隔膜泵測控系統(tǒng)的改進與應(yīng)用

張世宣，于代林，徐紹良

（鞍鋼集團礦業(yè)有限公司能源動力分公司，遼寧鞍山114046）

某選礦廠于1994年引進了2臺美國WILSONSNYDER公司的隔膜泵，2臺設(shè)備從1996年正式使用至今，已連續(xù)運行20多年。隔膜泵是礦漿輸送生產(chǎn)流程中的核心設(shè)備，其檢測控制部分存在著電控模式落后，測控元器件老化的現(xiàn)象，僅能將電氣信號送入老式PLC，實現(xiàn)簡單的聯(lián)鎖控制，沒有實時監(jiān)控畫面、工藝參數(shù)監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)儲存等功能，也不具備數(shù)據(jù)通訊功能；沒有專用的獨立隔膜測控裝置，只能簡單地靠電磁閥控制隔膜行程位置，不具備精確檢測隔膜位置能力；缺乏管道礦漿輸送工藝關(guān)鍵參數(shù)采集，無法對礦漿管道輸送的流量、壓力實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)控制；系統(tǒng)的沖洗泵、潤滑泵、推進液泵等輔助設(shè)備，采取分散就地手動操作，沒有與控制系統(tǒng)融入。崗位人員操作繁瑣，控制不及時，不利于快速的維護檢修，具有一定的安全生產(chǎn)隱患。

針對以上問題，通過對隔膜泵的生產(chǎn)工藝、測控方式的研究分析，對現(xiàn)有測控系統(tǒng)進行升級改造。通過增設(shè)關(guān)鍵測控點和專用裝置，設(shè)計隔膜泵通用典型測控模塊，找出隔膜泵最優(yōu)化控制策略，并對現(xiàn)場感知終端進行適當?shù)闹悄芑?，達到提高控制效果、優(yōu)化生產(chǎn)工藝指標、提高經(jīng)濟效益的目的。

1 隔膜泵測控系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 對原隔膜泵PLC系統(tǒng)進行升級

根據(jù)對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)硬件及通訊線路的研究分析，以及考慮到降低施工成本，減輕施工對正常生產(chǎn)的影響，在充分利用隔膜泵PLC系統(tǒng)現(xiàn)有電控設(shè)備、控制器及線路的基礎(chǔ)之上，進行改造升級。其具體改造如下：將原有的SLC 500 CPU升級為新型號的AB新型L35E CPU。由于兩組型號的PLC屬于同一系列，所以只需簡單改動程序的硬件組態(tài)，即可延用部分原有程序。另外，AB新型的CPU集成以太網(wǎng)接口，可以更方便地將1#隔膜泵和2#隔膜泵接入通訊網(wǎng)絡(luò)，利用以太網(wǎng)通訊電纜采用10 M/100 M的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進行聯(lián)接。將1#、2#隔膜泵PLC CPU通訊接口連接，通過上位機或者觸摸屏的以太網(wǎng)通訊接口，將計算機與PLC CPU進行物理連接，利用通訊接口軟件建立軟件通訊，組態(tài)軟件讀取CPU中具體數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對1#、2#隔膜泵的運行藝參數(shù)檢測、控制、操作和顯示。改造后的隔膜泵PLC系統(tǒng)軟件構(gòu)成原理，如圖1所示。

圖1 改造后的隔膜泵PLC系統(tǒng)軟件構(gòu)成原理

1.2 隔膜泵測控系統(tǒng)功能設(shè)計

對AB新型L35E CPU進行控制程序升級及整體硬件組態(tài)和軟件設(shè)計，通過對輸送管道礦漿的壓力、流量、濃度、溫度以及攪拌槽液位、隔膜泵變頻器輸出頻率、輔助設(shè)備（沖洗泵、潤滑泵、推進液泵）等參數(shù)檢測，與新開發(fā)的“專用隔膜泵隔膜測控單元”重新組成“隔膜泵測控系統(tǒng)”。隔膜泵測控系統(tǒng)與隔膜泵本體的儀表、傳感器、電器元器件等連接，對其參數(shù)信息進行采集，按工藝邏輯要求實施控制；系統(tǒng)與隔膜泵驅(qū)動電機的高壓變頻器進行DP總線通訊連接，按系統(tǒng)工藝控制過程要求，在確保管道內(nèi)礦漿濃度、流量、壓力在設(shè)計范圍內(nèi)，進行準確的變頻器頻率輸出，保證管道礦漿正常輸出；專用隔膜泵隔膜測控單元，能夠獨立進行隔膜泵隔膜位置檢測和控制，并與隔膜泵測控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進行通訊，實時傳輸隔膜位置信息。隔膜泵測控系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2所示。

該系統(tǒng)主要功能如下：急停；現(xiàn)場操作權(quán)限選擇；啟動/停止沖洗泵；啟動/停止?jié)櫥?；啟?停止推進液泵；啟動/停止主泵電機；沖洗泵運行/故障指示；潤滑泵運行/故障指示；推進液泵運行/故障指示；主泵電機速度控制/故障指示；工作壓力高故障指示；空氣壓力低故障指示；各隔膜室的初始自動補油選擇；各隔膜室補排油指示；各隔膜室補排油故障指示；主電機電流/頻率顯示；隔膜泵隔膜位置測控；礦漿管道壓力顯示及控制；礦漿管道流量顯示及控制；礦漿管道濃度顯示及控制；礦漿管道溫度顯示；礦漿攪拌桶液位顯示及控制；攪拌槽補加水泵變頻器頻率顯示及控制等。

圖2 隔膜泵測控系統(tǒng)構(gòu)成

2 改進方法

2.1 隔膜泵總體結(jié)構(gòu)構(gòu)成

隔膜泵總體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 隔膜泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1）傳動系統(tǒng)。其主要包含動力端、液力端、液壓輔助系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)。

2）動力端。主動軸偏心輪與被動軸軸承支撐定位。人字齒輪及連桿、連桿與十字頭通過銷軸連接，十字頭與介桿、介桿與活塞桿通過螺紋連接，螺母鎖固。

3）液力端。通過缸雙作用往復(fù)式隔膜泵的液力端中有2個活塞缸，每個活塞缸由缸體、缸套、活塞與活塞桿等組成。活塞桿與動力端中通過介桿連接，并通過介桿與十字頭連動。缸體兩端上方的進、出油口與隔膜室連接，隔膜室的進、出料口分別與進、出料閥箱連接。進料管將各進料閥連接在一起，出料管將各出料閥連接在一起。在出料管上方裝有出料壓力補償器，料漿經(jīng)過補償器壓力平衡后排出。

4）隔膜室。隔膜室由隔膜腔體、隔膜室蓋、橡膠隔膜、隔膜行程檢測裝置等組成。隔膜腔中有料漿流動通道和推進液流動通道。料漿流動通道有2個開孔，底部進料口連接進料閥箱，頂部出料口連接出料閥箱。在隔膜腔中裝有1個橡膠隔膜把推進液油與礦漿分隔開，避免了推進液油與料漿的混合，保證了活塞缸內(nèi)的運動部件在清潔的油液中工作，從而提高了使用壽命。

5）活塞缸。活塞缸由活塞桿、活塞缸套、活塞桿密封以及活塞缸蓋、活塞鎖緊等結(jié)構(gòu)組成。

6）液壓輔助系統(tǒng)。其主要包含潤滑系統(tǒng)、沖洗系統(tǒng)、控制儀表、推進液系統(tǒng)、超壓保護系統(tǒng)。

7）控制系統(tǒng)。其控制項目主要為橡膠隔膜位置控制、最高工作壓力控制、補油系統(tǒng)壓力控制，油泵電機、沖洗液泵電機、潤滑油泵電機、主電機等。以上控制項目由PLC來實現(xiàn)，并完成各控制系統(tǒng)間聯(lián)鎖功能。

2.2 隔膜泵驅(qū)動裝置改進

1994年引進美國WILSON-SNYDER公司的隔膜泵，配套了SIEMENS 6SC87系列1 000 HP變頻器和1 000 HP電動機作為隔膜泵動力驅(qū)動。由于其變頻器采用恒V/F控制，變頻系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)較慢，無法快速抑制負載的波動導(dǎo)致的變頻器電流的波動，電流調(diào)節(jié)器經(jīng)常超調(diào)。另外，電動機特性較硬（994 r/min），經(jīng)常出現(xiàn)直流母線高電壓，變頻器保護跳閘現(xiàn)象。為了解決以上問題，變頻器控制更換為6SE7041系列，同時增設(shè)DP通訊，將變恒V/F控制方式改為矢量控制方式，滿足了隔膜泵驅(qū)動裝置地有效控制。

2.3 礦漿輸出管道礦漿濃度控制

精礦輸送首先是通過精礦濃密機進行濃縮后，再輸送到攪拌槽內(nèi)，攪拌槽內(nèi)礦漿通過喂料泵輸送到儲礦槽后，自流給到主泵站隔膜泵系統(tǒng)，再由隔膜泵把礦漿通過管道輸送到22 km的過濾車間進行下一道工序處理。礦漿輸送管道安裝了進口同位素濃度檢測儀表，能夠準確測量管道內(nèi)礦漿濃度，把濃度信號引入PLC系統(tǒng)，通過補加水系統(tǒng)（兩級串聯(lián)變頻泵）對攪拌桶內(nèi)的礦漿進行濃度控制。

2.4 隔膜泵礦漿輸送管道流量、壓力控制

采用電磁流量計測量管道輸送礦漿流量（首尾兩端），通過設(shè)定流量參數(shù)，利用變頻器，由可編程程序控制器計算出給定頻率，實現(xiàn)對流量的閉環(huán)控制。由于規(guī)定管道輸送壓力不能超限（穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)），通過壓力變送器檢測信號、變頻器頻率信號及控制器實現(xiàn)壓力控制。由于壓力控制與流量控制存在關(guān)聯(lián)，在實施過程中可采用串級調(diào)節(jié)方式，以壓力為主調(diào)、流量為輔調(diào)。通過管道礦漿流量檢測（首尾兩端），可判斷管道是否泄漏；通過濃度、流量檢測值可計算出輸出的干礦量。

2.5 隔膜位置檢測與邏輯控制

隔膜泵隔膜位置檢測原理，如圖4所示。

圖4 隔膜泵隔膜位置檢測原理

設(shè)定：排油傳感器檢測到的信號為1，沒有檢測的信號為0；補油傳感器檢測到信號為1，沒有檢測的信號為0。

1）隔膜正常位置：排油傳感器信號為0，補油傳感器信號為1。此時隔膜的位置表示液壓系統(tǒng)沒有進行沖油（隔膜補油）和回油（隔膜排油）進程，就是初始位置，表明隔膜沒有工作。

2）隔膜位置向左移動：排油傳感器信號為1，補油傳感器信號為1。此時，隔膜已經(jīng)工作，液壓系統(tǒng)開始沖油（隔膜補油），液壓油推動隔膜向左移動，隔膜帶動導(dǎo)磁桿整體向左移動，直到排油傳感器信號由0變?yōu)?（磁條達到排油傳感器位置），此時補油傳感器沒有脫離磁條，其檢測信號仍為1。

3）隔膜位置向左移動過進：排油傳感器信號為1，補油傳感器信號為0。當補油和排油傳感器信號都為1時，隔膜繼續(xù)向左移動，使排油傳感器信號不變，仍為1，補油傳感器信號則由1變?yōu)闉?。此時，稱為隔膜位置左移過進，隔膜腔內(nèi)液壓油必須排到液壓系統(tǒng)的液壓箱內(nèi)。

4）隔膜位置向右移動到限：排油傳感器信號為0，補油傳感器信號為0。當隔膜腔的液壓油排到一定程度時，隔膜腔油壓小于隔膜左側(cè)礦漿壓力，則隔膜向右側(cè)移動，隔膜帶動導(dǎo)磁桿向右運行，當排油傳感器信號由1變?yōu)?、補油傳感器信號由1變?yōu)?，則隔膜右移到限，需要補油進程。

2.6 增設(shè)隔膜運行位置的間接判斷方法

增設(shè)隔膜油腔和礦漿腔的壓力檢測變送器（礦漿端為法蘭式），壓力范圍在0～3 MPa；增設(shè)隔膜油腔補、排油（1個管路）流量檢測裝置。由于主泵礦漿系統(tǒng)在進入隔膜腔前設(shè)有穩(wěn)壓裝置，礦漿排出也設(shè)有穩(wěn)壓裝置，所以礦漿系統(tǒng)壓力基本保持穩(wěn)定（礦漿穩(wěn)壓裝置前端是攪拌桶自流和喂料泵補充，壓力保持在0.7 MPa），液壓系統(tǒng)的每個隔膜裝置內(nèi)油壓保持穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)（2～3 MPa）。由于隔膜的工作過程依靠其腔內(nèi)液壓油增補和減少實現(xiàn)，所以通過液壓系統(tǒng)就能控制隔膜運行在有效行程內(nèi)。通過對隔膜初始位置以及向左、向右的197 mm移動軌跡和極限檢測（隔膜位置檢測與控制邏輯），能夠確定每個位置的油壓及補、排油油量。經(jīng)過反復(fù)試驗，積累了大量隔膜移動位置的油壓、油量數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了利用油壓、油流參數(shù)間接判斷隔膜運行位置。

通過增設(shè)了1種隔膜檢測、控制的方法，并把這種方法與原檢測、控制方法一起綜合應(yīng)用，減少了因檢測元器件失效造成隔膜損壞等故障的發(fā)生次數(shù)。

2.7 增設(shè)連續(xù)信號輸出的位置傳感器

在導(dǎo)磁桿內(nèi)，嵌入1種高精度位移傳感器。傳感器通過密封的耐壓、耐腐、耐高溫專用插接連接器和導(dǎo)線，連接到原補油探頭附近的專用密封插接連接器上，再通過線纜連到隔膜泵PLC系統(tǒng)。通過位置傳感器的4～20 mA信號所對應(yīng)200 mm隔膜移動軌跡的各個位置，4 mA對應(yīng)隔膜右限位置，12 mA對應(yīng)隔膜初始位置，20 mA對應(yīng)隔膜左限位置。隔膜位置示意及隔膜位移檢測原理，如圖5～圖6所示。

圖5 隔膜位置示意圖

通過位置傳感器信號實現(xiàn)隔膜控制。在隔膜導(dǎo)磁桿內(nèi)安裝磁致伸縮位移傳感器，連桿通過磁致伸縮位移傳感器測量桿的左右相應(yīng)移動，檢測出隔膜的位移變化。通過連續(xù)的測量信號，完成補油和排油控制，從而控制隔膜左、右移動。通過位置傳感器信號實現(xiàn)隔膜控制的優(yōu)點。

圖6 隔膜位移檢測原理

這種隔膜位置檢測的優(yōu)點，是機械可動部件少，使用壽命長，測量的可靠性和穩(wěn)定性都比較好。采用位置傳感器能實現(xiàn)實時測量隔膜位置，傳感器轉(zhuǎn)變成4～20 mA標準連續(xù)信號，通過控制系統(tǒng)完成隔膜運行的優(yōu)化控制。

3 結(jié)束語

通過對隔膜泵測控系統(tǒng)的改進和隔膜位置監(jiān)控的試驗，使隔膜泵系統(tǒng)運行得到顯著優(yōu)化。在同等作業(yè)條件下，相比原主泵測控系統(tǒng)，控制功能更有效。在隔膜位置監(jiān)控方面，提出了先進的獨特檢測方法，并利用組合式測量方式進行優(yōu)化控制，提高了隔膜壽命，保障輸?shù)V效率。