液压驱动隔膜泵隔膜破裂报警系统设计.pdf

2 0 1 1 年 4月 第 3 9卷 第 7期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAULI C S Ap r ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 7 ． 0 1 8 液压驱动隔膜泵隔膜破裂报警系统设计 张洪生 ，张宏利 ，郭绍波 ，张新 国 ，刘运 昌。 1 ．兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州 7 3 0 0 5 0 ； 2 ．胜利油田东辛采油厂 ，山东东营 2 5 7 0 0 0 ；3 ． 9 1 0 3 3部队，山东青岛 2 6 6 0 0 0 摘要针对 目前石油 、冶金 、电力等行业 中常用的隔膜泵存在 的隔膜破裂后不 能继续 工作 、影 响正常生产的问题 ，以 三缸单作用液压驱动隔膜泵为研究对象，提出一种新的隔膜破裂报警系统设计方案当单个隔膜破裂时，系统可以发出报 警信号，经工作人员确认后相应的液压缸停止工作，而其他两液压缸可以继续工作；两个或两个以上隔膜破裂时，系统发 出报警信号的同时隔膜泵停止运转。基于 P L C的逻辑控制功能，利用三菱 F X 2 - 6 4 M R型 P L C对这种隔膜破裂报警方案进行 了程序设计 ，可实现隔膜破裂实时报警、隔膜破裂个数检测、停止报警、两液压缸工作相位调整、隔膜泵自动停机及料浆 输出量测定和调整等功能。现场试验表明在 P L C的控制下，这种隔膜破裂报警设计方案，可以保证单个隔膜破裂后隔膜 泵 的正常运行 ，是一种有效 的设计方案。 关键词液压驱动隔膜泵； P L C ； 组合液压缸； 隔膜破裂报警系统 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 7 0 5 8 4 De s i g n o f Di a p h r a g m Fr a c t u r e Al a r mi n g Co n t r o l S y s t e m f o r Hy d r a u l i c Dr i v e n Di a p h r a g m Pu mp ZHANG Ho n g s h e n g ， ZHANG Ho n g l i ’ ， GUO S h a o bo ，ZHANG Xi n g u o ， LI U Yu n c h a n g 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a ／ En g i n e e r i n g ．L a n z h o u Un i v e r s i t y o f Te c hn o l o g y， L a n z h o u Ga n s u 7 3 o 0 5 0， Ch i na； 2． Oi l P r o d u c t i o n F a c t o r y a t Do n g x i n， S h e n g l i Oi l f i e l d Co mp a n y， Do n g y i n g S h a n d o n g 2 5 7 0 0 0， Ch i n a； 3 ． T r o o p s 9 1 0 3 3 P L A ，Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t D i a p h r a g m p u mp w h i c h a r e u s e d i n p e t rol e u m， me t a l l u r g y， e l e c t r i c a l p o w e r a n d s o me o t h e r i n d u s t ri e s ， c a n ’ t b e u s e d a f t e r d i a p h r a g m f r a c t u r e a n d t h e n o r ma l p r o d u c t i o n i s a f f e c t e d ． Ai mi n g a t t h e p r o b l e m， a n e w d e s i g n s c h e me a b o u t d i a p h r a g m f r a c t u r e a l a r m i n g c o n t r o l s y s t e m w a s p u t f o r w a r d ，t a k i n g t h r e e s i n g l e f u n c t i o n a l c y l i n d e r s h y d r a u l i c d r i v e n d i a p h r a g m p u m p a s r e s e a r c h o b j e c t ． Th e s c h e me wa s t h a t I f o ne d i a ph r a g m wa s b r o k e n，a l a rm i n g s i gn a l s c o u l d b e s e n t o ut a n d t h e c o r r e s p o n di n g h y d r a u l i c c y l i nd e r wa s s t o p p e d aft e r t h e s t a f f c o n f o r me d； I f t wo o r mo r e d i a p h r a g ms w e r e b r o k e n ， a l a r mi n g s i g n a l s c o u l d a l s o b e s e n t o u t a t t h e t i me o f p u mp s t o p p i n g w o r k i n g ． U s i n g t h e l o g i c c o n t r o l f u n c t i o n s o f F X 2 - 6 4 MR P L C p r o d u c e d b y Mi t s u b i s h i c o mp a n y，p r o g r a ms f o r d i a p h r a g m f r a e t u r e ala r mi n g w e r e d e s i gn e d t o a c h i e v e t h e f u n c t i o n s ， s u c h a s r e al t i me a l a r mi n g f o r d i a p h r a g m f r a c t u r e ， a mo u n t i n g t h e n u mb e r s o f b r e a k i n g d i a p h r a g ms ，s t o p p i n g a l a r mi n g ，r e a rra n g e me n t o f t w o h y d r a u l i c c y l i n d e r s ’ w o r k p h a s e s ，s t o p p i n g o f p u mp，d e t e r mi n a t i o n a n d a d j u s t m e n t o f m a t e r i al p u l p o u t p u t ．T h e f i e l d t e s t s h o w s t h a t t h e n e w d e s i g n s c h e me c a n g u a r a n t e e d i a p h r a g m p u m p w o r k i n g n o r - ma l l y u n d e r t h e c o n d i t i o n o f o n e d i a p h r a g m b r o k e n ． I t i s a l l e f f e c t i v e me t h o d ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c d r i v e n d i a p h r a g m p u mp； P L C；C o mp o s i t e h y d r a u l i c c y l i n d e r ； D i a p h r a gm f r a c t u r e ala r mi n g s y s t e m 隔膜泵作为一种高新技术产品 ，具有全封 闭、使 用寿命长 、产能大 、油耗低 、效率高等优点 ，特别适 用于输送带高磨砺性含悬浮 固体颗粒 的矿浆等浆 液、 黏性料浆 、污水 、灰浆渣以及具有强腐蚀 的介质 ，被 广泛用于 有色 金属 、石 油 、化 工 、冶金 、矿 山、煤 炭 、电力 、陶瓷等多种行业 。液压驱动隔膜泵是 目前 正在开发的一种新型高压隔膜浆体泵 。它与一般隔膜 泵的主要区别是 动力端采用液压传动 ，用液压泵取 代了曲柄连杆 、减速器等一系列装置直接驱动活塞运 动⋯。这从根本上解决 了传统 隔膜泵流量脉动大 、运 行不平稳的问题 。隔膜 破裂报警系统的功 能主要是对 隔膜室中隔膜 的完整性进行实时监测 ，并且在隔膜破 裂后发出声光报警信号或采取相应的保护措施。作者 以三缸单作用液压驱动 隔膜泵为研究对象 ，设计一种 基 于 P L C的隔膜破 裂报警 系统 ，并 实现 以下任务 目 标 单个隔膜破裂时 ，隔膜泵可 以继续工作 ；两个 或 收稿 日期 2 0 1 0 0 41 2 基金项目甘肃省 自然科学基金资助项 目 0 7 0 3 B - 0 4 作者简介 张洪生 1 9 6 2 一 ，男 ，教授级高级工程师 ，硕士研究 生导师 ，现主要从事 石油机械 自动化 开发与改进研 究工 作。电话 1 5 2 9 4 1 8 4 4 5 2 ，Em a i l z h a n g 4 0 9 4 1 1 6 3 ． c o m。 第 7期 张洪生 等液压驱动隔膜泵隔膜破裂报警系统设计 5 9 两个 以上隔膜破裂时 ，隔膜泵立 即停止工作 。 1 液压驱动隔膜泵工作原理 三缸单作 用液压驱动 隔膜泵基本结构见 图 1 。 1 过滤器2 手动开 关3 液压泵4 溢流 阀5 调速阀 6 三位 四通电磁换 向阀7 压力 表8 驱动液 压缸9 组合液压缸 l 0 位移传感 器l l 膜破 传感器1 2 隔膜总 成1 3 进 浆阀 1 4 排 浆阀 图 1 三缸单作用液压驱动隔膜泵基本结构 如图 1 所示 ，三缸单作用液压驱 动隔膜泵 主要 由 液压泵 3 、调速 阀 5 、溢流 阀 4 、三位 四通 电磁 换 向 阀 6 、驱 动液压缸 8 、组合液压缸 9 、位移 传感器 1 O 、 膜破传 感 器 1 1 、隔 膜 总成 l 2以及 进 、排 出浆 阀组 成。其基本工作原理是 推动液经 过滤器 1 、液压泵 3 、调速 阀 5和 3个 三位 四通 电磁换 向阀 6进入 驱动 液压缸 8 ，推动其 中的活塞作往复运动 ，在 P L C控制 下活塞再驱动组合液压缸 9中的柱塞作往复运动 ，柱 塞再借助推动液使隔膜室中的隔膜做凹凸运 动 ，由此 实现料浆的吸入和排出 ，并达 到输送料浆 的 目的。在 P L C集控 系统 的控制下 ，隔膜泵 的 3 个组合液 压缸互 成 1 2 0 。 相位差 交错 往复 运动 ，以消 除隔膜 泵 流量 的 死点和所引起的压力冲击 和噪声 。 2 隔膜破裂报警系统设计方案介绍 目前 ，隔膜泵 中隔膜破裂报警系统所采取 的具体 设计方案是 膜 破传 感 器对 隔膜 的状 态进 行 实时 检 测 ，并将检测数据存人 P L C的输入 映像寄 存器 ；P L C 再以扫描方式按顺序将所有暂存 的数据读入 ，在程序 执行 后刷新输 出，驱动相应的报警器工作 ，并 且一旦 发现有报警信号输入隔膜泵就会停止运转 。这种方法 虽然保护 了隔膜泵 的安全 ，但也影响了生产的正常进 行 。现提 出一种新 的隔膜破裂报警系统设计方 案 当 膜破传感器发现单个隔膜发生破裂时，在 P L C的控 制下 相对应 的报警 指 示灯 和报 警蜂 呜 器发 出报 警信 号 ，经 工作人员确认并关闭相应的组合液压缸后 ，剩 余两组 合液压 缸改变 相位 角成 1 8 0 。 继续 工作 ，以保 证 生产 的继续进行 ；两个或两个以上隔膜破裂时 ，系 统发 出报警信号 的同时隔膜泵停止运转 。之所 以要改 变两组合液压缸 的相位 ，主要是由于当隔膜泵三缸 同 时工作 时，其三缸 动作 时序如 图 2 a 所示 ，正半 轴 为每个隔膜室 的输 出流量 ，负半轴 为每个隔膜室的 输入流量 ，整个 泵 的输 出流量 是 3个 隔膜室 输 出流 量 的叠加 ，因而这种泵的排量是 连续 、平稳的 。而当 其 中一个液压缸停止工作时 ，剩余 两隔膜室输 出流量 的叠加将 出现有规律的脉冲 ，不仅会引起隔膜泵的振 动还会影响生产 的继续进行。当变换两组合液压缸的 相位成 1 8 0 。 后 ，两缸 动作时序 图如 图 2 b 所 示 ，此 时两个 隔膜室流量的叠加虽然还有一定 的脉动 ，但脉 动的幅值 已大大减小 ，在空气包的作用下 ，流量脉动 还会得 到进一步 的控制 ，隔膜泵可以继续工作 。当膜 破传感器发现两个隔膜都发生破裂时 ，隔膜泵应立即 停止工作 ，因为隔膜泵单缸工作会不可避免地产生流 量 脉动 。 排 出 A 吸 入 相 角 ／ 。 相角， 。 a 三缸 动作 时序 图 相 角 ， 。 b 两 缸动 作 时序 图 图 2 液动隔膜泵液压缸动作时序图 在此过程 中隔膜泵排量传感 器 图 1中未画 出 会 自动检测排 浆 阀处 流量 的变 化 ，并反 馈 给 P L C控 制器 ，自动调节 调速 阀来 提 高组合 液压 缸 活塞 的 冲 次 ，以使隔膜泵达 到需要 的排量 。 排出B 吸 入 排 出C 吸入 排 出 A吸 入 排 出B 吸入 6 0 机床与液压 第 3 9卷 3隔膜破裂报警控制系统的设计 3 ． 1 报警 系统流程的设计 由于 p L C采用 的 是 扫描 工 作 机制 ，即 连续反复地检测系统 的输 人 ，求解 目前 控 制逻 辑 以及修 正 系 统 输 出。并且每次 扫描 ， 如 无跳 转 指 令 ，都 从 第一条指令开始逐条 顺序 执 行 用 户 程 序 ， 直至程序结束，然后 重新返回第一条指令， 开 始 新 一 轮 扫 描 。 报警 系统 结构 设计 主 要包 括 隔 膜破 裂 报 警 的检测 ，隔膜 破 裂 个 数 的检 测 ，组 合 液 压 缸位 置 的检测 。其 具体 的工作 流 程 如 图 3所示。 隔 膜 泵 启 动 墨 譬 Y I 二 I I 停 止 报 警 ，相应 的 I I 液压缸停 I E 工作 隔膜泵停止工作 剩余两液压缸，自动 变换相位成1 8 0 。 隔膜泵继续工作 _ 】 L 一 P LC调节调速 阀 稳定隔膜泵排量 图 3 报警系统工作流程图 3 ． 2 P L C机 型选择 和 I ／ O地 址分配 根据该系统的特点 和预定的动作要求可知 ，有 6 个行程开关信号的输入、6个隔膜位移传感器信号输 人 、3个膜破传感 器信号输入 、3个断开报警 信号输 入以及启动、停止、热保护和急停 4个信号输入以及 信号开关量输 出 2 1 个 。现选择三菱公司生产 的 F X 2 6 4 M R型 P L C ，其总接点数是 6 4个 ，其中输入接点有 3 2 个 x 0 一X 3 7 ，输 出结点有 3 2个 Y 0 一Y 3 7 。与报警 系统有关 的 I ／ O地址分配如表 1 、2 所示 。 表 1 报警系统输入地址分配表 输入地址 输入设备 总启动按钮 A缸 回程极 限行程开关 1 X K A缸伸出极 限行程开关 2 X K B缸回程极限行程开关 3 X K B缸伸出极限行程开关4 X K C缸回程极 限行程开关 5 X K C缸伸 出极 限行程开关 6 X K A缸报警传感器输入 B缸报警传感器输入 C缸报警传感器输入 停止 A缸报警 停止 B缸报警 停止 C缸报警 总停按钮 表 2 报警系统输出地址分配表 输出地址 输出设备 液压泵电机 换 向阀 电磁线 圈 1 D T 换向阀电磁线 圈 2 D T 换向阀电磁线圈 3 D T 换向阀电磁线圈 4 D T 换 向阀电磁线圈 5 D T 换 向阀电磁线圈 6 D T A缸报警蜂 鸣器 B缸报警蜂鸣器 C缸报警蜂鸣器 A缸报警指示灯 B缸报警指示灯 C缸报警指示灯 3 ． 3 报 警 系统的软件 设计 报警系统软件在编写过程 中有着很复杂的逻辑关 系 ，往往会遇到两套逻辑输入 同时控制一个输 出的情 况 ，这是一种错误的状态 ，是不允许 的。中问继 电器 是可编程控制器中的一类虚拟继电器，可以简化程序 设计 ，同时解决逻辑信号的障碍问题 。因此 ，在此 报警程序设计中充分利用 了中间继 电器来解决这种信 号障碍的问题 。 1 隔膜破裂个数检测、报警及断开报警程序 设计 。图 4给 出了 A缸 隔膜报 警 、断开报 警及 报警 隔膜个数检测程序的梯形 图，其他两缸 的程序与之相 同。当A缸中隔膜发生破裂时，隔膜腔中膜破传感 器检测到破裂信号使 X O 0 7的状态 变为 1 ，致使 A缸 报警蜂鸣器 Y 0 0 7 发 出间断报警声 ，同时 A缸报警指 示灯 Y O 1 2闪烁指示报警 。在程序执行 的同时还会检 测隔膜报警个数，当 发现两个 或两个 以上 膜破传感器的输入信 号变为 1时 ，会 自动 停 止 液 压 泵 电 机 Y 0 0 0 ，使隔膜泵停止 工作 。当按 下停 止 A 缸报警开关 时 ，中间 继电器 M 7状 态 变 为 1 ，致 使 A缸 报警 蜂 鸣器 回路 断开 ，报警 蜂呜器停 止报警 ，同 时 A缸报警指示 灯也 变成 常亮状态 ，以提 示工作人员 注意 已有 隔膜破裂 。 图 4 A缸隔膜报警 、断开报 警 及报警隔膜个数检测程序 至 } 嘶 叭 砌 一 ㈨ 灿 砒 l耋 第7期 张洪生 等液压驱动隔膜泵隔膜破裂报警系统设计 6 1 2 两缸运 行控制 程序 。在 P L C检 测 到只有 A 缸隔膜发生报 警之后 ，按下 停止 A缸报 警开 关 的 同 时 ，隔膜泵还 会利 用顺 控制 令 自动转 入 相应 的子 程 序 ，停止 A缸运转 ， 自动改 变剩余 两缸运行 相位角 。 如 图 5所示 ，按下 停止 A缸 报警 按钮后 ，X O 1 2的状 态变为 1 ，程序转到 2 0 所 对应 的子母线上 执行 ，原 来控制三缸运行的程 鬟 序不再执行。当 B缸 r ， 伸 出极 限行 程 开 关 I X O 0 4或 c缸 回程极 限 I 行程开关 X 0 0 5中有一 f 个不动作时 两缸相 I 位 角 不 是 1 8 0 。 ， 中 I 间继 电器 M1 2的状态母3 - ／ 就 置 l ，使 输 出 继 电 甄 器 Y 0 0 4或 Y 0 0 5的触 点 置 1 ，4 D T或 5 D T 电磁 线 圈 接 通 ，直 到 两缸相位角变为 1 8 0 。 ， X O 0 4和 X O 0 5常 闭 触 点断 开 。之 后 M1 2状 态变为 0 ，其 常闭触 X0 M Y 00 3 X005 YO05 ／ 、 r 朴 卜_ J X0 0 6 Y0 0 6 ／ 一 、 ＼ Y00 5 】＼ ／ 塞 i 隔 膜 泵图 5 B 、 c 两 缸 自 动 变 换 相 位9 R 1 竺 ， 因 ， 萎 两 缸 循 环 工 作 程 序 。 ”⋯一。 一 ⋯ 3 隔膜泵流量控制系统设 计 。在生 产过程 中， 隔膜泵的流量是一个连续变化 的模拟量 ，具有非线性 和时变性 的特点 ，很难建立 起准确 的数 学模 型 ，因 此 ，使用基 于比例 、积分和微分的 P I D调节 可以收到 比较好 的效果 。具体的控制流程是 ，由流量传感器检 测 隔膜泵 的流量并通过微分单元检测 出流量误差率并 反馈 给 P L C控 制器 ，然 后采取 模糊 控制 算法 对调 速 阀进行模糊控制 ，最终形成闭环实时控制系统 。 4结束 语 1 液压 驱动 隔膜泵 是一 种集 液压 、机 械和 电 子技术 于一体 的高新技术产品 ，具有 流量脉动小 、运 行平稳等 特点 ，与 常 规隔膜 泵 相 比具 有 明显技 术 优 势 。 2 液压驱动 隔膜泵 的 3个驱 动液 压缸是 分立 的，利用 P L C可 以对其 进行 单 独控制 。此隔膜 破裂 报警系统设计的关键就是充分 利用驱动液压缸的独立 性 。 3 通 过 提 出新 的设 计 方 案及 设 计相 应 程 序 ， 找 出了一种在隔膜破裂情况下 ，保证生产继续进行 的 方法 。经现场试验表 明，这种方法可 以减少 大量液压 或气压逻辑 回路 ，提高 了整 个液压 系 统运行 的可靠 性 ，达到提高经 济效益 的 目的。 参考文献 【 1 】黄晓云， 孙萍． 液动隔膜泵的研究与开发[ J ] ． 液压与气 动， 2 0 0 9 2 7 9 8 2 ． 【 2 】黄晓云， 王禁非， 刘大志． 液压驱动隔膜泵的研究与设计 [ J ] ． 黄 金 ， 2 0 0 9 1 0 3 3 3 5 ． 【 3 】李粤， 廖宇兰， 王涛． 液压系统 P L C控制[ M] ． 北京 化 学工业 出版社 ， 2 0 0 9 9 4 9 5 ， 1 3 7 ． 【 4 】童伟， 刘树道． 气动 P L C顺序控制系统的设计[ J ] ． 液压 与气动 ， 2 0 0 4 1 0 1 21 3 ． 上接第 2 0页 由 M A T L A B拟合得 到 直线 电机位 置跟 踪 曲线及 误 差 如图 6、7示 。 暑 县 。 一 昌 昌 嗤 ‘ - - 图 6 插值法位置跟踪 图 7 位置跟踪误差 观察 图 6和 7可以看出插值误 差辅助 补偿 比增益 误差辅助补偿控制策略跟踪效果好 ，更具优越性 。 4结束语 作者针对直线电机伺服系统提出了用 插值 补偿零 相差跟踪误差的控制方法 。零相差前馈 跟踪控制 器系 统实现准确跟踪 ；而插值法保证系统鲁棒 性同时实时 性能好。实验结果验证了插值补偿零相差的有效性和 可行性 。 参考文献 【 1 】T o m i z u k a M． Z e r o p h a s e e r r o r t r a c k i n g a l g o r i t h m f o r d i g i t a l c o n t r o l [ J ] ． A S ME J o u r n a l o f D y n a m i c S y s t e m s ， Me a s u r e ． me n t ， a n d Co n t r o l ， 1 98 7， 1 0 9 656 8． 【 2 】T o ff s D， D e S c h u t t e r J ， S w e v e r s J ． E x t e n d e d b a n d w i d t h z e r o ph a s e e r r o r t r a c k i ng c o nt r o l o f no nmi n i ma l p ha s e s y s t e ms [ J ] ． A S ME J o u rna l o f D y n a m i c S y s t e ms ， Me a s u r e m e n t ， a n d Co nt r o l ， 1 9 9 2， 11 4 3 473 51． 【 3 】T s a o T C ． O p t i m a l f e e d f o r w a r d d i g i t a l t r a c k i n g c o n t r o l l e r d e s i g n [ J ] ． A S ME J o u r n a l o f D y n a mi c S y s t e m s ， Me a s u r e me n t ， a n d Co nt r o l ， 1 9 9 4， 1 1 6 5 8 35 91 ． 【 4 】M i t a T ， C h i d a Y ， K a k u Y ， e t a 1 ． T w o d e l a y r o b u s t d i t M c o n t r o l a n d i t s a p p l i c a t i o n s Av i o d i n g t h e p r o b l e m 0 1 1 u n s t a b l e l i mi t i n g z e r o s [ J ] ． I E E E T r a n s o n A u t o m a t e d C o n t r o l ， 1 9 9 0， 3 5 8 9 6 2 9 7 0 ． 【 5 】高宏岩， 王建辉， 孙盛骐． 一种在线插值模糊控制方法及 应用[ J ] ． 自动化仪表 ， 2 0 0 5 ， 2 6 6 4 1 4 3 ． 0 0 0 O O O O O