宋 慧

（臨汾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，臨汾 041000）

壓濾機(jī)是眾多脫水設(shè)備中較為成熟的一種脫水設(shè)備。工業(yè)化壓濾出現(xiàn)在17世紀(jì)末18世紀(jì)初，最初應(yīng)用在化工生產(chǎn)中，后來(lái)被廣泛應(yīng)用于制藥、冶金、污水處理、食品、環(huán)保以及陶瓷等行業(yè)。它的工作原理是將需要過(guò)濾或脫水的懸浮物質(zhì)裝入一種特殊的過(guò)濾介質(zhì)中對(duì)其進(jìn)行施壓，從而使固液分離[1]。

以冶金行業(yè)的板框壓濾系統(tǒng)為例，壓濾系統(tǒng)中壓濾機(jī)入料系統(tǒng)是長(zhǎng)期以來(lái)較難解決的問(wèn)題。入料系統(tǒng)上料泵的運(yùn)行特點(diǎn)是前期進(jìn)料要求大流量低壓力，后期保壓、憋壓時(shí)是小流量大揚(yáng)塵。常規(guī)選泵采用特殊渣漿泵，存在價(jià)格高、壽命低、維護(hù)難等問(wèn)題[2]，不僅增加了成本，而且效率低下。經(jīng)過(guò)多方調(diào)研，校企合作共同研發(fā)設(shè)計(jì)了一種組合式上料泵，使其具備壓濾機(jī)進(jìn)料的特點(diǎn)。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(shí)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(jī)控制。針對(duì)不同工藝編寫(xiě)不同型號(hào)壓濾機(jī)，使用不同的流量和壓力控制模糊算法，以實(shí)現(xiàn)入料系統(tǒng)的智能控制。實(shí)踐表明，基于PLC的壓濾機(jī)智能入料比只用渣漿泵入料節(jié)約約25%的電能。

1 任務(wù)描述

以城市污水處理廠的污泥處理為例，工作場(chǎng)景如圖1所示。工廠中的污水通過(guò)一系列處理后進(jìn)入濃縮池，經(jīng)水泵抽壓濾機(jī)脫水入污泥，處理后經(jīng)環(huán)衛(wèi)車(chē)送入垃圾填埋場(chǎng)，再按照衛(wèi)生填埋處理固體廢物的工藝要求處理污泥。此處，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)在濃縮池到壓濾機(jī)環(huán)節(jié)。當(dāng)按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)后，PLC控制變頻器啟動(dòng)渣漿泵，對(duì)其大流量填料，此時(shí)PLC不斷電流監(jiān)測(cè)渣漿泵。根據(jù)輸入的渣漿泵電機(jī)銘牌參數(shù)，通過(guò)公式換算轉(zhuǎn)換為管道壓力估值，并在觸摸屏或者上位機(jī)顯示。濃縮池中的污泥在啟動(dòng)或者運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)污泥堆積不流動(dòng)的現(xiàn)象，導(dǎo)致渣漿泵工作時(shí)只能抽水而抽不上污泥。出現(xiàn)吸空現(xiàn)象時(shí)，要求PLC根據(jù)渣漿泵電流不斷調(diào)整頻率。壓濾機(jī)填料基本完成后，不需要大流量入料。當(dāng)要求憋壓時(shí)，PLC通過(guò)控制變頻器停止渣漿泵運(yùn)行，轉(zhuǎn)為運(yùn)行柱塞泵。柱塞泵運(yùn)行階段主要是低流量高壓力，此時(shí)PLC不斷監(jiān)測(cè)渣漿泵和換算壓力。當(dāng)壓力超過(guò)工藝要求壓力時(shí)，關(guān)閉柱塞泵，啟動(dòng)框架式壓濾機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行污泥脫水工藝。壓濾機(jī)脫水完成后，重新開(kāi)始一輪壓濾機(jī)入料流程。系統(tǒng)留有485接口和以太網(wǎng)接口，以便接入企業(yè)信息化平臺(tái)[3]。穩(wěn)定的系統(tǒng)傳感器元器件和完善的故障檢測(cè)系統(tǒng)，既可保證設(shè)備安全運(yùn)行，又可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，不僅節(jié)省了人力，而且提高了工作 效率。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件選擇

2.1.1 PLC選擇

PLC是一種在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置[4]。市場(chǎng)上生產(chǎn)廠家、品牌以及產(chǎn)品型號(hào)眾多，考慮到經(jīng)濟(jì)成本、運(yùn)行穩(wěn)定、集成度以及市場(chǎng)保有度等問(wèn)題，系統(tǒng)選擇西門(mén)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(wǎng)接口、12輸入/8輸出的SR20。變頻器、RS485溫度變送器、RS485振動(dòng)傳感器與PLC的458通信，采用工業(yè)常用的Modbus-RTU協(xié)議。PLC以太網(wǎng)接口與交換機(jī)連接，觸摸屏和上位機(jī)與交換機(jī)連接，具體的拓?fù)湟?jiàn)圖2。系統(tǒng)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(shè)備外部邏輯簡(jiǎn)單清晰，便于今后升級(jí)和擴(kuò)展，從而節(jié)省成本，縮短設(shè)備生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。如果客戶(hù)提出設(shè)備運(yùn)行托管服務(wù)的要求，可以增加物聯(lián)終端（如海為云盒Cloud Box）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程組態(tài)監(jiān)控運(yùn)行，收集存儲(chǔ)不同工況的設(shè)備運(yùn)行情況，方便工程師整理，為設(shè)備的生命周期評(píng)估獲得第一手資料，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期管理提供支撐，也方便后期升級(jí)PLC系統(tǒng)和遠(yuǎn)程排除故障等。具體的輸入/輸出（Input/Output，I/O）地址見(jiàn)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(xiàn)場(chǎng)使用的渣漿泵為L(zhǎng)系列輕型渣漿泵[5]，型號(hào)為300S-L，配置功率為45 kW，流量為568 m3·h-1，揚(yáng)程為18 m，轉(zhuǎn)速為750 r·min-1，電機(jī)選擇45 kW、Ue=380 V、Ie=88.5 A、8級(jí)電機(jī)。選用的陶瓷柱塞泵為YB-200G-19。YB柱塞泵采用液壓驅(qū)動(dòng)高壓柱塞泵進(jìn)行雙杠運(yùn)作，優(yōu)點(diǎn)是壓力高、流量可調(diào)、損耗極低、幾乎無(wú)損耗件、可連續(xù)24 h運(yùn)作以及運(yùn)行成本低。液壓電機(jī)選擇37 kW、Ue=380 V、Ie=72.2 A、4級(jí)電機(jī)。變頻器品牌選擇思科為，型號(hào)為SV600-554G/754P。

觸摸屏選擇中國(guó)臺(tái)灣威綸通10寸，型號(hào)為MT8102iE，產(chǎn)品為10.1寸薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Thin Film Transistor，TFT），分辨率為1024×600，F(xiàn)lash和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）均為128 MB，集成1個(gè)10/100Base-T的以太網(wǎng)口、2個(gè)RS485接口和1個(gè)RS232接口。

2.1.3 傳感器選擇

基于PLC的壓濾機(jī)智能入料系統(tǒng)選擇兩個(gè)溫度傳感器，均具有RS485通信功能。一個(gè)是測(cè)量渣漿泵軸承溫度，選用廣東省東莞市競(jìng)速電子科技有限公司的型號(hào)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(jīng)查詢(xún)，渣漿泵電機(jī)絕緣等級(jí)為A級(jí)，允許工作溫度為105 ℃，繞組溫升為60 K，性能參考溫度為80 ℃。結(jié)合《承溫度標(biāo)準(zhǔn)—泵軸承溫度標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3215—824.4.1）規(guī)定，泵工作期間，軸承最高溫度不超過(guò)80 ℃。根據(jù)《軸承溫度標(biāo)準(zhǔn)—泵軸承溫度標(biāo)準(zhǔn)》（JB/T 5294—913.2.9.2），軸承溫升不超過(guò)環(huán)境溫度40 ℃，最高溫度不超過(guò)80℃。所以，選擇PT100鉑熱電阻，輸出電流為4～20 mA，通信協(xié)議為Modbus-RTU，工作電壓為11～24 V，測(cè)量范圍為0～200 ℃，精度為±0.25 ℃。另一個(gè)是測(cè)量柱塞泵循環(huán)水溫度，同樣選用RSDS5的溫度傳感器，參數(shù)同上。但是，溫度探頭材質(zhì)和結(jié)構(gòu)不同，采用防水耐腐蝕的鐵氟龍?zhí)筋^。

2.2 硬件接線圖

PLC硬件接線圖如圖3所示。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 程序設(shè)計(jì)

通過(guò)分析系統(tǒng)工藝流程，基于PLC的壓濾機(jī)智能入料系統(tǒng)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(yáng)程。系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)電機(jī)，兩個(gè)控制部分相互獨(dú)立。因此，編程過(guò)程中為了使編程結(jié)構(gòu)清晰，避免編程錯(cuò)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(guò)程采用順序指令編寫(xiě)。

3.2 編寫(xiě)梯形圖

基于PLC的壓濾機(jī)智能入料系統(tǒng)前端是濃縮池，末端是框架壓濾機(jī)。所以，系統(tǒng)的啟停受濃縮池和壓濾機(jī)控制。打開(kāi)濃縮池中排泥閥，壓濾機(jī)狀態(tài)正常，等待壓濾。入料系統(tǒng)為無(wú)故障狀態(tài)，才能啟動(dòng)。若壓濾機(jī)入料完成或者濃縮池排泥閥處于關(guān)閉狀態(tài)，則系統(tǒng)自動(dòng)停止工作。在工作過(guò)程中，渣漿泵軸承溫度高于65 ℃且低于70 ℃時(shí)，設(shè)備報(bào)警但不停機(jī)，冷卻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。如果溫度超過(guò)70 ℃且低于80 ℃，并在30 s內(nèi)溫度沒(méi)有下降趨勢(shì)，那么設(shè)備結(jié)合電機(jī)電流估算出入料壓力，再結(jié)合運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)切換至柱塞泵運(yùn)行，冷卻風(fēng)機(jī)不停止，直至軸承溫度低于45 ℃時(shí)，風(fēng)機(jī)停止工作。設(shè)備切換至柱塞泵后進(jìn)行保壓入料，入料結(jié)束后，設(shè)備停機(jī)。停機(jī)后報(bào)警內(nèi)容，且在觸摸屏顯示渣漿泵軸承溫度過(guò)高故障信息。之后操作人員確定報(bào)警內(nèi)容，檢查維修無(wú)誤后才能再次點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)系統(tǒng)?？偟膩?lái)說(shuō)，輕故障不停機(jī)，但是系統(tǒng)完成一個(gè)周期后需要人工確認(rèn)故障信息才能再次啟動(dòng)系統(tǒng)。部分梯形圖如圖4所示。

系統(tǒng)在調(diào)試時(shí)對(duì)不同的入料流程需要在觸摸屏上設(shè)置對(duì)應(yīng)的參數(shù)，而且觸摸屏和PLC掉電或者重新啟動(dòng)后都不能復(fù)位和清零，所以需要設(shè)置PLC系統(tǒng)中的保持范圍來(lái)保持掉電。

系統(tǒng)中PLC作為通信主機(jī)，設(shè)計(jì)人員需要控制變頻器，再采集傳感器數(shù)據(jù)。通信時(shí)使用Modbus-RTU協(xié)議，工作方式是PLC向變頻器發(fā)送控制命令和查詢(xún)命令，變頻器根據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作和應(yīng)答信息，完成后PLC向溫度傳感器發(fā)出查詢(xún)命令，依次循環(huán)。

3.3 設(shè)置變頻器參數(shù)

為了使通信正常，雙方都可以正常交換數(shù)據(jù)，必須正確設(shè)置通信雙方的通信站地址、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位以及奇偶校驗(yàn)位等。設(shè)計(jì)人員需要設(shè)置相同的PLC、變頻器、溫度傳感器的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位以及奇偶校驗(yàn)位。站地址須設(shè)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(jī)智能入料系統(tǒng)工藝要求變頻器一拖二運(yùn)行，且兩臺(tái)電機(jī)參數(shù)不同。為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，必須正確設(shè)置變頻器的運(yùn)行參數(shù)。經(jīng)查詢(xún)變頻器使用說(shuō)明書(shū)，結(jié)合工藝和電機(jī)銘牌設(shè)置變頻器的部分主要參數(shù)，如表2所示。

表2 變頻器的部分主要參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

（1）PLC留有通信口，建議與物聯(lián)網(wǎng)云盒綁定設(shè)置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。程序的遠(yuǎn)程上傳和下載，通過(guò)PLC增加SB CM01通信信號(hào)板連接數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透?jìng)鳌?/p>

（2）如果現(xiàn)場(chǎng)溫度傳感器較多且接線不方便，建議使用LoRa無(wú)線通信方式。它可以完全隔離現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)信號(hào)，具有安裝方便、使用簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定可靠以及高性?xún)r(jià)比等特點(diǎn)。

基于PLC的壓濾機(jī)智能入料系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于污泥、油泥、礦山尾礦、洗煤廠煤泥、養(yǎng)殖場(chǎng)糞便等行業(yè)，對(duì)不同行業(yè)可設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)。