支持下, 该控制器可以完成离心机的进料、脱水、洗料、甩干、卸料、延时、加洗等过程的全自动过程控制。另外, 机上设有数码显示,操作人员可通过机上的七个按键对机器进行复位、运行参数的修改等操作。整机原理图见图5。整机硬件电路见图6。在控制器中使用8031作中央处理器, 2764 作为外部程序存储器, 两片8155 分别完成键盘与显示和输入输出接口。
图5  整机构成原理
    图5  整机构成原理
图6  整机硬件电路
    图6  整机硬件电路
4.2  单片机控制
    单片机是把微型计算机的各个功能部件:中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、T/ O 接口、定时/ 计数器以及串行通信接口等集成在一块芯片上, 构成一个完整的微型计算机,故又把它称为单片微型计算机。
    单片机具有体积小、功耗低、控制功能强等优点,用单片机可以构成各种工业测控系统、自适应控制系统、数据采集系统等。在文献[3 ]中,作者介绍的以8749 单片机为核心的离心机控制系统, 能够利用计算机精确的系统时钟,实现各工序的准确定时和循环计数, 并能根据生产要求, 灵活控制工艺流程。下面介绍一下该系统的工作原理和系统结构原理。
    单片机对离心机工作过程的控制, 分为键盘、显示控制,定时控制及顺序循环控制。该系统结构原理框图见图7。
图7  系统结构原理
    图7  系统结构原理
    该系统软件中, 其定时、循环计数和输入检测以及自动控制时各流程的输出控制均由单片机内的定时/ 计数器产生中断服务来完成。
5  结束语    
    可编程控制器是一项趋于成熟的技术产品,在离心机的控制中还将发挥极其重要的作用。但是,由于可编程控制器在程序执行周期内,不受外部信号变化的影响,上一个周期的外部信号的变化和控制要等到下一个周期才影响控制器的输入和输出,所以它的实时性不强。
    单片机相对于可编程控制器来说,更具有灵活性,它可根据离心机在不同的应用场合设计出不同的硬件电路结构和软件, 而且, 单片机的控制系统中的定时、循环计数和输入检测、输出控制均由单片机内的定时/ 计数器产生的中断服务来完成,所以其实时控制功能好,在离心机的控制应用上具有强大的生命力和广阔的前景。
    从控制装置本身来看, 插件式、组装型、数字化、标准化、系列化是今后的发展趋势。离心机的控制需要一种体积更紧凑、功耗更低, 且在软件和硬件上都与标准PC 总线完全兼容的PC 总线控制机。把它作为集散系统的操作站,可利用其强大的功能,采用Windows 程序设计的事件驱动技术来实现多任务的实时处理,再用VC + + 或其它的可视化语言编出的Windows 应用程序来控制离心机的操作和参数的检测, 利用应用程序的可视化界面,采用目前流行的触摸式屏幕软键技术,使控制参数的修改更为灵活、更为方便、更利于集中显示和控制。所以, 基于标准个人计算机(PC) 的离心机控制系统同样是今后发展的趋势。



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