基于PLC的壓濾機智能入料系統設計

宋 慧

（臨汾職業技術學院，臨汾 041000）

壓濾機是眾多脫水設備中較為成熟的一種脫水設備。工業化壓濾出現在17世紀末18世紀初，最初應用在化工生產中，后來被廣泛應用于制藥、冶金、污水處理、食品、環保以及陶瓷等行業。它的工作原理是將需要過濾或脫水的懸浮物質裝入一種特殊的過濾介質中對其進行施壓，從而使固液分離[1]。

以冶金行業的板框壓濾系統為例，壓濾系統中壓濾機入料系統是長期以來較難解決的問題。入料系統上料泵的運行特點是前期進料要求大流量低壓力，后期保壓、憋壓時是小流量大揚塵。常規選泵采用特殊渣漿泵，存在價格高、壽命低、維護難等問題[2]，不僅增加了成本，而且效率低下。經過多方調研，校企合作共同研發設計了一種組合式上料泵，使其具備壓濾機進料的特點。前期使用渣漿泵滿足流量要求，后期使用柱塞泵滿足壓力要求，同時控制方面采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、變頻器以及上位機控制。針對不同工藝編寫不同型號壓濾機，使用不同的流量和壓力控制模糊算法，以實現入料系統的智能控制。實踐表明，基于PLC的壓濾機智能入料比只用渣漿泵入料節約約25%的電能。

1 任務描述

以城市污水處理廠的污泥處理為例，工作場景如圖1所示。工廠中的污水通過一系列處理后進入濃縮池，經水泵抽壓濾機脫水入污泥，處理后經環衛車送入垃圾填埋場，再按照衛生填埋處理固體廢物的工藝要求處理污泥。此處，控制系統設計重點在濃縮池到壓濾機環節。當按下啟動開關后，PLC控制變頻器啟動渣漿泵，對其大流量填料，此時PLC不斷電流監測渣漿泵。根據輸入的渣漿泵電機銘牌參數，通過公式換算轉換為管道壓力估值，并在觸摸屏或者上位機顯示。濃縮池中的污泥在啟動或者運行中可能會出現污泥堆積不流動的現象，導致渣漿泵工作時只能抽水而抽不上污泥。出現吸空現象時，要求PLC根據渣漿泵電流不斷調整頻率。壓濾機填料基本完成后，不需要大流量入料。當要求憋壓時，PLC通過控制變頻器停止渣漿泵運行，轉為運行柱塞泵。柱塞泵運行階段主要是低流量高壓力，此時PLC不斷監測渣漿泵和換算壓力。當壓力超過工藝要求壓力時，關閉柱塞泵，啟動框架式壓濾機，并對其進行污泥脫水工藝。壓濾機脫水完成后，重新開始一輪壓濾機入料流程。系統留有485接口和以太網接口，以便接入企業信息化平臺[3]。穩定的系統傳感器元器件和完善的故障檢測系統，既可保證設備安全運行，又可實現無人值守，不僅節省了人力，而且提高了工作 效率。

2 硬件設計

2.1 硬件選擇

2.1.1 PLC選擇

PLC是一種在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置[4]。市場上生產廠家、品牌以及產品型號眾多，考慮到經濟成本、運行穩定、集成度以及市場保有度等問題，系統選擇西門子S7-200 SMART系列，中央處理器（Central Processing Unit，CPU）選擇集成485接口、以太網接口、12輸入/8輸出的SR20。變頻器、RS485溫度變送器、RS485振動傳感器與PLC的458通信，采用工業常用的Modbus-RTU協議。PLC以太網接口與交換機連接，觸摸屏和上位機與交換機連接，具體的拓撲見圖2。系統采用易集成、故障易判斷、信息化程度高的通信連接，并減少硬接線的連接，使得設備外部邏輯簡單清晰，便于今后升級和擴展，從而節省成本，縮短設備生產周期，提高生產效率。如果客戶提出設備運行托管服務的要求，可以增加物聯終端（如海為云盒Cloud Box）實現遠程組態監控運行，收集存儲不同工況的設備運行情況，方便工程師整理，為設備的生命周期評估獲得第一手資料，為實現設備全生命周期管理提供支撐，也方便后期升級PLC系統和遠程排除故障等。具體的輸入/輸出（Input/Output，I/O）地址見表1。

表1 I/O地址分配表

2.1.2 變頻器和觸摸屏的選擇

現場使用的渣漿泵為L系列輕型渣漿泵[5]，型號為300S-L，配置功率為45 kW，流量為568 m3·h-1，揚程為18 m，轉速為750 r·min-1，電機選擇45 kW、Ue=380 V、Ie=88.5 A、8級電機。選用的陶瓷柱塞泵為YB-200G-19。YB柱塞泵采用液壓驅動高壓柱塞泵進行雙杠運作，優點是壓力高、流量可調、損耗極低、幾乎無損耗件、可連續24 h運作以及運行成本低。液壓電機選擇37 kW、Ue=380 V、Ie=72.2 A、4級電機。變頻器品牌選擇思科為，型號為SV600-554G/754P。

觸摸屏選擇中國臺灣威綸通10寸，型號為MT8102iE，產品為10.1寸薄膜場效應晶體管（Thin Film Transistor，TFT），分辨率為1024×600，Flash和隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）均為128 MB，集成1個10/100Base-T的以太網口、2個RS485接口和1個RS232接口。

2.1.3 傳感器選擇

基于PLC的壓濾機智能入料系統選擇兩個溫度傳感器，均具有RS485通信功能。一個是測量渣漿泵軸承溫度，選用廣東省東莞市競速電子科技有限公司的型號RSDS5的溫度傳感器，探頭采用4.7 mm孔徑式，可以直接用螺絲安裝到軸承座上。經查詢，渣漿泵電機絕緣等級為A級，允許工作溫度為105 ℃，繞組溫升為60 K，性能參考溫度為80 ℃。結合《承溫度標準—泵軸承溫度標準》（GB 3215—824.4.1）規定，泵工作期間，軸承最高溫度不超過80 ℃。根據《軸承溫度標準—泵軸承溫度標準》（JB/T 5294—913.2.9.2），軸承溫升不超過環境溫度40 ℃，最高溫度不超過80℃。所以，選擇PT100鉑熱電阻，輸出電流為4～20 mA，通信協議為Modbus-RTU，工作電壓為11～24 V，測量范圍為0～200 ℃，精度為±0.25 ℃。另一個是測量柱塞泵循環水溫度，同樣選用RSDS5的溫度傳感器，參數同上。但是，溫度探頭材質和結構不同，采用防水耐腐蝕的鐵氟龍探頭。

2.2 硬件接線圖

PLC硬件接線圖如圖3所示。

3 軟件實現

3.1 程序設計

通過分析系統工藝流程，基于PLC的壓濾機智能入料系統是處于污水處理程序中污水脫水的部分。采用分段控制，入料前期采用渣漿泵入料，以保證大流量入料。后期采用柱塞泵入料，以保證小流量、大揚程。系統采用一臺變頻器控制兩臺電機，兩個控制部分相互獨立。因此，編程過程中為了使編程結構清晰，避免編程錯誤，選擇STEP 7-MicroWIN SMART V2.3中文版編程軟件，按照工作流程將正常工作過程采用順序指令編寫。

3.2 編寫梯形圖

基于PLC的壓濾機智能入料系統前端是濃縮池，末端是框架壓濾機。所以，系統的啟停受濃縮池和壓濾機控制。打開濃縮池中排泥閥，壓濾機狀態正常，等待壓濾。入料系統為無故障狀態，才能啟動。若壓濾機入料完成或者濃縮池排泥閥處于關閉狀態，則系統自動停止工作。在工作過程中，渣漿泵軸承溫度高于65 ℃且低于70 ℃時，設備報警但不停機，冷卻風機啟動。如果溫度超過70 ℃且低于80 ℃，并在30 s內溫度沒有下降趨勢，那么設備結合電機電流估算出入料壓力，再結合運行時間自動切換至柱塞泵運行，冷卻風機不停止，直至軸承溫度低于45 ℃時，風機停止工作。設備切換至柱塞泵后進行保壓入料，入料結束后，設備停機。停機后報警內容，且在觸摸屏顯示渣漿泵軸承溫度過高故障信息。之后操作人員確定報警內容，檢查維修無誤后才能再次點擊啟動按鈕啟動系統?？偟膩碚f，輕故障不停機，但是系統完成一個周期后需要人工確認故障信息才能再次啟動系統。部分梯形圖如圖4所示。

系統在調試時對不同的入料流程需要在觸摸屏上設置對應的參數，而且觸摸屏和PLC掉電或者重新啟動后都不能復位和清零，所以需要設置PLC系統中的保持范圍來保持掉電。

系統中PLC作為通信主機，設計人員需要控制變頻器，再采集傳感器數據。通信時使用Modbus-RTU協議，工作方式是PLC向變頻器發送控制命令和查詢命令，變頻器根據命令執行相應的動作和應答信息，完成后PLC向溫度傳感器發出查詢命令，依次循環。

3.3 設置變頻器參數

為了使通信正常，雙方都可以正常交換數據，必須正確設置通信雙方的通信站地址、波特率、數據位、停止位以及奇偶校驗位等。設計人員需要設置相同的PLC、變頻器、溫度傳感器的波特率、數據位、停止位以及奇偶校驗位。站地址須設置PLC為1、變頻器為3、軸承溫度傳感器為4、柱塞泵冷卻水溫度傳感器為5等。

基于PLC的壓濾機智能入料系統工藝要求變頻器一拖二運行，且兩臺電機參數不同。為了提高系統穩定性，必須正確設置變頻器的運行參數。經查詢變頻器使用說明書，結合工藝和電機銘牌設置變頻器的部分主要參數，如表2所示。

表2 變頻器的部分主要參數

4 結語

（1）PLC留有通信口，建議與物聯網云盒綁定設置，實現遠程監控。程序的遠程上傳和下載，通過PLC增加SB CM01通信信號板連接數據傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU），以實現數據透傳。

（2）如果現場溫度傳感器較多且接線不方便，建議使用LoRa無線通信方式。它可以完全隔離現場危險信號，具有安裝方便、使用簡單、抗干擾能力強、穩定可靠以及高性價比等特點。

基于PLC的壓濾機智能入料系統已經廣泛應用于污泥、油泥、礦山尾礦、洗煤廠煤泥、養殖場糞便等行業，對不同行業可設置相應的數據參數。