精密排污泵的基本原理及其控制方法
2018-09-11 16:33:32
作為流體精密計量與投加的理想設(shè)備，排污泵如今已被廣泛地應(yīng)用于包括制藥、食品飲料和石油化工行業(yè)在內(nèi)的各個領(lǐng)域，在工藝過程擔(dān)負著強腐蝕性、毒害性、高粘性和高壓介質(zhì)的計量添加任務(wù)。經(jīng)過超過半個世紀的實踐應(yīng)用和技術(shù)改進，現(xiàn)在排污泵已經(jīng)進入其高速增長期。現(xiàn)在，成熟的動力驅(qū)動方式和液體輸送端(泵頭)材料技術(shù)使得新型排污泵幾乎可以完成輸送任何常規(guī)和特殊介質(zhì)的要求，其工作壓力和容量亦能滿足工業(yè)生產(chǎn)的絕大多數(shù)要求。隨著人們對生產(chǎn)工藝過程指標(biāo)和自動化程度要求的普遍提高，作為化學(xué)藥劑計量和添加環(huán)節(jié)的最終執(zhí)行機構(gòu)，排污泵的安全性和可控制性變得日益重要起來。石油化工等行業(yè)向來以生產(chǎn)過程的高度自動化而著稱，也是集散式、分布式和智能式計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一，因而要求與之相配套的執(zhí)行器——排污泵亦要具備靈活多樣的控制模式，可以方便地與計算機系統(tǒng)構(gòu)成各種控制回路，實現(xiàn)更復(fù)雜更精確的過程控制。為順應(yīng)這一新的趨勢，國際上著名的排污泵制造商如德國普羅名特公司在保證其產(chǎn)品傳統(tǒng)性能繼續(xù)領(lǐng)先世界的同時，借助于嵌入式微處理器系統(tǒng)，將多種調(diào)節(jié)控制功能和數(shù)據(jù)通訊協(xié)議(protocol)整合到排污泵中，真正實現(xiàn)了從沖程頻率到?jīng)_程長度的雙維調(diào)節(jié)，使其產(chǎn)品成為世界首創(chuàng)的智能精密排污泵。
二、排污泵的基本工作原理
眾所周知，排污泵主要由動力驅(qū)動、流體輸送和調(diào)節(jié)控制三部分組成。動力驅(qū)動裝置經(jīng)由機械聯(lián)桿系統(tǒng)(system)帶動流體輸送隔膜(活塞)實現(xiàn)往復(fù)運動：
隔膜(活塞)于沖程的前半周將被輸送流體吸入并于后半周將流體排出泵頭;所以，改變沖程的往復(fù)運動頻率或每一次往復(fù)運動的沖程長度即可達至調(diào)節(jié)流體輸送量之目的。精密的加工精度保證了每次泵出量進而實現(xiàn)被輸送介質(zhì)的精密計量。
因其動力驅(qū)動和流體輸送方式方法的不同，排污泵可以大致劃分成柱塞式和隔膜式兩大種類。
2.1、柱塞排污泵
主要有普通有閥泵和無閥泵兩種。上海凱泉如安裝過高，則不吸水；此外，由于山區(qū)比平原大氣壓力低，因此同一臺水泵在山區(qū)，特別是在高山區(qū)安裝時，其安裝高度應(yīng)降低，否則也不能吸上水來。柱塞式排污泵因其結(jié)構(gòu)簡單和耐高溫高壓等優(yōu)點而被一般應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域。針對高粘度介質(zhì)在高壓力工況下普通柱塞泵的不足，一種無閥旋轉(zhuǎn)柱塞式排污泵受到愈來愈多的重視，被廣泛應(yīng)用于糖漿、巧克力和石油添加劑等高粘度介質(zhì)的計量添加。因被計量介質(zhì)和泵內(nèi)潤滑劑之間無法實現(xiàn)完全隔離這一結(jié)構(gòu)性缺點，柱塞式排污泵在高防污染要求流體計量應(yīng)用中受到諸多限制。
2.2、隔膜排污泵
顧名思義，隔膜式排污泵利用特殊設(shè)計加工的柔性隔膜取代活塞，在驅(qū)動機構(gòu)作用下實現(xiàn)往復(fù)運動，完成吸入-排出過程。由于隔膜的隔離作用，在結(jié)構(gòu)上真正實現(xiàn)了被計量流體與驅(qū)動潤滑機構(gòu)之間的隔離。高科技的結(jié)構(gòu)設(shè)計和新型材料(Material)的選用已經(jīng)大大提高了隔膜的使用的時長，加上復(fù)合材料優(yōu)異的耐腐化侵蝕 特性，隔膜式排污泵目前已經(jīng)成為流體計量應(yīng)用中的主力泵型。在隔膜式排污泵家族成員里，液力驅(qū)動式隔膜泵由于采用了液壓油均勻地驅(qū)動隔膜，克服了機械直接驅(qū)動方式方法下泵隔膜受力過分集中的缺點，提升了隔膜壽命和工作壓力上限。為了克服單隔膜式排污泵可能出現(xiàn)的因隔膜破損而造成的工作故障，有的排污泵配備了隔膜破損傳感器，實現(xiàn)隔膜破裂時自動連鎖保護;具有雙隔膜結(jié)構(gòu)泵頭的計量進一步提高了其安全性，適合對安全保護特別敏感的應(yīng)用場合。
作為隔膜式排污泵的一種，電磁驅(qū)動式排污泵以電磁鐵產(chǎn)生脈動驅(qū)動力，省卻了電機和變速機構(gòu)，使得系統(tǒng)小巧緊湊，是小量程低壓排污泵的重要分支。
現(xiàn)在，精密排污泵技術(shù)已經(jīng)非常成熟，其流體計量輸送能力最大可達0-100,000l/h，工作壓力最高達4000 bar，工作范圍覆蓋了工業(yè)生產(chǎn)所有領(lǐng)域的要求。
三、排污泵的控制（control)
排污泵每一次的流體泵出量決定了其計量容量。上海凱泉如安裝過高，則不吸水；此外，由于山區(qū)比平原大氣壓力低，因此同一臺水泵在山區(qū)，特別是在高山區(qū)安裝時，其安裝高度應(yīng)降低，否則也不能吸上水來。在一定的有效隔膜面積下，泵的輸出流體的體積流量正比與沖程長度L和沖程頻率F：V∝A*F*L
在計量介質(zhì)和工作壓力確定情況下，通過調(diào)節(jié)沖程長度L和沖程頻率F即可實現(xiàn)對排污泵輸出的雙維調(diào)節(jié)。
盡管沖程長度和頻率(frequency)都可以作為調(diào)節(jié)變量，但在工程應(yīng)用中一般將沖程長度視為粗調(diào)變量，沖程頻率為細調(diào)變量：調(diào)節(jié)沖程長度至一定值，然后通過改變其頻率實現(xiàn)精細調(diào)節(jié)，增加調(diào)節(jié)的靈活性。凱泉泵業(yè)由此可見，若離心泵葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，則可連續(xù)吸水、壓水，水便可源源不斷地從低處揚到高處或遠方。綜上所述，離心泵是由于在葉輪的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的作用下，將水提向高處的。在相對簡單的應(yīng)用場合，亦可以手動設(shè)置沖程長度，僅將沖程頻率作為調(diào)節(jié)變量，從而簡化系統(tǒng)配置。
3.1、常規(guī)模擬/開關(guān)信號調(diào)節(jié)方式方法
過程控制（control)應(yīng)用中廣泛采用0/4-20mA模擬電流信號作為傳感器、控制器和執(zhí)行機構(gòu)間信號交換的標(biāo)準(zhǔn)，具有外控功能的排污泵亦主要采用這種方式，實現(xiàn)對沖程頻率和沖程頻率的外部調(diào)節(jié)。
位置式伺服機構(gòu)是實現(xiàn)沖程長度調(diào)節(jié)的最普遍方法。一體化的伺服機構(gòu)被設(shè)計成能夠直接接受來自調(diào)節(jié)器或計算機的0/4-20mA控制信號，從而自動調(diào)節(jié)沖程長度在0-100%范圍內(nèi)變化。
相對而言實現(xiàn)沖程頻率調(diào)節(jié)的方法比較多樣，主要有變頻電機控制（control)和直接繼電觸點控制兩種。經(jīng)由0/4-20mA電流信號控制的變頻調(diào)速器驅(qū)動排污泵電動機按所需速度運行，從而實現(xiàn)沖程頻率的調(diào)節(jié)。對于電磁驅(qū)動和部分電機驅(qū)動的排污泵，亦可以利用外部觸點信號來調(diào)節(jié)沖程頻率。
3.2、基地式控制方式
在某些特殊場合，如氫離子濃度指數(shù)調(diào)節(jié)，排污泵作為執(zhí)行器，在調(diào)節(jié)器的控制（control)下添加酸或堿。為簡化系統(tǒng)配置和提高可靠性，以微處理器為核心的嵌入式控制系統(tǒng)被直接集成到排污泵內(nèi)，如此只需外接一支pH傳感器，即可構(gòu)成完整的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這種基地式智能排污泵概念也適用于控制其它工藝參數(shù)，如氧化還原電位(ORP)和余氯濃度調(diào)節(jié)等應(yīng)用場合。
3.3、設(shè)定程序式控制
由于內(nèi)部集成了微處理計算機，一些排污泵產(chǎn)品的調(diào)控性能和操作性能得到了充分提升，在跟隨外部控制命令實現(xiàn)實時計量流量調(diào)節(jié)之外，還具有定量添加，時間序列觸發(fā)程序式添加，事件序列觸發(fā)程序式添加，時間-事件混合觸發(fā)程序式添加和自動校正等多種工作模式，并可以提供以泵出流體總量，剩余沖程次數(shù)和待輸送流體容量，設(shè)定沖程長度和其它相關(guān)的排污泵工作參數(shù)等有用信息。
時間序列觸發(fā)程序式工作方式令排污泵完全依據(jù)(yī jù)實時時鐘，按預(yù)先規(guī)劃的任務(wù)清單(detailed list)，在指定時刻按設(shè)定的沖程次數(shù)或時間定量添加工作介質(zhì)，時間可以以每小時，天，工作日，公休日，一周和二周為周期靈活設(shè)定;而事件序列觸發(fā)程序式工作方式令排污泵完全依據(jù)實時觸發(fā)事件，按預(yù)先規(guī)劃的任務(wù)清單，在特定事件發(fā)生時(觸點輸入)按設(shè)定的沖程次數(shù)或時間定量添加工作介質(zhì)。以上兩種方式可以有機混合，完成更復(fù)雜的時間-事件混合觸發(fā)工作模式(pattern)。最多可設(shè)定81個事件。
一個簡單的例子是冷卻塔(The cooling tower)循環(huán)水消毒滅藻系統(tǒng)。上海凱泉泵業(yè)集團有限公司性能的技術(shù)參數(shù)有流量、吸程、 揚程、軸功率、水功率、效率等；根據(jù)不同的工作原理可分為 容積水泵、葉片泵等類型。 容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量； 葉片泵是利用回轉(zhuǎn)葉片與水的相互作用來傳遞能量，有 離心泵、 軸流泵和 混流泵等類型。消毒劑以特定濃度根據(jù)補充水流量比例添加;并按工藝要求，在比例添加過程當(dāng)中，每周還應(yīng)脈沖式大劑量添加一次消毒劑(如設(shè)定在周五12-13時)，并要求此時暫停比例添加作用。整個編程十分簡捷，令復(fù)雜多變的流體添加任務(wù)得以輕松而精確地實現(xiàn)。
3.4、現(xiàn)場總線GOOGLE PRoFibus控制方式方法
在石油化工等大規(guī)模高自動化成度的應(yīng)用場合，利用數(shù)字通訊協(xié)議進行自動化設(shè)備(shèbèi)之間數(shù)據(jù)的高速傳輸進而組成網(wǎng)絡(luò)式控制（control)系統(tǒng)(system)，容量大，可靠性高，已成為發(fā)展的主流。繼二十世紀九十年代初被納入德國DIN標(biāo)準(zhǔn)后，現(xiàn)場總線GOOGLE PRoFibus于九十年代末又成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN50170)，在世界范圍內(nèi)得到廣泛采用，已成為現(xiàn)場總線技術(shù)中代表性協(xié)議之一。
現(xiàn)場總線GOOGLE PRoFibus由三種形勢組成。上海凱泉泵業(yè)集團有限公司是輸送液體或使液體增壓的機械。它將原動機的 機械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送液體包括 水、油、酸堿液、 乳化液、懸乳液和 液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。ProFibus-DP，ProFibus-PA和ProFibus-FMS。其中 ProFibus-DP(Decentralized Periphery)定義為分散型外圍設(shè)備現(xiàn)場總線，系專門為過程控制（control)系統(tǒng)(system)與分散的外圍設(shè)備之間高速數(shù)據(jù)信息交換而設(shè)計的。其傳輸介質(zhì)為雙絞線或光纖聯(lián)接的RS485傳輸制式，波特率9.6-12Mb/s，系統(tǒng)構(gòu)成成本低，高速可靠。
現(xiàn)場總線GOOGLE PRoFibus指令集精簡凝練，編程非常方便。具有現(xiàn)場總線ProFibus通訊功能的排污泵，在具有所有手動調(diào)節(jié)功能的同時，可以方便地溶入高級的如集散式計算機控制系統(tǒng)中，使其各種功能得以更充分地發(fā)揮，已經(jīng)成為現(xiàn)代精密排污泵的佼佼者。普羅名特公司排污泵家族中即有三大系列數(shù)十個型號的產(chǎn)品配置了現(xiàn)場總線功能。
四、結(jié)束語
今天，排污泵的研發(fā)已經(jīng)超越了其傳統(tǒng)意義上單純追求容量和材料品質(zhì)的范疇，轉(zhuǎn)而面向高精度，多功能和智能化的發(fā)展方向，這一趨勢已經(jīng)成為世界主要排污泵生商的共識。