殷冠軍, 趙子恒

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

0 引言

在冶金、化工、環(huán)保污水處理等工藝中,運(yùn)用板框壓濾機(jī)進(jìn)行固液分離較為普遍。隨著智能工廠理念的實(shí)踐,要求設(shè)備具備更高的生產(chǎn)過程可控性,盡可能減少生產(chǎn)線人工參與。板框壓濾機(jī)本體運(yùn)行有自動、手動兩種模式,目前新型壓濾機(jī)一般采用全自動運(yùn)行模式,通過一套或多套PLC(Programmable Logic Control system,可編程邏輯控制系統(tǒng))進(jìn)行控制,全程無擾運(yùn)行。

壓濾機(jī)與前后工藝段結(jié)合的連續(xù)控制一般由兩種方式實(shí)現(xiàn),一是通過壓濾機(jī)本體PLC連接上下游設(shè)備驅(qū)動器,輸出連鎖控制;二是通過OPC(OLE for Process Control,用于過程控制的OLE技術(shù))協(xié)議、Profibus-DP、Profinet、Modbus RTU等通訊方式,與上位機(jī)DCS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,輸出連鎖信號自動控制上下游設(shè)備。在壓濾機(jī)下游設(shè)備中,承接固體渣料的運(yùn)輸皮帶/螺旋給料機(jī)尤其重要,若其發(fā)生故障,停轉(zhuǎn)或發(fā)生堆料,上游壓濾機(jī)必須連鎖停止運(yùn)行。

設(shè)計(jì)過程中,一般采用較大輸出功率電動機(jī)驅(qū)動輸送裝置,以滿足壓濾機(jī)卸料的特殊要求。但在實(shí)際生產(chǎn)中,由于進(jìn)料量、渣量、物料粘度、含水量等參數(shù)變化,設(shè)計(jì)選型的驅(qū)動裝置負(fù)荷并不一定滿足生產(chǎn)需要,出現(xiàn)堵料、電機(jī)燒毀等故障。為了保證壓濾機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行,使整個(gè)生產(chǎn)過程平穩(wěn)、連續(xù),本文通過優(yōu)化壓濾機(jī)自動卸料工序的控制邏輯,拆分集中卸料的瞬時(shí)負(fù)荷,實(shí)現(xiàn)降低頻發(fā)故障的功效。同時(shí)以某項(xiàng)目“除鐵鋁壓濾”子項(xiàng)及“產(chǎn)品過濾及包裝”子項(xiàng)板框壓濾機(jī)不同的改造方案作為對比,驗(yàn)證自控程序優(yōu)化的優(yōu)越性。

1 背景及問題描述

某項(xiàng)目為紅土鎳礦濕法冶金項(xiàng)目,進(jìn)料品位約為1%紅土鎳礦,經(jīng)高壓酸浸氧化還原及一系列冶煉工藝后,產(chǎn)出含水約為40%的氫氧化鎳鈷水合物(固體粉末)產(chǎn)品。其主工藝流程中,除鐵鋁壓濾、產(chǎn)品過濾及包裝兩工段使用了原產(chǎn)國為芬蘭的LAROX板框式壓濾機(jī)。除鐵鋁壓濾工段中,典型進(jìn)料配方為11 m3/次,出渣量為3.5 t/次。

LAROX板框式壓濾機(jī),采用先進(jìn)控制系統(tǒng),理論上可實(shí)現(xiàn)全自動運(yùn)行、無人值守。其本體主控CPU為西門子S7-300系列,采用倍福分布式IO接口卡件。分布式子站有液壓油站、門控安保、板框升降、濾布檢測、壓縮空氣控制及HMI人機(jī)交互6個(gè)子站,主控制器與子站之間通過Profibus-DP協(xié)議進(jìn)行通訊。壓濾機(jī)后端螺旋輸送機(jī)驅(qū)動電機(jī)的控制信號集成到主控CPU中。其與上位DCS系統(tǒng)之間通訊也采用Profibus-DP通訊協(xié)議,信號上傳至總控制室顯示。

壓濾機(jī)的運(yùn)行過程分為:過濾、一次擠壓、洗滌、二次擠壓、空氣干燥、濾餅排放。其中濾餅排放工序主要工作為:壓濾機(jī)壓濾成型的濾餅在干燥完成后,壓濾機(jī)上的板框組件將打開,同時(shí)其濾布移動機(jī)構(gòu)啟動運(yùn)行,濾布上的濾餅從過濾機(jī)兩邊排出。一般一次卸料時(shí)間為三層濾板的滾動時(shí)間,約30 s。

某項(xiàng)目“除鐵鋁壓濾”工段使用兩臺PF939型號LAROX壓濾機(jī)(下文稱為除鐵鋁壓濾機(jī)),“成品過濾及包裝”工段使用兩臺PF942型號壓濾機(jī)(下文稱為產(chǎn)品壓濾機(jī)),每臺均含濾板24層,單次卸料分別為3.5 t、2 t。瞬間排放的高重量濾餅(固體渣/成品)是對后續(xù)工藝螺旋輸送機(jī)工作性能的嚴(yán)重考驗(yàn),生產(chǎn)過程中頻繁出現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)堵料、壓死和電機(jī)過負(fù)荷燒毀的情況。

為解決上述問題,產(chǎn)品壓濾機(jī)子項(xiàng)依次采用以下方案解決問題:(1)更換后續(xù)工藝螺旋給料電動機(jī),將電動機(jī)功率由11 kW提升至22 kW;(2)在壓濾機(jī)給料角倉與螺旋輸送機(jī)之間增加泵閥,通過泵閥緩沖批量集中進(jìn)料,將濾餅勻速蠕動進(jìn)螺旋輸送機(jī)中;(3)嚴(yán)格控制濾餅工藝參數(shù),保證其濕度和粘度,以防止堵料現(xiàn)象發(fā)生。每臺壓濾機(jī)改造費(fèi)用約20萬元,工期1天。

為解決上述問題并節(jié)省改造成本,除鐵鋁壓濾機(jī)在改造時(shí),分析故障產(chǎn)生的根本原因,通過變更壓濾機(jī)卸餅程序,將集中卸料轉(zhuǎn)變?yōu)殚g斷卸料,解決了上述故障頻發(fā)的問題。

2 解決方案

2.1 故障分析

螺旋給料機(jī)堵料、壓死或負(fù)荷過大乃至燒電機(jī)故障,其根本原因是短時(shí)間內(nèi)大量物料集中排放,從壓濾機(jī)角倉直接進(jìn)入螺旋給料機(jī)受料端?？梢詮膬煞N思路緩解這種情況:一是加大輸送機(jī)能力,二是控制單位時(shí)間出料量。第一種思路解決辦法是不斷提升輸送機(jī)電動機(jī)功率,直至其滿足壓濾機(jī)卸料直至其滿足壓濾機(jī)運(yùn)行卸料工序時(shí),后續(xù)工段能連續(xù)無故障運(yùn)行,能連續(xù)無故障運(yùn)行;第二種思路有兩種途徑解決:一是通過改動料倉結(jié)構(gòu)、添加泵閥或緩沖倉,二是優(yōu)化卸料程序,延長卸料總時(shí)間。第一種思路解決方案和第二種思路改動設(shè)備物理結(jié)構(gòu)的方案施工難度大,需要一定的改造空間,而卸料程序優(yōu)化方案改動簡單,僅需改動壓濾機(jī)卸料程序,無需硬件改造。

2.2 優(yōu)化方案

2.2.1 條件分析

對原控制程序進(jìn)行分析:壓濾機(jī)在完成濾餅干燥后,啟動卸餅程序。卸餅時(shí),全部板框打開,液壓站驅(qū)動濾布前進(jìn)電機(jī),使濾布向前運(yùn)動。如圖1所示,壓濾機(jī)兩側(cè)濾布轉(zhuǎn)動輥處均有刮刀,可把濾餅刮落,濾餅通過自重掉落在壓濾機(jī)兩側(cè)的角倉中。

1.隔膜 2.濾布 3.濾餅 4.刮刀 5.沖洗噴頭圖1 壓濾機(jī)濾餅排放示意圖

圖2 壓濾機(jī)后段螺旋給料機(jī)堵料、壓死故障處理思路圖

根據(jù)卸料原理,程序優(yōu)化時(shí)需考慮以下幾點(diǎn):

(1)僅第一板濾餅卸料需進(jìn)行間斷卸料,之后兩段板卸料為濾布再清理,濾餅料量很少,為壓濾機(jī)工作效率考量,無需進(jìn)行間斷卸料。

(2)壓濾機(jī)濾布通過一條金屬接縫回環(huán)在一起,如圖3所示。為保證每次壓濾時(shí),濾布接縫均位于轉(zhuǎn)動輥表面,而不是在壓濾艙(如圖1隔膜與濾布之間形成的密閉空間),需通過濾布接縫檢測器和濾布前進(jìn)編碼器兩個(gè)傳感器共同計(jì)算,得出卸餅時(shí)濾布最終前進(jìn)的相對距離。本文實(shí)例選用PF939除鐵鋁壓濾機(jī),單板長度為1 440 mm、托輥半周長為314 mm。所以每次卸餅時(shí)計(jì)算單板前進(jìn)距離時(shí)以 1 754 mm作為有效距離。

1.濾布 2.金屬接縫 3.金屬鉤 4.強(qiáng)力膠圖3 壓濾機(jī)濾布極其金屬接縫示意圖

(3)卸餅程序執(zhí)行時(shí),需考慮原連鎖條件的適用性。具體為:①壓濾機(jī)板框需始終處于卸餅位,卸餅插銷傳感器信號置1,板框高度傳感器反饋信號在允許范圍內(nèi);②壓濾機(jī)保護(hù)門處于閉合狀態(tài),門框傳感器信號置1;③干燥空氣閥門均已關(guān)閉,閥門開到位信號置低電平,關(guān)到位信號置高電平;④模式處于全自動卸料模式。

2.2.2 變量分析

方案需選擇合適的執(zhí)行變量,當(dāng)前進(jìn)驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動時(shí),濾布在極短的時(shí)間(約5 ms)加速至約0.2 m/s(記為v,視作勻速運(yùn)動)。所以,濾布前進(jìn)距離可通過時(shí)間計(jì)算,也可以通過濾布運(yùn)動的相對距離進(jìn)行計(jì)算。本實(shí)例中選用濾布運(yùn)動相對距離變量。

(1)記單次卸餅時(shí)濾布間隔運(yùn)行次數(shù)為n。

(2)記卸餅時(shí)濾布間隔運(yùn)行時(shí)間為t(單位s)。

(3)設(shè)濾布當(dāng)前位置為S(濾布位置可通過脈沖編碼器進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)定位輥轉(zhuǎn)動的圈數(shù)、半徑和脈沖數(shù)對應(yīng)變換,為簡化表示,本文中將濾布脈沖直接轉(zhuǎn)化為mm)。

(4)濾布卸餅程序執(zhí)行時(shí),打開板框并定位,記此時(shí)濾布相對位置為S1(相對于接縫位置,單位為mm)。

(5)記濾板長度為L(單位mm),本文實(shí)例為1 440 mm。

(6)記輥筒半徑為R(單位為mm),本文實(shí)例為100 mm、半周長為314 mm。

(7)單板濾布卸餅需要前進(jìn)的距離為L+πR,本文實(shí)例為1 754 mm。

(8)計(jì)算單次相對運(yùn)動距離(|(L+πR)/n|)。

2.2.3 程序方案

編寫濾布間斷卸料執(zhí)行程序:

(1)上文中,程序優(yōu)化前置條件均作為間斷卸料程序必要條件。全部滿足后,程序使能。

(2)建立靜態(tài)全局變量m,n,并通訊至觸摸屏HMI及DCS上位機(jī)。操作員可在控制中心、現(xiàn)場操作屏幕修改兩個(gè)參數(shù)。

(3)建立約束條件,當(dāng)S1≤S

(4)建立局部變量S2,記為當(dāng)前濾布位置暫存位。卸餅程序啟動,濾布向前運(yùn)動時(shí),將S1傳入S2。

(5)當(dāng)S=S2+|(L+πR)/n|時(shí),使用上升沿置位時(shí)間繼電器,同時(shí)將當(dāng)前濾布位置S記入S2。

(6)t時(shí)間后自復(fù)位,同時(shí)驅(qū)動濾布繼續(xù)運(yùn)動。

(7)循環(huán)執(zhí)行至不滿足第3條約束條件,跳出執(zhí)行,進(jìn)入原程序運(yùn)行。

2.3 應(yīng)用案例

在某紅土鎳礦冶煉項(xiàng)目中,對除鐵鋁壓濾工況的壓濾機(jī)進(jìn)行間斷卸料優(yōu)化改進(jìn),通過試驗(yàn)最終選定m=8 s、n=3次的優(yōu)化參數(shù),壓濾周期比改造前每輪多耗時(shí)24 s。除鐵鋁壓濾每輪工作周期約25 min,總耗時(shí)上升約1.6%,占比極小。

壓濾機(jī)間斷卸料優(yōu)化程序的改進(jìn),既保證了壓濾機(jī)整體運(yùn)行效率的平穩(wěn)性,又滿足了后續(xù)螺旋給料機(jī)的負(fù)荷承受能力,極大減少了故障頻次。在程序改進(jìn)后,輸送機(jī)壓料、電機(jī)過負(fù)荷燒毀的現(xiàn)象基本不再發(fā)生。

相較于成品壓濾及包裝工況的設(shè)備改造,本文采用的方案無需考慮改造空間上的限制,沒有硬件上的投資和改動,升級過程簡單高效,程序下載安裝和試驗(yàn)整體僅耗時(shí)2 h,既節(jié)省了改造成本,又保證了生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)語

智能設(shè)備優(yōu)化控制的改進(jìn)是工業(yè)企業(yè)面向未來,適應(yīng)智能化、數(shù)字化發(fā)展的必然舉措。在設(shè)備故障綜合解決方案考評時(shí),技術(shù)人員應(yīng)選用適當(dāng)節(jié)省成本的方案,或應(yīng)用更合理的方案進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。本文應(yīng)用間斷卸料優(yōu)化控制方式,改進(jìn)了壓濾機(jī)卸餅控制程序,減輕了后續(xù)螺旋給料機(jī)瞬時(shí)運(yùn)行負(fù)荷,極大降低了故障發(fā)生概率。本文案例應(yīng)用并未改變現(xiàn)有系統(tǒng)的硬件,節(jié)省了改造成本和時(shí)間,以更加簡便的方式實(shí)現(xiàn)工廠智能升級,對有壓濾機(jī)卸料有改造需求的同類項(xiàng)目有借鑒意義。