基于plc的碟片式离心机控制设计毕业设计.docx
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基于plc的碟片式离心机控制设计毕业设计
基于plc的碟片式离心机控制设计
摘要
离心分离技术及装备在化工、医药、食品、纺织、冶金、煤炭、选矿、船舶、军工等各个领域广泛应用。
本文介绍了离心分离机的发展概况及各种应用场合,并介绍了离心机设备自动化发展趋势。
碟片式离心机的广泛应用使其得到长足的发展,其逻辑控制也由PLC代替了原来的继电器控制。
PLC控制器具有可靠性高,抗干扰能力强,编程简单,设计周期短,安装、接线、调试工作量小,使用维护方便,具有很高的灵活性、适应性及很强的的信息处理能力和多功能的优点。
基于PLC控制和变频调速技术对离心机实现进料、脱液、洗涤、脱水、刮料的全自动控制。
基于PLC控制的碟片式离心机操作方便,启动平稳,同时降低了设备故障率提高了工作效率,具有很强的实用性。
关键词:
碟片式离心机,PLC,变频调速,自动控制
ABSTRACT
Centrifugalseparationtechnologyandequipmentinthechemical,pharmaceutical,food,textile,metallurgy,coal,mineralprocessing,shipping,militaryindustryandotherfieldsawiderangeofapplications.Centrifugalseparatorwereintroducedinthispaperthedevelopmentofthesituationandvariouskindsofapplications,andintroducesthedevelopmenttrendofautomaticcentrifugeequipment.Disccentrifugeiswidelyusedtomakethemgetrapiddevelopment,thelogiccontrolalsobyPLCinsteadoftheoriginalrelaycontrol.
PLCcontrollerwithhighreliability,stronganti-interferenceability,simpleprogramminganddesigncycleshort,installation,connection,debuggingworkloadsmall,useconvenientmaintenance,highflexibility,adaptabilityandstronginformationprocessingcapabilityandtheadvantagesofmultifunction.ThisarticleisbasedonPLCandfrequencycontrolofmotorspeedtechnologyofcentrifugefeed,scrapertotakeofftheliquid,washing,dehydration,fullautomaticcontrol.BasedonPLCcontrolofdisccentrifugeiseasytooperate,stablestarting,reducetheequipmentfailurerateimprovestheworkefficiencyatthesametime,haveverystrongpracticability.
KEYWORDS:
disccentrifuge,PLC,variablefrequencyspeed,automaticcontrol
前言
毕业设计是对大学期间所学知识的一次总的检验和巩固,是一次很好的理论联系实际的机会,相比以前的几次课程设计,毕业设计对所学基础知识和专业知识的涉及面更加广泛,是知识与实践的有机结合。
做好毕业设计可以为以后的工作打下坚实的基础,因此具有很重要的意义。
毕业设计是学生即将完成学业的最后一个重要环节,它既是对所学知识的全面总结和综合应用,又为今后走向社会是实际操作应用铸就了一个良好的开端。
毕业设计是作者对所学知识理论的检验与总结,能够培养和提高设计者独立分析问题和解决问题的能力,使学生学习并掌握科学研究、工程设计和撰写技术报告的基本方法。
毕业设计具有学术论文性质,应能表明作者在科学研究工作中取得的新成果或提出新的见解,是作者的科研能力与学术水平的标志。
毕业设计具有学术论文所共有的一般属性,应按照学术论文的格式写作。
在毕业设计的选题与写作中,要注意适应经济、社会发张需要,注意理论结合实际,特别强调对培养学生的创新精神科研能力水平。
本次毕业设计涉及的知识面有可编程控制器(PLC)等多方面的知识,设计过程中要求具有清晰的设计思路,具体的设计方案和步骤,准确的设计参数和计算分析。
通过毕业设计,提高、巩固、扩大了自己所学到的理论知识和技能,提高自己设计计算、编写技术文件的能力,培养了我对机械设计独立分析问题和解决问题的能力,帮助我初步树立了正确的实际思想,掌握了一定的机械设计方法步骤和思路为以后的学习和设计工作打下了良好的基础。
由于本人水平有限,设计中尚有许多不足之处,还望审阅老师给予批评和指正。
第1章绪论
1.1离心机概况及应用场合
在工业生产中,离心机基本上属于后处理设备,主要用于脱水、浓缩、分离、澄清、净化及固体颗粒分级等工艺过程,它是随着各工业部门的发展而相应发展起来的。
例如18世纪产业革命后,随着纺织工业的迅速发展,1836年出现了棉布脱水机。
1877年为适应乳酪加工工业的需要,发明了用于分离牛奶的分离机。
进入20世纪之后,随着石油综合利用的发展,要求把水、固体杂质、焦油状物料等除去,以便使重油当作燃料油使用,50年代研制成功了自动排渣的碟式活塞排渣分离机,到60年代发展成完善的系列产品。
随着近代环境保护、三废治理发展的需要,对于工业废水和污泥脱水处理的要求都很高,因此促使卧式螺旋卸料沉降离心机、碟式分离机和三足式下部卸料沉降离心机有了进一步的发展,特别是卧式螺旋卸料沉降离心机的发展尤为迅速。
如今,在合成塑料(聚氯乙烯、聚丙烯)及合成纤维(聚对苯二甲酸乙二脂)生产的分离设备中,螺旋离心机己成为关键设备之一。
我国从七十年代末开始引进螺旋离心机,对国外著名公司生产的多种规格的卧螺离心机进行了仿制。
卧螺离心机是原化工部“七五”科技攻关项目,1989年南京绿洲机器厂仿制了ALFANx42o型大锥角(20)离心机(即L201),用于玉米蛋白的分离,并于1992年制成样机;此后,重庆江北机械厂、解放军第4819厂和金华铁路机械厂等研制开发了一系列的螺旋卸料沉降离心机,并成功地应用于生产实践。
但是就整体水平而言,我国还是远远落后于工业发达国家的。
随着现代工业文明的发展和人类对环境以及可持续发展战略的重视,分离效果好、震动小、低噪声成为离心机能否被市场接受的重要条件。
这就需要离心机具有良好的动态特性。
通常,动态特性包括临界转速、不平衡响应和稳定性等内容。
为提高螺旋卸料沉降离心机的性能,人们对离心机常见问题进行攻关,对主要部件进行有限元分析。
取得了一定的成果。
主要有:
北京化工大学硕士顾威应用有限元分析软件ANSYs,建立了螺旋输送器的参数化三维有限元模型,进行结构静力学分析,求得螺旋输送器在各种载荷工况下的应力场和位移场,并参照压力容器的分析设计法校核了螺旋输送器的应力强度,考察了螺旋叶片的径向位移。
为结构优化设计奠定了基础。
工业用离心机按结构和分离要求,可分为过滤离心机、沉降离心机和分离机三类。
离心机有一个绕本身轴线高速旋转的圆筒,称为转鼓,通常由电动机驱动。
悬浮液(或乳浊液)加入转鼓后,被迅速带动与转鼓同速旋转,在离心力作用下各组分分离,并分别排出。
通常,转鼓转速越高,分离效果也越好。
离心分离机的作用原理有离心过滤和离心沉降两种。
离心过滤是使悬浮液在离心力场下产生的离心压力,作用在过滤介质上,使液体通过过滤介质成为滤液,而固体颗粒被截留在过滤介质表面,从而实现液-固分离;离心沉降是利用悬浮液(或乳浊液)密度不同的各组分在离心力场中迅速沉降分层的原理,实现液-固(或液-液)分离。
还有一类实验分析用的分离机,可进行液体澄清和固体颗粒富集,或液-液分离,这类分离机有常压、真空、冷冻条件下操作的不同结构型式。
衡量离心分离机分离性能的重要指标是分离因数。
它表示被分离物料在转鼓内所受的离心力与其重力的比值,分离因数越大,通常分离也越迅速,分离效果越好。
工业用离心分离机的分离因数一般为100~20000,超速管式分离机的分离因数可高达62000,分析用超速分离机的分离因数最高达610000。
决定离心分离机处理能力的另一因素是转鼓的工作面积,工作面积大处理能力也大。
选择离心机须根据悬浮液(或乳浊液)中固体颗粒的大小和浓度、固体与液体(或两种液体)的密度差、液体粘度、滤渣(或沉渣)的特性,以及分离的要求等进行综合分析,满足对滤渣(沉渣)含湿量和滤液(分离液)澄清度的要求,初步选择采用哪一类离心分离机。
然后按处理量和对操作的自动化要求,确定离心机的类型和规格,最后经实际试验验证。
1.2离心机的发展趋势
七十年代以来除了过滤虹吸刮刀卸料离心机外,大多数的离心机和分离机在操作原理上没有获得突破性的进展,但是充分发挥每种离心机固有的特点,各种机器在原有基础上的发展却是显著的。
归纳各种机器现有的水平,可以看出离心机总的发展趋势具有下列特点:
(1)自动化、连续操作产品占主导地位
为了保证分离后产品质量稳定,节省劳力,提高质量,需要自动化,连续操作的机器。
现在间歇式人工操作离心机仅在极个别场合下应用。
由于机械制造技术、液压技术及电气控制技术的进步,各类离心机基本上都实现了自动化。
有一些难以调节、难以控制的参数,也都实现了自动控制,如用液用装置调节卧螺的差转速,活塞排渣分离机用光电管来控制澄清液的分离质量等。
(2)专用离心机越来越多
为了提高机器分离性能,加大单机处理量,寻求最佳操作工况,针对某些物料而有各种专用结构、专用控制系统、专用附加装置。
如并流结构卧螺用于污水处理、FO型离心机用于细粘物料、卧螺中差速同速同步自控系统、离心力卸料离心机中蒸汽加热装置、气流刮刀上部卸料三足离心机等等;显然结合生产工艺、物料性质研制离心机新结构、新装置是使离心机水平迅速提高的一个重要因素。
(3)提高技术参数
各类离心机和分离机都出现了大型化机器。
如转鼓直径3000毫米的三足离心机,2500毫米的刮刀离心机,1340毫米的卧螺,840毫米的碟式离心机。
由于高转速、大型机器增多及要处理易腐蚀、易磨损物料,因此广泛采用高强度、耐腐、耐磨材料。
(4)组合转鼓结构增多
近年来出现了许多组合结构的离心机,如sharoles公司的350H型,Brid公司的SVS1400型,Alfa-Laval公司的VS500型是螺旋卸料沉降过滤组合离心机苏制BLIH型碟片与螺旋组合离心机(在沉降卧螺圆柱段上加碟片),Alfa-Laval公司的LX型在碟市分离机上组合有螺旋输送器等。
第2章碟片式离心机控制系统方案确定
2.1离心机的结构和工作原理
图2.1碟片式离心机的结构
碟式离心机是立式离心机的一种,转鼓装在立轴上端,通过传动装置由电动机驱动而高速旋转。
转鼓内有一组互相套叠在一起的碟形零件--碟片。
碟片与碟片之间留有很小的间隙。
悬浮液(或乳浊液)由位于转鼓中心的进料管加入转鼓。
当悬浮液(或乳浊液)流过碟片之间的间隙时,固体颗粒(或液滴)在离心机作用下沉降到碟片上形成沉渣(或液层)。
沉渣沿碟片表面滑动而脱离碟片并积聚在转鼓内直径最大的部位,分离后的液体从出液口排出转鼓。
碟式离心机碟片的作用是缩短固体颗粒(或液滴)的沉降距离、扩大转鼓的沉降面积,转鼓中由于安装了碟片而大大提高了分离机的生产能力。
积聚在转鼓内的固体在分离机停机后拆开转鼓由人工清除,或通过排渣机构在不停机的情况下从转鼓中排出。
碟片式离心机有一个高速回转的转鼓,转鼓中的料液在惯性离心力的作用下有余密度不同而分成轻液和重液,并有余各自的管道排出机外,料液中的少量固体微粒则趋向鼓壁,并均匀地附在内壁上,从而达到了分离的目的。
碟片式离心机的清渣工作可以在每批料液完成分离澄清操作之后进行,也可以在转鼓壁上的沉渣积存到一定厚度时停机进行。
图2.2碟片式离心机工作原理示意图
转鼓全速旋转,乳浊液从中间进入蝶片之间,在离心惯性力作用下,各液相按密度不同而分离,重液相沿蝶片间隙向外移动,从隔板外部溢流孔排出。
轻液相在内层,从隔板内部溢流孔排出。
固相颗粒沉降在转鼓内壁,经人工排渣或喷嘴、活塞排渣
2.2采用PLC控制系统的优势
采用PLC控制系统,与传统的机械传动原理控制系统相比具有以下优势:
(1)适应工艺性强。
可实现不停车,随原矿品位高低的变化,根据选矿工艺要求及时修正每一台离心机的给矿时间、断矿时间、冲水时间、复位时间,从而能达到获得最佳选矿回收指标的选矿周期。
(2)能及时跟踪离心机转鼓、摆斗和电磁阀的工作状态,有异常情况能及时发现。
(3)由于自控系统具有故障识别功能,运行期间始终跟踪离心机转鼓、进料口、下摆斗和电磁阀的工作状态,发现异常情况及时报警、关断进料口,避免了精、尾矿分离不清,确保了离心选矿过程的回收率。
与此同时,也告知工作人员故障机台号和故障部位,以便及时检查维修。
(4)控制系统操作简单、控制直观。
(5)各台离心机的工作参数、动作状态均可在自动控制柜的显示屏上或远程计算机上进行调整、修改和观察。
故障点可由显示屏直观地予以显示,解决了多台离心机同时工作时,作业人员需不断巡查、人为观察各离心机工作状况、工作量大、需极强的责任心等问题,极大地提高了劳动生产率和确保设备、人员的安全生产,提高了企业现代化管理水平。
2.3PLC控制系统的设计步骤
(1)深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求
这是整个系统设计的基础,以后的选型、编程、调试都是以此为目标的。
①被控对象就是所要控制的机械、电气设备、生产线或生产过程。
②控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和连锁等。
对较复杂的控制系统,还可将控制任务分成几个独立部分,这样可化繁为简,有利于编程和调试。
(2)确定I/O设备
根据被控对象的功能要求,确定系统所需的输入、输出设备。
常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器、编码器等,常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀、变频器、伺服、步进等。
(3)选择合适的PLC类型
根据已确定的用户I/O设备,统计所需的输入信号和输出信号的点数,选择合适的PLC类型,包括机型的选择、I/O模块的选择、特殊模块、电源模块的选择等。
(4)分配I/O点
分配PLC的输入输出点,编制出输入/输出分配表或者画出输入/输出端子的接线图。
接着就可以进行PLC程序设计,同时可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。
(5)编写梯形图程序
根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。
这一步是整个应用系统设计的最核心工作,也是比较困难的一步,要设计好梯形图,首先要十分熟悉控制要求,同时还要有一定的电气设计的实践经验。
(6)进行软件测试
将程序下载到PLC后,应先进行测试工作。
因为在程序设计过程中,难免会有疏漏的地方。
因此在将PLC连接到现场设备上去之前,必需进行软件测试,以排除程序中的错误,同时也为整体调试打好基础,缩短整体调试的周期。
(7)应用系统整体调试
在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后,就可以进行整个系统的联机调试,如果控制系统是由几个部分组成,则应先作局部调试,然后再进行整体调试;如果控制程序的步序较多,则可先进行分段调试,然后再连接起来总调。
调试中发现的问题,要逐一排除,直至调试成功。
(8)编制技术文件
系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、PLC梯形图等。
在PLC系统设计时,确定控制方案后,下一步工作就是PLC的选型工作。
应详细分析工艺过程的特点、控制要求,明确控制任务和范围,确定所需的操作和动作,然后根据控制要求,估算输入输出点数、确定PLC的功能、外部设备特性等,最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
第3章控制系统的硬件设计
3.1控制系统的结构框图
图3.1控制系统的结构框图
硬件电路设计分为主电路、控制电路、数据采集模块、PLC的选择与人机交互界面的设计五部分。
实现对离心机三相异步电动机启动的主电路;三相异步电机启动—运行切换的控制电路与报警装置、电磁阀、指示灯的开关控制电路、数据采集模块、PLC的选择及人机交互界面的设计。
3.2主电路的设计
根据现场要求三相异步电机选用型号YB2-168S-4。
拖动电动机M的功率为22kW,额定电压为AC380V,转速为1460r/min。
直接起动是一种简单、可靠、经济的起动方法,但电动机起动电流远远超过额定电流。
电机的启动电流一般不超过65A,全速后的工作电流不超过30A。
因此,电机的启动是通过三角形—三角形(无中性点)转化的。
首先是三角形启动,由于电机和传动轴之间加有液力耦合器,所以电机到全速时,转鼓还要继续加速一段时间,因此电机的电流很高,但转鼓到全速状态时,电机的电流将在额定范围之内,所以电机在三角形状态时,需用两路切换,一路在启动使用,选用电流较大的交流接触器和热继电器,保证在系统在全速之前不会超载,另一路在全速使用,保证系统的正常运行(切换由PLC控制器实现)。
本设计中,主回路采用具有过载保护的接触器自锁控制线路。
主拖动电动机M的启动电路主要由两路切换实现,一路由接触器KM1的主触点和热继电器FR1组成,一路由接触器KM2的主触点和热继电器FR2组成。
在三相异步电动机控制线路中,采用热继电器来做过载保护。
热继电器的工作过程,若电动机在运行过程中,由于过载或其他原因使电流超过额定值,热继电器的串接在主电路中的热元件因受热发生弯曲,通过传动机构使串接在控制电路中的常闭触头分断,切断控制电路。
接触器KM线圈失电,主触头和自锁触头分断,电动机M失电停转。
另外主电路中电流表是必不可少的,用于实时电流检测。
开关采用低压断路器,低压断路器采用装置式低压断路器,具有模压绝缘材料制成的封闭型外壳将所有构件组装在一起,用作配电网络的保护以及成为电动机、照明电路及电热器等控制开关。
使用自动空气开关作为电动机的电源启动开关,对电源线路及电动机等实行保护,当发生严重的过载或短路及欠电压等故障时能
自动切断电路,设计主电路电气图如图3.2所示:
图3.2主电路电气图
空气开关采用装置式低压断路器,QS0选用型号DZ47—60(额定电流100A),QS1选用型号DZ47—60(额定电流60A)。
热继电器用符号FR表示,IRT=(0.95~1.05)IN其中:
IRT是热继电器的额定电流,IN是电动机的额定电流,IRT=(0.95~1.05)*57.9=55.00A~60.80A。
本设计中,根据现场负载情况与电机效率问题,现场检测启动电流与全速电流:
电机的启动电流一般不超过65A,全速后的工作电流不超过30A。
所以启动时热继电器FR1和FR2选用型号JR16-60/3D。
接触器用符号KM表示,IC=PN/(KUN)其中:
IC是接触器触头流,PN是电动机额定功率,K是经验系数一般取1~1.4,UN是电动机额定电压:
IC=22*1000/[(1~1.4)*380]=41.4A~57.9A
根据实际情况通过的最大电流不超过65A,所以接触器选用CJ10—100型号。
电流表(互感器)用来测量电流,量程为0-150A、互感器选用LMK1-0.550/5。
3.3控制电路的设计
控制电路分为两部分,三相异步电机的启动—运行切换、报警装置与电磁阀和指示灯的开关控制。
三相异步电机的控制电路的组成与主电路相对应,设计的控制电气电路如图3.3所示。
有两路启动,一路由启动中继触点KA1,热继电器触点FR1和接触器线圈KM1,接触器连锁常闭触点KM2。
一路由运行中继触点KA2,热继电器触点FR2和接触器线圈KM2,接触器连锁常闭触点KM1。
当一个接触器得电动作时,通过其辅助常闭触头使另一个接触器不能得电动作,接触器之间这种相互制约的作用叫做接触器联锁(或互锁)。
图3.3控制电路电气图
控制电路工作过程是循环的。
先合上开关QS0和电动机开关QS1。
1)按下启动按钮SB1,KM1线圈得电,KM1自锁触头闭合自锁,KM1主触头闭合,同时KM1联锁触头分断对KM2联锁,同时通过PLC动作中继KA1,电动机M启动连续转动。
同时,PLC动作中继KA0和中继KA12,启动指示灯亮,停止指示灯灭;2)PLC控制系统设置启动时间,实现启动和运行的两路切换,启动延时后,PLC动作中继KA2,KM2线圈得电,KM2自锁触头闭合自锁,KM2主触头闭合,同时KM2联锁触头分断对KM1联锁,电动机M切换到正常运行。
3)按下停止按钮SB2,PLC动作中继KA2,电动机M停止转动。
同时通过PLC动作中继KA0和中继KA12,启动指示灯灭,停止指示灯亮。
自锁是通过KM1、KM2实现的,KA1和KA2用于启动运行切换。
其次,控制电路设置报警与消除报警装置:
旋钮SB4(常闭),中继触点KA5和报警器组成。
变压器的型号选择BK-25VA,将AC220变为AC24。
电磁阀Y1—Y6共6个,20mA,AC24V。
指示灯HL2、HL4、HL5共3只,0.25W,AC24V。
报警器的一个,参数要求0.25W,AC24V。
最后,电磁阀控制主要由中间继电器来实现。
由PLC得到的输出信号经过中间继电器来控制电磁阀,指示灯与电磁阀并联,电磁阀的开闭对应相应的指示灯的亮灭,其中根据工业要求:
关闭水阀、开启水阀、冲洗阀设置指示灯。
3.4数据采集模块
系统在排渣时,电机电流会升高,从系统开始排渣到检测结束的时间称作电流检测延时,若系统在这段时间内电流没有提升到设定的报警电流,说明离心机没有达到相应的工作状态,系统将发出报警。
振动烈度过大,影响碟片式离心机的正常工作,转速过高或过低说明碟片式离心机未处于正常的工作状态,为了使离心机平稳的工作,所以设置运行电流检测和实际转速检测。
数据采集模块包括三个模拟量采集,测量当前设备的振动大小、电机的运行电流、转鼓的实际转速,设计的数据采集部分电气图如图3.4所示。
模拟量的采集有两个作用,首先用于显示屏数字量的显示,便于实时连续观察信号变化;其次为了达到工业要求,与报警器一起作用,当满足条件时发出报警。
图3.4数据采集部分电气图
电流的测量方法采用电流互感器法,互感器选用LMK1-0.5150/5。
电流表直接测量电流需要切断电路接入测量装置,采用电流互感器法可以在不切断电路的情况下,测得电路中的电流,灵敏度高。
电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。
它的一次绕组匝数很少,串在需要测量的电流的线路中,因此它经常有线路的全部电流流过,二次绕组匝数比较多,串接在测量仪表和保护回路中。
转速测量采用磁电式转速传感器VB-Z9200,是针对测速齿轮而设计的发电型传感器(无源),测速齿轮旋转引起的磁隙变化,在探头线圈中产生感应电势来达到测速目的。
安装在靠近测速齿轮的地方,输出与旋
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