可編程邏輯控制器在二氧化鈦分級行業中的應用

王保軍 李映萍 徐 健

海申機電總廠（象山）（浙江寧波 315718）

二氧化鈦又名鈦白粉，是一種染料及顏料。目前國內通用的二氧化鈦生產工藝是：二氧化鈦在調制罐中與乙二醇混合，配比成質量分數為50%～55%的懸浮液，經過一級、二級研磨后用乙二醇稀釋成質量分數為12%～15%的懸浮液，由螺桿泵輸入臥螺離心機進行分級處理；分級的目的是回收含1 μm 及1 μm 以下顆粒的液相用于精細產品生產。臥螺離心機進行分級處理后，含1 μm 及1 μm 以下顆粒的液相通過專用管路輸出至成品車間進行深加工，大于1 μm 的渣相從固相排放口排出后輸送至調制罐回用。具體如圖1 所示。

圖1 二氧化鈦生產工藝流程

1 臥螺離心機組成及其工作原理

1.1 離心機組成

系統采用目前國內最為先進的LW400HQ 型離心機進行二氧化鈦分級處理；該離心機主要由主電機、副電機、轉鼓部件、螺旋部件、軸承座部件、機座部件、行星齒輪差速器以及配套管路系統等部分組成，其技術參數如表1 所示。

表1 LW400HQ 離心機技術參數

1.2 離心機工作原理

質量分數為10%～15%的二氧化鈦懸浮液經由進料泵通過進料管進入離心機轉鼓內部，在高速旋轉所產生的離心力的作用下，二氧化鈦懸浮液因粒徑大小存在差異而產生密度差，從而實現物理分層，密度較大的固體顆粒沉積在轉鼓內壁上被螺旋輸送器不斷推出轉鼓出渣口，而≤1 μm 的二氧化鈦細小顆粒經液層調節板開口溢流出。控制系統通過對離心機副電機轉速的改變，控制螺旋推料的速率，調節離心機對二氧化鈦的分級處理效果。

2 二氧化鈦分級PLC 自動控制系統的組成及程序設計流程

2.1 PLC 自動控制系統的組成

PLC 自動控制系統由電器控制柜、主副變頻器、PLC 自動控制模塊、信號隔離器、顯示屏、現場操作箱等部件組成。

2.1.1 主副變頻器采用雙電機、雙變頻驅動技術

主副變頻器控制主副電機的運行，采用獨有雙變頻連接模式，使在整個分離運行過程中，和差速器小軸相連的副電動機從離心機處接受機械能，長期運行在第二象限而產生再生狀態能量，該能量通過變頻器之間的直流母線反饋到主變頻器的直流電橋上，經過主變頻器被主電機利用，從而減少從電網上獲取能量，達到節能的目的。

2.1.2 控制系統采用PLC+HMI 全自動控制

離心機控制柜內置PLC，實現對主副電機變頻器的控制及完全自動化操作。通過人機界面（HMI）輸入系統運行的各種參數，并監控系統內各設備的運行狀態，當出現故障時（溫度、震動、扭矩）進行相應的報警，并顯示故障信息；這樣易于操作，維護方便。預留硬件——遠程（客戶端），控制主、副電機的啟動和停止，接收設備正常運行信號（非清洗狀態）。

2.1.3 電氣控制系統功能

物料經臥螺離心機分級處理后，被澄清的濾液由澄清液管道排出，差速根據負載及進料濃度變化自動反饋調節，推料功率自動補償，以保證穩定的分級效果，而渣相則源源不斷地從主機排渣口排出。

轉鼓與螺旋之間的差速采用自動差速及扭矩控制系統進行控制。

差速自動控制保證螺旋推料速率的穩定。差速反映了離心機螺旋推料速率大小：差速大時廢渣在轉鼓內停留時間短，脫水不充分，廢渣含水率高，但能提高處理量；反之，廢渣含水率低，處理量小。采用恒差速控制能使螺旋推料速率始終保持穩定。

螺旋推料力矩恒轉矩控制：自動調節差速或自動調節進料量，達到推料力矩的穩定。螺旋推料扭矩反映了離心機的負載情況：扭矩過大容易引起離心機堵料，嚴重時損壞差速器；扭矩過小容易造成分離效果不理想。采用恒扭矩控制能夠使螺旋推料力矩始終保持穩定，轉鼓內物料不易產生堆積現象，避免了堵料的發生。

2.2 PLC 程序設計及流程

控制流程可以分為手動控制模式和自動控制模式，具體如圖2 所示。

2.2.1 手動控制模式

在手動控制模式下，各設備可以單獨調試，如圖3 所示。在該模式下，可以分別控制離心機、進料泵、進料閥、沖洗閥、成品閥、連通閥、渣相閥。離心機的分離轉速、進料泵的流量大小可以通過增大或減小變頻器的頻率來調節。

圖2 離心機手自動控制流程

圖3 手動操作流程

2.2.2 自動模式模式

在自動控制模式下，程序流程如圖4 所示。

圖4 離心機自動控制程序流程

打開電源切換到自動控制模式，自動控制系統準備運行，按下程序啟動按鈕，系統自動運行，其工作流程如下：將“自動、手動”開關打到“自動”擋，將“運行、停車”開關打到“運行”擋，將“分離、沖洗”開關打到“分離”擋，其他各閥打到關閉。確認成品閥閥門關閉，按“程序啟動”按鍵，離心機啟動，進入分離程序。300 s 的升速時間，180 s 的穩速時間，穩速時間到，進料閥、連通閥同時打開；300 s 的粗細分離后，連通閥關閉，成品閥打開，然后進行正常分離；渣相閥一般情況下常開。物料分離完，離心機進入沖洗程序。一共4 次沖洗，其中2 次正轉沖洗，2 次反轉沖洗，每次沖洗2 min。沖洗過程中，沖洗閥隨離心機啟動穩速后打開，連通閥常開。4 次沖洗完畢后，一般在1 500 s 后，全機復位，關閉各電源。

3 PLC 自動控制系統見問題及解決方法

3.1 離心機因沖洗不徹底造成二次開機困難

由于物料黏度大、沉降速率大，沖洗不徹底，導致轉鼓與螺旋部位積料，造成離心機二次開機時因負載較大而報警停車。解決方法：PLC 自動控制系統引入波段沖洗程序，沖洗波段分別為高速-低速-正轉-反轉等沖洗過程，使離心機沖洗得更為徹底，避免了二次開機困難。

3.2 進料量波動影響分離效果

離心機正常運行時，進料濃度變高或變低，進料量變大或變小，都會改變物料在離心機轉鼓內的分布狀況，從而影響分離效果。解決方法：PLC 自動控制系統引入了差速控制和力矩控制。差速控制是指當離心機進料濃度或進料量改變時，通過調節差速的大小改變推料速率，使離心機轉鼓內部物料分布達到平衡，保持離心機分離效果不變。力矩控制是指采集當前離心機的實時力矩值，根據力矩值的改變自動調節差速，使離心機分離效果保持不變。

3.3 變頻器輸出異常影響分離效果

離心機在運行過程中主副變頻器模擬量輸出異常波動，造成主機轉速或者進料、加藥量波動較大，影響分離效果。原因可能是變頻器出現信號干擾。解決方法：加隔離變壓器，其主要針對來自電源的傳導干擾，可以將絕大部分傳導干擾阻隔在隔離變壓器之前；使用濾波器，濾波器具有較強的抗干擾能力，還可以防止將設備本身的干擾傳導給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能；使用輸出電抗器，在變頻器到電動機之間增加交流電抗器主要是為了減少變頻器輸出過程中線路產生的電磁輻射，以免影響其他設備正常工作。

3.4 離心機自動停機，CPU 出現異常報警

外部元器件短路，引起離心機運行過程中自動停機，CPU 異常報警。解決方法：檢查CPU 單元連接于內部總線上的所有元器件，依次更換可能產生故障的單元，找出故障單元，作出相應處理。

3.5 離心機二次開機時程序畫面丟失

離心機二次開機時程序畫面丟失的原因可能是內存故障或電磁干擾。解決方法：更換內存或增加屏蔽防干擾措施。

4 結語

隨著現代工業的發展，自動化程度越高對工廠帶來的效益就越大。PLC 控制系統的安全性、可靠性、合理性、開放性、擴展性很好地體現了它的特點。離心機PLC 自動控制在二氧化鈦分級工藝中的實現，擴展了設備對工藝的適應性，降低了生產人員的勞動強度，隨著設備穩定性的提高，提升了分離效率，使生產成本大大降低。