林 炜

(湖南有色冶金劳动保护研究所,湖南长沙 410001)

0 引 言

现代工业自动化控制技术中,首推机电一体化技术。机电一体化又称机械电子学(Mechatronics),即结合应用机械技术和电子技术于一体,是精密机械、电子技术(含电力电子)、计算机技术等多门学科交叉融合的产物,它的发展推动了当前制造技术向高、精、快的发展,推动了产品的更新换代,使劳动生产率得到了迅速的提高。其应用范围愈来愈广,在各行各业都显示出愈发重要的地位。当然在化工领域也彰显着其独特的魅力。机电一体化应用于化工企业,这将人与生产经营、生产管理以及过程控制连成一体,用以实现从原料进厂,生产加工到产品发货的整个过程的一体化控制。其次,现场总线技术。现场总线技术大大优于现行的信号传输技术,能使更多的信息在智能化现场仪表装置与更高一级的控制系统之间在共同的通信媒介上进行双向传送。再次,交流传动技术。由于交流传动技术的优越性,电气传动技术在不久的将来将由交流传动全面取代直流传动,数字技术的发展,使复杂的矢量控制技术实用化得以实现,交流调速系统的调速性能已达到并超过直流调速水平。最后,分布式控制系统。采用分布式控制系统,利用计算机对生产过程进行集中操作,监视、管理和分散控制。它与集中型控制系统相比,功能更强,安全性更高,是当前大型机电一体化系统的主要趋势。

1 机电一体化在化工中的主要功能

现在,化工工程中增加了更多更严格的要求,不仅要生产效率高,还须达到能量损失小,自动化程度高,精度高,性能稳定,工作可靠、安全,工艺质量好,具有较好的经济性。即高的技术价格比和低的制造与使用成本。为满足上述的性能要求,化工工程仅仅依靠传统的机械设备技术的进步已显得力不从心,电子控制技术的发展及在化工中的应用,为化学工程技术的发展注入了新鲜的血液。目前,机电一体化在化工中的应用主要用以实现如下功能。

(1)电子监控,自动报警及故障自诊。即对化工生产传动系统,工作装置、制动系统和液压系统等的运行状态进行监控,工作中一旦出现异常现象,能自动报警并准确地指出故障的部位,从而改善操作员的工作条件,提高工作效率;简化设备维护检查工作,降低使用维修费用,缩短停机维修时间,延长设备的使用寿命。

(2)节能降耗,提高生产率,达到工业自动连续化生产

(3)生产设备控制。如化工仪表和自动化控制、电子调速器,电子油门控制装置、自动停机装置、自动升温控制装置等。

(4)提高生产精度。例如,为保证成品料的级配精度,现代沥青及水泥混凝搅拌设备广泛采用了微机控制的电子称量系统,并使计量过程实现自动化。自动找平系统的应用,使沥青混凝土摊铺机的施工质量有了较大的提高,路面的平整度可达到0.127 ram/3 m。采用超声波技术的自动供料系统,使沥青混凝土摊铺机的供料实现了自动调节,进一步提高了摊铺质量。推土机铲刀、平地机刮刀、铲运机铲斗刀刃的电子(微机)控制,不仅提高了作业精度和作业效率,而且也减轻了操作人员的劳动强度。

(5)作业过程的自动化或半自动化。化工过程实现自动化或半自动化控制,可以减轻操作者的劳动强度,提高生产率,并减少因操作者的经验不足对作业精度的影响。

2 机电一体化在化工中的应用

机电一体化在化工中有着广泛的应用,无论是在日化厂配料与监控系统,还是在工业上的安全检测系统,以及工业上的连续化生产和自动化生产上等,都有着非常重要的作用。广泛应用于日用化工行业、电子称重模块、纺织机械、自动加煤技术、水厂自动化系统、烧结预配料系统、啤酒生产、焦化厂电力系统、发电厂锅炉热控工程、天然气加气站、煤矿安全生产检测系统、恒压供水系统、油库管理、自来水厂调度等众多领域。因机电一体化在工业中应用的主要机理和需要达到的功能是类似的,所以下面只介绍一些比较有代表性的应用。

2.1 机电一体化在日用化工行业中的应用

日用化工行业为了满足消费者的个性化需求,需要生产的产品系列较多,因此要求工厂的生产工艺流程能够与工艺配方系统相适应,借助组态软件灵活的配方方案对配方系统的优化管理而实现。以某香皂厂拌和监控系统为例,简单介绍世纪星组态软件在配方管理及安全操作管理中的应用。

系统方案 香皂拌和工艺主要流程如下。主要原料TCC和钛白粉投入料仓,经过称重振打器计量压实,由变频电机驱动绞龙输送到放料器,再经过电子秤称重控制放料电磁阀,进入拌和储罐,其他辅助原料染料和香精经过缓冲罐也输送进入拌和储罐,在拌和罐内搅拌均匀后,放料进入香皂分离环节。称重检测控制器选用梅特勒-托利多的电子秤,另选配欧姆龙的CJ1 PLC监控阀门,以及液位监测、电机等设备。上位机组态软件选用世纪星组态软件,实现和多个电子秤、PLC快速通信,如图1所示。

图1 拌和监控系统结构图

整个拌和系统可以集中到一个界面上显示,世纪星软件集成了丰富的工艺设备图库,可以方便地开发出形象逼真的工艺流程图,画面支持3D方式动态显示各个设备的状态、实时值等,显示效果十分理想,如图2所示。

世纪星组态软件集成的配方模板和ODBC数据库连接技术,可以利用SQL数据库管理各种类型香皂的参数信息,配合配方操作,实现工艺参数的快速上传,下载,存档,查询等。世纪星软件同时集成了安全权限访问级别和安全区,可以极大地保证配方的安全及操作的安全,避免误操作的发生。

2.2 机电一体化技术在煤矿、氮肥厂的应用

图2 拌和系统工艺流程图

机电一体化技术在煤矿采、掘、运装备的应用及推广,极大地提升了我国煤矿生产的综合实力,为实现高效、安全、洁净、结构优化的煤炭工业生产打下了扎实的基础。机电一体化技术对煤矿的生产方式及其机械设备的发展方向有重大的影响。矿井提升机是一种实现机电一体化较好的矿山大型设备,全数字化,有交、直流提升机。特别是内装式提升机,从结构上将滚筒和驱动合为一个整体,大大简化了机械结构,是典型的机电一体化设备。全数字提升机高度可靠,具有重复性故障寻址、完整的诊断设施和自诊断功能,以及简单而快速的通信功能;它采用总线方式,大大简化电气安装;硬件配置简单,互相兼容,零备件少;可以方便地实现软启动、软件控制和改变瞬间加速度。

机电一体化自动加煤技术在氮肥厂的应用也具有良好的前景。其主要技术特点是:(1)在原下灰灰仓增加自动下灰装置;(2)仍采用原造气工段的油压动力源;(3)由造气工段程控微机进行不停炉下灰控制。相信为了实现造气工段的全自动化连续生产,这项技术也将被广大氮肥厂采用。纵观这些造气控制技术,它们能解决生产中的一些问题,能提高产量,减轻环境污染,提高企业的经济效益和社会效益。

2.3 绿色化趋势

工业的发展给人们生活带来了巨大变化。物质丰富,生活舒适;但另一方面,资源减少,生态环境受到严重污染。于是人们呼吁保护环境资源,回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生,绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中,符合环境保护和人类健康的要求。设计绿色化的机电一体化产品,具有远大的发展前途。将绿色化的机电一体化技术应用到化工生产上,势必会给化工工业输入新的血液,带来质的飞跃。

3 结 语

随着化工行业不断发展,对控制水平和规模、生产连续自动化、绿色化等的要求越来越高,从而又加速了机电一体化技术的发展和进步。目前,各种高新技术的发展,如网络、光纤、人工智能及生物工程等高新技术,已渗入到机电一体化技术之中,使机电一体化产品功能更强大、性能更优越,智能化程度也越来越高。因此,将新的机电一体化技术应用到化工生产,能够使企业获得更加显著的经济和社会效益,这也是一个化工企业可持续发展的途径。随着科学技术的发展,各种技术相互融合的趋势将越来越明显,而机电一体化技术在化工中的应用,也将具有更加广阔的发展前景。

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