卧式螺旋卸料离心脱水机控制系统的设计与实现

1、卧式螺旋卸料离心脱水机控制系统的设计与实现摘要卧式螺旋卸料离心脱水机（简称卧螺离心机）是实现固液分离的关键设备。卧螺离心机工作时，转鼓转速及其与螺旋输送器之间的差速，决定着物料的分离效果和分离效率等。是离心机的重要控制参数。离心机的高效分离性能必须通过完善的自控系统才能得以实现。随着离心机设备的要求越来越高，设备不断更新，可靠性、易操作性、可监视性和易维护性已是最基本的要求了。由继电器组成的控制电路具有可靠性差、不易维护、不易监示等缺点，己不能适应当前的要求。随着电子技术、软件技术和控制技术飞速发展，可编程控制器（PLCl控制已成为国内外的主流控制方式。本课题主要是根据卧式螺旋卸料离心脱水机的

2、特点，设计研制满足卧式螺旋卸料离心脱水机使用要求的、高性能的控制系统。本课题深入分析了离心脱水机的工作原理及其关键技术，选用电磁调速电机驱动污泥泵，选用变频器调速方式驱动卧式螺旋卸料离心脱水机的转鼓和螺旋输送器，实现了对污泥泵、转鼓和螺旋输送器的无级调速。并对转鼓支承轴承实行温度自动控制，保证了设备的长期可靠运行。我们根据设备的特点与要求，完成了PLC电控系统的操作方便性设计和可靠性设计，结合软件编程实现系统的功能。在制作控制箱及现场调试的过程中，进行了抗干扰分析，并从硬件和软件等方面采取措施，提高了控制系统的抗干扰能力。在本课题的设计与研究中，以实用为原则，注意设计方案的可行性、可靠性及稳定

3、性等。本课题虽然是选择的某一特定型号的卧螺离心机，但其设计思路和方法可为其他型号的卧螺离心机控制系统的设计提供参考。关键词：卧螺离心机，控制系统，变频器，可编程控制器，抗干扰插图清单4444图21图2-2图31污水处理过程8卧螺离心机结构图.9离心机系统总体结构.15变频器结构图变频器的功用电动势原理图.15图32图33图3-4图3-5图3-6图37表31变频器并联操作两个及两个以上电动机一19变频器顺次起动多台电动机.19PLC机硬件构成20PLC端子分配表21PLC外部硬件配置图24TOC o 1-5 h z图38控制系统硬件配置图23图3-9图310污泥泵调速电机接线图25图3-11共直

4、流母线交流变频调速系统的结构26图312卧式螺旋卸料离心脱水机控制箱的面板.27图313卧式螺旋卸料离心脱水机控制箱的外型28图314卧式螺旋卸料离心脱水机控制箱的内部结构.29图5-图41图42图43图4-4图51图52图图5-卧式螺旋卸料离心脱水机的工作过程.32转鼓和螺旋输送器的升速流程图.32离心机/污泥泵控制电压的计算程序流程图35PLC、变频器及若干外围设备的综合接线图.36采用继电器进行隔离42DI输入模块光电隔离43DO输出模块光电隔离43变频器抗干扰外部接线47可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检致谢值此论文完成之际，谨向我的导师陈远龙表示最真诚的感谢和敬意

5、！在研究生阶段近三年的学习和生活期间，陈老师都给予了我无微不至的关怀和毫无保留的教导。本论文的选题、资料收集到撰写、修改都凝聚着陈老师的心血.陈老师渊博的学术知识、严谨的治学态度、诲人不倦的育人精神都使我受益终身，并将指导我在以后的人生道路中不断进步。谨向导师陈远龙致以最诚挚的敬意和衷心的感谢。感谢万胜美老师，丁苏赤老师，是他们的聪明智慧和辛勤劳动才使课题得以顺利完成。十分感谢他们给予我的关心和帮助。感谢我所有的授课老师，感谢师弟贾志华、徐必超，以及宿舍里我亲密的室友对我在学习上和生活上的关心和帮助。尤其要感谢我的父母，他们教给我做人的道理，他们给予我向前的勇气，他们是我挫折后永远的避风港。最

6、后，衷心感谢所有给予我帮助的人！作者：张凤霞2007年5月第一章1.1我国水污染控制现状绪论随着人口的增加，经济的发展以及工业化步伐的加快，我国城市污水的排放量也与日俱增，导致水体污染严重。近20年来，污水的年排放量在大幅度增力口。1999年全国工业和城市生活废水排放总量为401亿吨，比上年增加1.5%。其中工业废水排放量197亿吨，比上年减少2.0%；生活污水排放量204亿吨，比上年增加5.2%；生活污水排放量超过工业废水摊放量。2003年全国工业和城镇生活废水排放总量为460.0亿吨，比上年增加4.7%。其中工业废水排放量212.4亿吨，比上年增加2.5%；城镇生活污水排放量247.6亿吨

7、，比上年增加6.6%11】1”。由此可见，我国污水的排放量逐年上升，并且上升的速度有增加的趋势。我国人均水量少，只有世界平均水量的14，水资源供需矛盾突出，加上污染严重，水资源问题是当前我国社会经济可持续发展最突出的问题之一。为适应经济发展和人民生活水平不断提高的要求，加快城市污水治理工作已刻不容缓。然而，污水处理是一门涉及化学、物理、生物等多门科学的综合性技术，其工艺机理复杂，操作要求十分严格，实现起来难度较高。如果单凭现场人员手动操作，往往操作繁琐，劳动强度大，处理效果差。我国水污染控制水平尤其是工业废水的污染控制水平较低。虽然工业废水水量相对较少，但是它分散广，浓度高，处理工艺流程复杂。

8、这与我国现阶段自控水平低，控制设备落后的状况形成尖锐的矛盾，以致工业废水难以得到有效的处理，出水水质状况差，处理水不达标的情况。面对水量增加，处理效率低的双重压力，增加对污水处理的资金投入，应用性能优良的污泥处理设备和控制技术，是尽快解决我国城市水环境污染问题的关键，这也可以为未来的城市污水处理打下良好的基础。1.2污泥脱水设备性能比较过去，国内城市污水处理厂的污泥（浓缩）脱水，绝大部分都采用带式压滤机，离心机因其噪音大、能耗高、处理能力低而很少采用，然而，最近几年来，卧螺离心机（简称离心机）的应用大有超过带式压滤机（简称带滤机）之势。在国外，卧螺离心机的应用很普遍。而在国内，卧螺离心机的推广

9、主要得益于离心机厂家成功的市场营销。国外采用离心机的主要原因是其脱水后含固率高，可达30%以上，而国内由于污泥处置费用不高，对含固率要求也不高，一般只要求超过20%，这样国外供给国内的离心机的材质和加工精度降低一个档次仍能满足要求。由于国内部分设计人员对采用离心机的认识模糊，选用离心机而对其处理后含固率仍与带滤机要求相同，这样离心机就失去了其竞争优势。国内许多设计院或用户常常忽视了这一点。下面根据带滤机和离心机的使用调查情况，就污泥浓缩脱水设备的性能作以下探讨。由于带滤机为污水处理厂污泥脱水的主流，因此离心机的优点主要建立在与带滤机的比较上，离心机对带滤机来说，具有如下优点：卧螺离心机利用离心

10、沉降原理，使固液分离，由于没有滤网，不会引起堵塞，而带滤机利用滤带使固液分离，为防止滤带堵塞，需高压水不断冲刷；离心机适用各类污泥的浓缩和脱水，带滤机也适用各类污泥，但对活性污泥需投药量大且脱水困难；离心机在脱水过程中当进料浓度变化时，转鼓和螺旋输送器的转差和扭矩会自动跟踪调整，所以可不设专人操作，而带滤机在脱水过程中当进料浓度变化时，带速、带的张紧度、加药量冲洗水压力均需调整，操作要求较高；在离心机内，细小的污泥也能与水分离，所以絮凝剂的投加量较少，一般混合污泥脱水时的加药量为3kgA干泥】，污泥回收率为95%以上，脱水后泥饼的含水率为65%75%左右，而带滤机由于滤带不能织得太密，为防止细

11、小的污泥漏网，需投加较多的絮凝剂以使污泥形成较大絮团，一般混合污泥脱水时的加药量大于3kg,t千泥,污泥回收率为90%左右，脱水后泥饼含水率80%左右：离心机污泥脱水耗电为1.2kw/m3，运行时噪音为7680db，全天24h连续运行，运行中不需清洗水，停机除外；而带滤机污泥脱水耗电为O.8kW/m3，运行时噪音为7075db，滤布需松驰保养，一般每天只安排二班操作，运行过程中需不断用高压水冲洗滤布；离心机占用空间小，安装调试简单，配套设备仅有加药和进出料输送机，整机全密封操作，车间环境好；而带滤机占地面积大，配套设备除加药和进出料输送机外，还需冲洗泵，空压机，污泥调理器等等，整机密封性差，高

12、压清洗水雾和臭味污染环境，如管理不好，会造成泥浆四溢；离心机易损件为轴承和密封件，螺旋输送器的维修周期一般在3年以上；而带滤机易损件除轴承、密封件外，滤带也需更换，价格昂贵；运行费用的计算。离心机厂商在进行离心脱水与带式压滤脱水运行费用比较时，采用如下算法P1：假设：以8x104t/d的污水处理厂为例，泥浆量为333m3/d，干泥量为10t/d,进泥含固量为3%（浓缩后污泥），脱水后污泥含固率20%。带机投药量4k#t干泥】计，单机处理电耗以0.8kW/m3泥浆计，冲洗水：污泥浆为1：1;离心机投药量以3kg&干泥1计，单机处理电耗以1.2kW/m3泥浆计，2冲洗水以0计，电费0.53元/kw

13、，水费1.0元/m3，药费80元/kg。计算得：带式压滤机：药费为3200元/d；电费为141.192元，d；水费为333元，d。J则带机的日运行费用为刀=3200+141.192+333=3674.192元，d。离心机：药费为2400元/d；电费为211.788元/di水费为0元/d；则离心机的日运行费用为刀=2400+211.788+0=2611.788元/d。运行费差额：1062.404元，d，1年以360d计，=1062.404元/dx360d382465.44元人民币。即1年运行费带机大约比离心机多38.25万元人民币.根据上述分析，得出如下结论：污泥脱水采用离心机比带滤机更合适；离

14、心机由于分离效率高，对污泥的絮凝要求比带滤机低，所以药耗低，且运行费用低、月收益和脱水效果好。1.3离心机概况随着工业的不断发展，在化工、石油化工、石油炼制、轻工、食品，医药、纺织、冶金、煤炭、船舶、国防工业等各个领域都需要进行固液分离。在固液分离的主要方法中离心分离得到了广泛应用，实现这种离心分离的机器叫离心机。离心机与其它分离机械相比，不仅能得到含湿量较低的固体和较高纯度的液相，而且能节省劳动力、降低劳动强度，可使劳动条件和劳动环境得到很好的改善：离心机还具有处理量大，操作简单，自动化程度高、占地少等优点。因此，离心机是现代工业中普遍用来分离固、液混合物的机械【41。我国生产离心机至今已有

15、20余年的历史，开始大多是立式离心机和其他形式的推料或过滤离心机，卧螺离心机是近几年随着污水处理工程的增多才大量开始研制和生产的机型。目前，国内生产卧螺离心机的厂家有重庆江北机械厂，广州重型机械厂、湘潭离心机厂、解放军4819工厂、浙江青田特种设备厂、南京绿洲机械厂、上海化工机械厂、上海离心机械研究所等十余家企业，其中在行业内具有代表性的企业有：重庆江北机械厂、解放军4819工厂、上海离心机械研究所等。其技术有一部分主要来源于直接与国外离心机公司的技术合作、引进以及生产，如与法国坚纳（Guinard），德国洪堡（Humboldt）等公司的合作。另有一部分厂家的技术主要源于自主开发，或对国外技术

16、进行引进、消化和吸收的基础上逐步发展起来的，但仍有一部分停留在模仿国外公司的技术上，基本上属于对国外技术的简单翻版，缺少自主创新。目前在我国常见的进口卧螺离心机厂家主要有：较早进入中国市场的瑞典的阿法拉伐（AlfaLaval）、德国维斯伐利亚（Westfalia）、福乐伟（Flottweg）、洪堡（Humboldt）、意大利的贝亚雷斯（Pieralisi）、日本巴工业株式会社等，以及近期进入中国的瑞典诺克森（NOXON）、法国坚纳（Guinard）等公司，产品主要集中在市政以及工业污水处理中的污泥脱水领域。主要技术特点基本相同，但在技术细节上存在较大的差异。国内外卧螺离心机技术对比情况如下：（

17、1）材料。目前国内与国外设备中，主要部件都采用不锈钢制造，尤其是转鼓与螺旋输送器部分全部采用不锈钢，只有少数国外厂家可针对不同的处理对象及介质的要求，采用适合的材质，如对于市政污水处理和无腐蚀性场合，采用高强度碳钢防腐，避免了过度设计，大大降低了制造成本，通过十余年的实践证明，在市政污水处理中采用碳钢防腐的材质是完全可行的.（2）高干（效）型机型设计。所谓高干（效）型机型是国外较常用的叫法，国内则习惯称为浓缩脱水一体化机。可对未经浓缩的污泥直接进行脱水，通常可处理含固量在0.40.8%左右的市政及工业污泥。目前，国内仅有部分厂家拥有此项技术，技术主要来源于与国外公司技术合作、引进，仅有少数厂家

18、是对国外技术进行消化吸收、改进后的创新技术，但又各有不同。国内另有一小部分公司则吸收了阿法拉伐公司的BD挡板技术，或其他公司的压榨式螺旋设计，即在离心机锥段的螺旋出料端设置一个特殊挡板，即BD挡板，或增大锥段螺旋设计（内锥体），可使离心机处于超深液池状态，使池中液面处于高于固体排放面状态下运行，并在锥段减小污泥空间体积，增加对泥饼的压力，并且只输送下部沉渣，而将上部含水率高的污泥截留在压榨锥段外侧，实现压榨脱水（类似于螺旋压榨脱水机），使出泥更干。螺旋输送器的螺旋叶片设计成螺距渐变的形式，螺距从转鼓大端至小端逐渐减小，使沉渣在输送时出受到径向的离心力压实外，还受到轴向的双向挤压作用，沿轴向产生

19、挤压力。于是沉渣的毛细孔隙减小，所含的水分向外排放，从而使沉渣的含水量降低。另一种设计是在螺旋简体上设置横截面为阿基米德螺线形的压榨板。当沉渣从螺旋圆柱段推向锥段时，螺线形压榨板将沉渣逐渐压缩。由于压榨板与转鼓筒体形成楔形通道压渣压力逐渐升高，在出口处达到最大，并将滤液沿楔形间隙的切线方向从较宽的方向排出。国外离心机的高干型设计除上述两种之外，近期瑞典诺克森（NOXON）公司推出一种新型专利技术，称为Lamella技术，即采用斜板沉淀的原理，将离心机螺旋输送器叶片设计成倾斜状态，其叶片倾角、螺距、叶片间距等参数经过优化设计，达到最佳处理效果。使固体沉降时间缩短数倍，大大减少螺旋输送器叶片对澄清

20、液池的扰动，絮凝剂的消耗量比普通离心机减少30%40%，而处理能力比普通离心机提高40%。特别适用于处理一些超细或凝胶状固体。目前处理的最低进料浓度可达0.2%。国外不同厂家的离心机在高于（效）型设计方面采用不同的技术，在实现的方式也各有差异，高干型设计主要是通过改变转鼓与螺旋输送器结构实现的，但也有部分厂家通过对差速的反馈控制实现。限于篇幅在此不再一一赘述。4（3）驱动方式。在驱动方式上，国内与国外有较大的差异，同时进口设备又有多达56种不同的驱动方式。国内离心机驱动方式大多采用的是双电机结构，即一台电机（通常为变频电机）通过皮带直接驱动转鼓产生转动，另一台电机（也可为变频电机）通过减速器（

21、差速器）驱动螺旋输送器.这种驱动方式优点是控制方便、节约能源，差速可以任意调节，实现无级调速。进口设备中往往可提供除常用的双电机驱动方式外，还有多种驱动方式的选择。单电机驱动形式；即一台电机通过主皮带轮驱动转鼓，次级皮带驱动差速器的轴，从而产生差速，调整差速时需要停机进行，属于简单驱动方式；或差速器输入轴固定，转鼓由单电机驱动；还有一种单电机驱动方式，如阿法拉伐（AlfaLaval）公司与国内少数厂家采用单电机驱动主转鼓产生转动，通过电磁涡流差速器产生差速，这是一种制动的驱动方式，类似于刹车装置，产生负差速，优点是控制方便、节约能源，缺点是推料扭矩小。再有一种常见驱动方式是采用液压驱动，即转鼓

22、及螺旋输送器分别由独立的液压系统驱动（或转鼓由变频电机直接驱动），它具有较大的驱动扭矩（通常可达几千几万Nm,是普通电机驱动的24倍）、具有更为简便的差速控制方式以及更低的差速。目前国外采用液压驱动方式的公司有：德国的洪堡（Humboldt）、福乐伟（Flottoweg）、瑞典的诺克森（NOXON）等。其中诺克森（NOXON）产品在该种驱动方式上又有改进和创新，使机器的差速达到0pm,差速精度达O.Olrpm。这种驱动方式的缺点是设备成本较高，对液压系统以及电控系统要求极高，由于液压联接点较多，存在泄漏的机会也较多。因此这种驱动方式对液压元件的质量和可靠性均有严格的要求。由于不同驱动方式最终会

23、导致不同的差速，国产设备的差速一般最低值都在数转分钟，仅有少数厂家可达0.5rpm，而国外的最低差速可达到O.2rpm,相差十余倍，即污泥的停留时间可增加十余倍。差速是影响泥饼含水率的关键因素，低差速可产生更干的泥饼，对螺旋输送器的磨损也相应减少，从而可大大延长螺旋输送器的使用寿命。（4）差速器。在卧螺离心机中泥饼在转鼓表面的移动全靠差速器产生的螺旋输送器对转鼓的相对运动来实现，由于卧螺离心机的转鼓与螺旋输送器之问差速小而扭矩大，一般差速器采用周转轮系结构，常采用行星摆线针轮、渐开线齿轮差速器。其优点是体积小、重量轻、传动比大、效率高达9099%，承载能力大等。国内及国外离心机所采用的差速器结

24、构形式基本相同，一般多为双级2KH、3K、K.H.v等型式行星渐开线齿轮差速器，或采用行星摆线针轮及渐开线齿轮差速器的组合形式。由于差速器转速高，传递扭矩大，对各零件在组装过程中的间隙调整要求特别高、公差要求非常精密，间隙太大或太小均不利于差速器的运行，离心机生产厂家往往需要专门设计及加工。国内很多厂家进行过差速器的国产化尝试，部分厂家的的机械加工精度以及某些性能基本达到国际水平，但从整体来看，尤其是在装配精度和装配经验上仍存在一定差距，加之主要部件选用材质不当或受材料质量的制约，往往造成差速器达不到设计要求，效率较低，寿命短。因此国产差速器的关键不仅取决于制造质量，更重要的是装配质量和材料的

25、选择。目前国内很多厂家往往采用进口差速器来满足设备的性能。（5）螺旋的密封方式.螺旋的密封方式大多采用机械密封或迷宫式密封，这点在国产与进口离心机上是基本相同的。（6）磨损保护。国内外主要厂家的离心机在与污泥接触的螺旋叶片外缘采用了烧结耐磨合金片或陶瓷片镶嵌工艺，可方便更换，但整体更换成本相对较高。都分厂家对螺旋叶片外缘进行碳化钨熟喷涂处理，成本相对较低。（7）自控方式。离心机的高效脱水性能必须通过完善的自控系统才能得以实现。目前国内外的主流控制方式是PLC（可编程逻辑控制器）控制。【5】一【1611.4课题的来源及研究意义1.4.1课题来源该课题来源于安徽省高技术产业发展项目“卧式螺旋卸料离

26、心脱水机的研制及产业化”（计高技2003566号）。1.4.2课题的意义及主要工作卧螺离心机，是当前国家鼓励发展的环保产业设备，主要用于城市工业废水和生活污水的固液分离，从而实现污水的无害排放、重新回收和再利用。此外，该设备也用于石油、化工、冶金、医药、食品、轻工等行业的物料分离。由于被处理的污泥性质各异，为了达到理想的分离效果，并达到满意的处理效率，还必须根据被处理污泥具体特性调节工艺参数，如：转速、差速、进料量等。传统卧螺离心机的驱动方式均采用一台电机驱动差速器，从而带动转鼓和螺旋输送器以一定转速和差速旋转。该种驱动方式存在如下缺点：转鼓和螺旋输送器的转速及它们间的差速不能任意调节，一旦差

27、速器设计完成，转速和差速之间的变化关系就确定，不能按需要进行调节。对于不同性质、不同种类、不同浓度的物料，以及对分离精度和效率的不同，往往需要调节转速和差速，只有转速和差速任意可调，才能使离心机适应各种物料的分离，而不是物料适应离心机。本课题的主要工作是设计出切实可行的、稳定可靠的、高性能的卧式螺旋卸料离心脱水机控制系统。包括，设计转鼓和螺旋输送器的变频调速电路、可编程控制器硬件电路、污泥泵调速电路等硬件电路;结合软件编程实现系统的功能合理配置控制箱线路，综合考虑电磁干扰的影响，提高设备的抗干扰性能。第二章2.1卧螺离心机简介卧螺离心机在污水处理中的作用般而言，污水处理厂处理工艺由预处理、生物

28、处理、后处理、和污泥处理四部分组成。其中预处理部分由粗格栅、进水泵站、细格栅、沉沙池组成；生物处理部分由SBR生物池、鼓风机房组成;后处理由投药消毒间、接触池组成;污泥处理部分由污泥调节池、污泥泵房、污泥脱水机房组成。污水处理流程如图2.1所示.图2?1污水处理过程污泥处理系统关键设备是污泥脱水主机，如卧螺离心机。卧螺离心机是利用离心沉降原理分离悬浮液的设备，它具有污泥脱水处理功能。对固相颗粒当量直径兰3岫、重量浓度比曼10%或体积浓度比W70%、液固密度差三O.059/era3的各种悬浮液均适合采用该类离心机进行液固分离。它具有其它类型污泥脱水设备所不具有的优点：（1）全封闭运行，现场清洁无

29、污染;（2）絮凝剂、清洗水用量少，日常运行成本低廉;（3）设备布局紧凑，占地面积小，可明显减少征地及基建投资。2.2卧螺离心机工作原理卧螺离心机结构卧螺离心机的主要构件有转鼓、螺旋输送器、差速器、卸载装置等。f17】【18】卧螺离心机的结构如图2.2所示，在机壳5内有两个同心装在主轴承32.2.1和7上的回转部件，外面是无孔转鼓6,里面是螺旋输送器4。转鼓电动机通过8三角皮带轮2带动转鼓旋转。转鼓通过左轴承处的空心轴与行星差速器8的外壳相连接，行星差速器的输出轴带动螺旋输送器与转鼓作同向转动，但转速不同，其转差率一般为转鼓转速的0.2%3%。转鼓的形状有圆筒形、圆锥形、筒锥结合形。圆筒形有利于

30、固相脱水，圆锥形有利于液相澄清，筒锥结合形兼有两者特点。本课题所研究对象是筒锥结合形。在转鼓内表面为了减少筒壁的磨损和防止沉渣打滑通常焊有筋条或锉上沟槽。转鼓的全长同直径的比对分离来说是个很重要的参数，愈难分离的物料需要的比值就愈大。另外，转鼓锥体部的锥角也对物料的输送有很大的影响，对愈难输送的沉渣，转鼓的锥角也就愈小，因为这可以避免产生回流现象，以便顺利排渣。但是，转鼓的锥角越小卧螺离心机的沉降面积越小，使用效率也就越低在转鼓的排渣口处，为了使出了液面的沉渣继续脱水，并且不让离心出来的液体随沉渣二起从排渣口排出增加排出沉渣的含湿量，在排渣口处设置一个挡板结构，这使得只有靠近转鼓的沉渣才能排除

31、去。靠近转鼓的沉渣受到覆盖在其上沉渣的压榨，使得这一部分沉渣成为所有沉渣中最干燥的一部分。在表面上的那些较湿的沉渣将被输送回液池，在最终作为干沉渣排出之前作反复循环。这些回流量主要与受阻滤饼的高度，物料输入量，沉渣干燥程度，及其流变性有关。1.进料管，2.皮带轮，3.右轴承，4.螺旋输送器，5机壳，6.转鼓,7左轴承，8差速器图22卧螺离心机结构图螺旋输送器也是卧螺离心机一个主要部件，它的主要作用是输送沉渣和顺利排掉沉渣，它由螺旋叶片、内筒和进料管组成。螺旋叶片的材料具有高耐磨性。内筒的主要作用是接受分布和加速悬浮液。内筒为了使悬浮液进入转鼓内的分离效果更好，让悬浮液在内筒的出口处的径向速度最

32、小，这样就使得悬浮9液在径向停留时间加长，有利于悬浮液的沉降分离。差速器一般是摆线针轮行星变速器和渐开线行星齿轮差速器，使转鼓和螺旋输送器之间保持一定的差速的同向旋转。过载保护装置有机械式、机械液压式和电控机械式等。在固体物料被输送的过程中会产生摩擦，使转鼓产生磨损。转鼓的磨损对离心机安全运行的影响至关重要，为控制磨损，转鼓内表面设有纵向筋条，使覆盖在转鼓内表面的污泥与转鼓壁无相对滑动，从而保护转鼓壁不受磨损。同时为了防止螺旋叶片边缘的磨损，可以在螺旋叶片上加一层保护材料，如福乐伟公司采用特殊的碳化钨喷涂技术使螺旋叶片上的保护层厚达6mm，保护层可定期更新。在排渣口可以通过将碳化钨、陶瓷材料或

33、冷铸铁制成的衬套将排渣口保护起来以降低磨损。螺旋体内部的加速分布区也可以通过加上可调换的衬套来进行保护.2.2.2卧螺离心机工作原理卧螺离心机工作原理是这样的，在机壳内，转鼓和螺旋输送器由两个同心轴承相连接，主电动机通过三角皮带轮带动转鼓旋转，转鼓通过左轴承处的空心轴与行星差速器的外壳相连接，行星差速器的输出轴带动螺旋输送器与转鼓作同向转动，但转速不一样。若以nz表示转鼓的绝对转速，以nL表示螺旋输送器的绝对转速，表示二者的差速，若螺旋输送器超前转鼓即为正差速，反之为负差速，一般An=0.23%nz。若采用正转差率，物料所获得的离心惯性力为转鼓转速与差速所产生的离心惯性力之和，有利于沉降分离，

34、而采用负转差率时，有利于沉渣的输送，而且可以减少由差速器传送的功率，本课题的卧式螺旋卸料离心脱水机采用的是正差速，螺旋输送器为左旋。悬浮液从右端的中心加料管连续送入机内，经过螺旋输送器内筒加料隔仓的进料孔进到转鼓内。在离心力的作用下转鼓内形成一环形液池，重相固体颗粒离心沉降到转鼓内表面而形成沉渣，由于螺旋叶片与转鼓的相对运动，沉渣被螺旋叶片推送到转鼓的小端，送出液面并从排渣孔甩出。在转鼓的大端盖上开设有若干溢流孔，澄清液便从此处流出。通过调节溢流挡板溢流口位置、转鼓转速、转鼓与螺旋输送器的差速、进料速度，就可以改变沉渣的含湿量和澄清液的含固量。当过载或螺旋输送器意外卡住时，保护装置能自动断开主

35、电动机的电源停止进料，防止事故发生。简单地讲，卧螺离心机是一个旋转的转鼓，其两端支承在轴承上并且由一根静置的进料管将物料输送到机内。由于高速旋转和摩擦，物料在机器内部被加速并且形成一个圆柱液环，离心力的作用使固体首先沉降到转鼓的内壁而液体则通过后端的溢流口流出。在机器的前端，因直径变小而形成一个圆锥，圆IO锥的最小端还有排渣口，这种结构可以保证液体不会从排渣口排出。衡量卧螺离心机性能的很重要的一个参数是分离因数：一，、2口：生f竺1gL30，（2.I）式中；R离心机转鼓半径，m；n离心机转鼓转速，r/min。可见，离心机工作时转鼓转速在离心机的分离性能中起着关键性的作用。为了使累积在转鼓内壁的

36、固体能排出机外，在机内安装一台螺旋输送器以使澄清液从原来沿轴向的流动变成螺旋流动，这种螺旋流动会使液体的流通能力增强，同时也会产生搅动效应。如果转动螺旋输送器使得螺旋输送器和转鼓产生一个相对的差速就会对沉降在转鼓的固体产生一个向圆锥推进的输送力，于是沉降在转简内壁的固体被螺旋输送器往前推送并到达排渣口，在离心力的作用下排出机外。卧螺离心机工作时，转鼓转速以及与螺旋输送器之间的差速，决定着物料的分离效果和污水处理量等，是离心机很重要的可变参数。污水处理量按螺旋输送器排渣的生产能力可表示为：G=,7等【（2确）2+s：胆4一口（培/J）式中：71nl（22）一螺旋输渣效率；一螺旋头数：一螺旋螺距，

37、m；SP。一湿渣的容积密度，kg/m3oAto螺旋输送器与转鼓的差遽，1/s：fo出渣口处转鼓内半径，m；A。一沉渣条的截面积，m2。转鼓和螺旋输送器之间的差速应可调，以免固体流量增加时差速不能改变而导致物料不能及时排出机外而造成离心机堵塞。差速是影响泥饼含水率的关键因素，低差速可产生更于的泥饼，对螺旋输送器的磨损也相应减少，从而可大大延长螺旋输送器的使用寿命。差速的大小影响固体在离心机内的停留时间，低差速可以使固体在转鼓内的停留时间延长。停留时间长意味着物料更容易被沉降到鼓壁上，也就更容易被分离出来。差速大，螺旋输送器的输渣量大，但差速过大，会使转鼓内流体的搅动加剧，造成分离液中含固量的加大

38、，且会缩短沉渣在干燥区的停留时间，增大沉渣的含湿量。所以，在分离易分离物料时，差速可适当大些f例如：分离PVC时，差速高达5060r/min）。分离难分离物料时，差速过高会使分离液中含固量明显增加，而达不到预期的分离要求，但差速太小，会使螺旋输送器的输渣量降低。同时差速器的扭矩会明显增大。所以，在分离难分离物科时（如污泥脱水）差速以520r/min为宜。本课题所设计的卧式螺旋卸料离心脱水机的主要技术规格如下：转鼓直径：450720mm长径比：3一4最大分离因素：30003500最高转速：27004000处理能力：1030m3/hr/rainl2第三章3l离心机控制系统的硬件设计离心机控制系统总

39、体方案设计总体方案设计准则3.1.1计离心机系统时，首先要进行离心机总体方案设计，分析系统需要的功能及技术要求，选择合理的结构及功能模块划分。当总体方案确定后，就可以进行各部分的具体设计。在设计离心机总体方案时，要使设计合理、高效，设计时应遵循几条设计准则，即在满足系统功能和技术指标要求下，设计应做到：1、结构设计合理，能实现任务书中的功能要求；2、分系统设计满足技术指标要求，并力求简单；3、用户操作使用方便，即使用户有误操作也不会造成不良后果；4、选择材料必须保证质量；5、器件选择要保证工作可靠且维护方便；6、要尽可能考虑环境要求；7、对使用对象、使用方法也要充分考虑。3.1.2离心机总体方

40、案构成离心机的自动控制系统主要包括：电机启动装置；报警装置：轴承温度报警和过载报警；显示装置：运行情况显示，速度显示，温度显示，电流、电压显示，报警显示；调节控制装置：操作人员可根据物料数据变化，对污泥泵的速度、转鼓转速、螺旋输送器转速及其之间的差速进行调节。卧式螺旋卸料离心脱水机系统总体结构如图3.1所示。离心机工作时，通过转鼓高速转动的离心作用对污泥泵泵入的泥浆进行分离，螺旋输送器则将分离出的污泥从转鼓中取出。当设备工作时，由于进入转鼓的泥浆密度的不均匀，会使转鼓的负载发生变化。为使该系统在负载变动的工况下，仍然能保持较好的运行特性，应使污泥泵、转鼓和螺旋输送器的转速可调。我们研制的这套设

41、备中的污泥泵选用了电磁调速电机驱动，离心机的转鼓和螺旋输送器选用变频器调速方式驱动，实现了对污泥泵、转鼓和螺旋输送器的无级调速。该系统运行时要求转鼓的转速较高，负荷较大并且需要长期工作；为保证设备长期可靠的运行，应对转鼓支承轴承的温度自动监控。针对该设备的工作特点，我们认为卧式螺旋卸料离心脱水机的控制系统应该具备以下性能：1）能方便地对转鼓和螺旋输送器的转速和差速进行调节；2）设备具有自动运行功能，对运行中出现的故障具有自动诊断和处理能力；3）操作者能方便地对设备的工作状态进行监控；4）为使该设备可以成为中小型污水处理集散控制系统中的底层控制设备，该系统具有一定的网络通信能力。5）控制系统能长

42、期可靠地运行。圈31离心机系统总体结构313离心机调试方案构成在离心机控制系统的开发过程中，控制系统调试是一个重要的环节。调试是保证离心机正常运行和可靠运行必须采取的手段之一。在调试过程中，我们可以排除故障并对原设计进行合理修改，使之满足设计指标及性能要求。通常，离心机控制系统的调试可分为几个阶段进行。1）软件调试阶段。其目的主要是找出软件中的算法和逻辑上的错误，确保系统无论在正常情况下或特殊情况下的逻辑正确，还可以比较和选择不同的设计方案。2）软硬件联调阶段。目的是检验整个控制系统（包括软、硬件）在常规条件下是否能正常地工作，并对温度传感器、执行机构及输入输出通道等外部设备和接口进行初步调试

43、。3）现场调试阶段。主要目的是检查在现场实际条件下系统的可靠性、适应性，寻找最合适的控制参数。在调试过程中，故障常常是不可避免的。故障诊断过程，就是从故障现象14出发，做出分析判断，逐步找出故障的过程。对一个复杂的系统来说，要迅速、准确地找出故障是不容易的。首先，要对系统进行分析，把系统分成不同的模块，通过逐一测试找出故障模块，然后再对故障内部加以测量找出故障。通常使用的故障诊断方法是：把合适的信号引到相应的模块上，然后依次对每个模块进行测量，直至查到故障模块为止查找的顺序可以从输入到输出，也可以从输出到输入。找到故障模块后，要对产生故障的原因做进一步检查。查找模块内部故障常采用仪器测试法或者

44、部件替换法。3.2变频器简介及其选型3.2.1变频器的基本结构变频器是把工频电源(50Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其结构如图3?2所示。电源图32变频器结构图其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电交换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。【21112213.2.2变频器调速的基本原理交流电动机分为同步电动机和异步电动机，其转速表达式分别为：no=60&(31)Pt，/M：60f(ls)(32)PS=/(【，R1,X1,R2,X2)式中：%o(3?3)一电动机同步转速一异步电动机转子转速厂一电源频率15PsU

45、一定子绕组级对数一异步电动机转差率一电源电压一定子绕组电阻最Z定子绕组电抗五，一转子绕组电阻x,转子绕组电抗根据式（31）和式（3-2），交流电动机的转速与电源的频率成正比，通过变频装置将频率固定（通常为工频50Hz）的交流电变换成频率连续可调（多数为0400Hz）的三相交流电源【231，即可实现交流电动机的无级调速。如图32所示，变频器的输入端（R.S.T）接至频率固定的三相交流电源，输出端（U.v.W）输出的时频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电动机。RUSVTW图33变频器的功用由式（31）可知，当频率f连续可调时，电动机的同步转速no也连续可调。又因为异步电动机的转子转速nM总

46、是比同步转速略低一些。所以，当n。连续可调时，nM也连续可调由电工学知，如图3.4所示，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为：El=4.44fivl丸式中：（34）E1定子每相自感电动势N1一定子相绕组有效匝数一每极磁通量（wb）R1XIR2X2丸图34电动势原理图对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通九保持额定值不变。16磁通太弱，电动机带负载能力下降，磁通太强，形成过饱和，将引起励磁电流，波形畸变。由式（34）可见，九值由E1和f共同决定，对El和f进行适当控制，就可以使气隙磁通丸保持额定值不变。z41般而言，为了保持其磁路工作点稳定不变，即保持每极磁通量才，额定不变。异步电动机

47、的变频调速必须按照一定的规律，同时改变定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压和频率均可调节的供电电源，实现所谓的vvVF（Vaffab1eVo1tageVariab1efrequency）调速控制。3.2.3变频器的选型变频器的正确选用是机械设备电控系统正常运行的重要因素之一。选择变频器，首先要按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩和使用环境的要求，然后决定选用何种控制方式和防护结构的变频器最合适。所谓合适是在满足机械设备的实际工艺生产要求和使用场合的前提下，实现变频器应用的最佳性价比.下面就负载类型、电压、容量三方面来叙述变频器的选择。根据负载类型来选择变频器

48、人们在实践中常将生产机械根据负载转矩特性的不同，分为三大类型：恒转矩负载、恒功率负载和流体类负载。1、恒转矩负载在这类负载中，负载转矩TL与转速11无关，任何转速下TL总保持恒定或基本恒定，负载功率则随着负载速度的增高而线形增加。传送带、搅拌机、挤压机和机械设备的进给机构等摩擦类负载以及起重机、提升机、电梯等重力负载，都属于恒转矩负载。变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速时的输出转矩要足够大。并且要有足够的过载能力。如果需要在低速下长时稳速运行，应该考虑标准笼型异步电动机的散热能力，避免电动机温升过高。2、恒功率负载这类负载的特点是需求转矩TL与转速n大体成反比，但其乘积即功率却近似保持不变。金

49、属切削机床的主轴和轧机、造纸机、薄膜生产线中的卷取机、开卷机等，都属于恒功率负载。负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，TL不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大允许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，即所谓“匹配”的情况下，电动机的容厶三刀，厶三刀，D量和变频器的容量均最小。3、流体类负载这类负载的转矩与转速的二次方成正比，功率与转速的三次

50、方成正比。各种风机、水泵和油泵，都属于典型的流体类负载。流体类负载通过变频器调速来调节风量、流量，可以大幅度节约电能。由于流体类负载在高速时的需求功率增长过快，与负载转速的三次方成正比，所以不应使这类负载超工频运行根据使用电压来选择变频器从整体上讲，变频器分低压变频器和高压变频器。低压变频器分为单相220V,三相380V,三相660V,三相1140V。高压（国际上称作中压）变频器分为，3kV、6kV和1OkV三种。如果采用共用直流母线逆变器,则要选择直流电压，其等级有24V、48V、110V、200V、500V、1000V等。3233根据要驱动电动机的容量和数量来选择变频器变频器的容量应该与其

51、驱动的电动机容量相匹配，此外还要综合负载特性、操作方法等情况来决定。1）电动机容量：应该清楚一点，那就是变频器驱动的电动机，其V/f控制（电压/频率控制）的输出扭矩，在低频区是要比工频驱动电动机的扭矩小，同时也会使电动机的温度升高。因此，变频器的容量要大于电动机的容量。根据电动机的容量或电动机的数量进行变频器容量选择时，首先要满足电动机电流的总数不大于变频器的额定电流，如式（35）所示：式中（35）J。一变频器额定电流，。一电动机的额定电流2）操作方法：单个变频器可以驱动两个以上的电动机，由于操作方法的不同，可能会需要极大容量的变频器，这样做很不经济，也会由于操作类型的变化，使容量选择出错。对

52、于磁通矢量控制方式，单个变频器只能驱动一个电动机，如要变频器驱动多台电动机，必须选择V/f控制方式。通常的操作方法有：单个变频器驱动单个电动机；单个变频器同时驱动两个以上电动机；单个变频器顺次起动两个以上电动机，在电动机的输出轴带有起停离合器。当仅驱动1个电动机时厶三1.1L其中，1.1为考虑畸波影响的增加系数。（36）因为，如果变频器和电动机容量（Kw）相同，电动机级数的增加会降低效率和电动机的功率因数，这样电动机的额定电流要加大。因此不仅根据电动机的容量（KW）来选择变频器的容量，还要根据式（36）来选择，该式是基于18电动机的额定电流而确定的。当单个变频器并联操作两个及两个以上电动机时，

53、如图35所示。变频器图35变频器并联操作两个及两个以上电动机（37）如21.1E厶注意：当两个或两个以上电动机并联运行时，变频器的电子过电流保护功能不能用来保护电动机。变频器输出侧的各电动机要安装热保护继电器。而且当电动机继续低速运转时，热继电器也不能很好的保护电动机，应该在各电动机上安装温度检测器，用它来保护电动机。当顺次起动两个以上电动机时，如图36所示，4个电动机顺次起动。芝1变频器11、二JL一1FGMe.2PLCPLC简介图36变频器顺次起动多台电动机IF21.1刀厶+%o其中，。为最后一台龟动机的起动最大电流。(38)另外，当变频器的输出侧有1个电动机通断时，或有1个电动机输出轴离

54、合器开关时，变频器的容量选择可按上述顺次起动操作的公式来进行。即：把电动机运行电流当作零，仅用电动机通断的起动电流来确定变频器的容量。3)操作模式：当有加减速的时间限定时，不仅要依据电动机的容量来确定变频器的容量，还要使变频器的选择必须满足预定的加减速时间的要求。例如，变频器在提升机及短时阃加减速交替运行的场合，必须要增加其容量。在这种情况下进行变频器选择之前，总是要进行充分的考虑。【25】离心机类负载为大惯性负载。由于离心机惯性大，起动转矩较大，起动时间较长，变频器按恒转矩类变频器放大一档选择。根据以上这些要点，我们最终选择了用两台变频器去驱动两台电动机。变频器采用SanKen的SAMCOv

55、m05系列SPF.75K，容量为7.5KW，使用电压为三相380V。它具有两路010V模拟信号输出、输出频率0.05HZ600HZ、客户可自由设定的输出输入端子、防失速功能的动作时间可设定、恒张力控制无需力矩电机等特点。3.3PLC简介及其硬件选型3.3.1可编程序控制(ProgfdmmdbleControllef或ProgrammableLogicControll.er),简称PC或PLC,是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置,是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。由

56、于PLC采用了“三机一体化”的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身,具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活编程简单、维修方便和低成本等诸多特点,因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求；再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化,使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制,开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。可编程控制器是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控制机，其本质是一台工业控制专用计算机。它的软、硬件配置与计算机类似，只不过它比一般计算机具有更强的与工

57、业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。如图3.7示，PLC机硬件主要由中央处理单元(cPu)、存贮器、输入/输出单元以及编程器、电源和智能输入/输出单元等构成。【26l图3.7PLC机硬件构成142Y15142Y15142Y15142Y15PLC的硬件选型在PLC系统设计时,首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型。所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，

58、PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，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、所需存储器容量、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。在分析卧式螺旋卸料离心脱水机控制系统之后，给出了PLC端子分配表如下：表3.1PLC端子分配表定义代号序号123456789101112131415端子号XOX1X2X3X4X5X6X7X10X11X12X13X14X15X16X

59、17X20X21X22X23Y0Y1转鼓变频器运转中转鼓变频器频率一致转鼓变频器过载左，右轴承报警螺旋输送器变频器运转中螺旋输送器频率一致螺旋输送器变频器过载污泥泵报警启动停止运行调试自动手动清水阀污泥泵污泥离合器转鼓工作螺旋输送器工作急停系统运行清水阀FRSA4SA5SCISCISB1SB1SA6SA7SA8KA1,KA216171819202122SA9SA10SA1KA1KA221232425262728293031Y2Y3Y6Y7Y10Y11Y12Y13Y14污泥泵污泥泵离合器冷却油泵螺旋输送器转动复位转鼓转动转鼓变频器运转指示转鼓变频器过载指示螺旋输送器变频器运转指示KA3KA4KA

60、5KA6KA13KA14HL12HL13HL41414141螺旋输送器变频器过载指示HL153334Y16Y17污泥泵过热系统故障HL16HL17根据输入输出的点数，兼顾性价比等方面的考虑，选用了KOYO的DL06系列PLC。DL06系列PLC是KOYO公司开发的新一代整体式PLC，其本体带36点I/O:输入16点，输出20点。根据其输入输出性能的不同，分有多种型号可供选择使用。采用s系列通用的指令体系，指令丰富（183条指令）。所有的DL06系列PLC都带2个串行通讯口；DC输入型的DL06的前4个输入点（1013）可以用作高速计数功能端使用，可实现如下功能：高速计数（最高计数频率7KHz）