HTG系列微孔陶瓷過濾機自控系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

王開廈

（江蘇省宜興非金屬化工機械廠有限公司，宜興214221）

0 前言

目前廣泛使用的陶瓷過濾機是一種最新型的高效節(jié)能環(huán)保型液固分離設(shè)備，其最終產(chǎn)品是干燥的濾餅和清澈的濾液，無環(huán)境污染，水資源可循環(huán)利用，具有過濾效率高、濾餅水份低、自動化程度高、脫水成本低及節(jié)能效果顯著等優(yōu)點，以其顯著的社會經(jīng)濟效益現(xiàn)已徹底取代傳統(tǒng)的圓盤真空過濾機，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外冶金、化工、煤炭、礦山、有色和環(huán)保等行業(yè)。

陶瓷過濾機的工作機理在于：過濾介質(zhì)為微孔陶瓷過濾板，是以親水性材料氧化鋁為基本成分燒結(jié)制成的過濾板，板內(nèi)部具有產(chǎn)生毛細效應(yīng)的微孔，微孔孔經(jīng)一般都在0.5～5um左右，每一小孔相當(dāng)一個毛細管。當(dāng)轉(zhuǎn)筒上的過濾板旋轉(zhuǎn)浸入礦漿中，過濾板被抽真空，微孔中的毛細作用力大于真空所施加的力，使微孔中始終保持充滿液體，懸浮液中的固體顆粒被截留在過濾板表面上，壓強差逐步使濾餅形成，借助毛細效應(yīng)產(chǎn)生的自然力開始脫水，脫水時微孔只讓濾液通過，而阻止空氣不能通過，即透水不透氣，真空度很高，一般在-0.090～0.098MPa之間(海拔高度不同有所差別)。而濾液通過濾盤進入濾液管道連續(xù)排出，因此脫水只需小功率的真空泵就可將濾液排出。

HTG系列陶瓷過濾機是集微孔陶瓷濾板、真空保護、恒壓反沖壓力、超聲清洗升降機構(gòu)等十多項核心專利和智能自控、模糊超聲清洗等多項創(chuàng)新技術(shù)于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。它在分離效率、運行成本、智能自控、節(jié)能降耗等方面較傳統(tǒng)盤式過濾機有質(zhì)的提高，各項技術(shù)經(jīng)指標接近或達到國際同類產(chǎn)品先進水平。

1 陶瓷過濾機工藝特點及要求

陶瓷過濾機主要由主機系統(tǒng)(轉(zhuǎn)筒、分配閥、卸料裝置、微孔濾板)、攪拌系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)(超聲波清洗裝置、反沖洗裝置、化學(xué)清洗裝置)、控制系統(tǒng)、礦漿槽及機架等幾大部分組成。

陶瓷過濾機的工藝流程包括吸漿區(qū)、淋洗區(qū)、干燥區(qū)、卸料區(qū)和反沖洗區(qū)五個區(qū)域。自動過濾過程如下：啟動攪拌器→轉(zhuǎn)筒 (過濾板)旋轉(zhuǎn)→循環(huán)濾液泵→真空泵→關(guān)閉槽底放漿閥→自來水供給反沖洗管路→礦漿進入料槽中→轉(zhuǎn)筒上的過濾板轉(zhuǎn)動并浸入礦漿中→過濾板抽真空→壓力差逐步使濾餅形成→濾餅脫水→刮板從旋轉(zhuǎn)的過濾板上刮下濾餅 (刮刀和濾板間留有2mm左右的間隙)→過濾液對濾盤進行反沖洗→輸送機將刮下的濾餅精礦(尾礦)送入料倉。

槽體內(nèi)礦漿液面高度由料位計檢測，PLC根據(jù)檢測結(jié)果控制進料閥的開閉，料位上、下限值是根據(jù)生產(chǎn)工藝需預(yù)先設(shè)定的。而濾液桶內(nèi)的液面高度是由液位計檢測，但控制邏輯正好與料位控制進料閥相反。影響陶瓷過濾機產(chǎn)能和精礦水分的因素有：溫度、濃度、pH值、料位高低、主軸轉(zhuǎn)速、攪拌轉(zhuǎn)速、真空度、刮刀間隙及過濾板。陶瓷過濾機過濾運行一個班(7～8小時)后，就須對過濾板進行清洗再生，通常采用超聲清洗和加酸聯(lián)合清洗(硝酸或草酸)的方法，以確保良好的過濾效果。

自動清洗過程：過濾運行停止→料槽中的礦漿通過出料閥排放掉→放水沖洗料槽→料槽放滿清水→超聲清洗機和酸(硝酸或草酸)對陶瓷過濾板進行約1小時(可修改定時)的聯(lián)合清洗。清洗完成后，過濾機又重新自動進入下一個過濾、清洗循環(huán)周期。

2 自控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 自控系統(tǒng)主要硬件組成

系統(tǒng)主要有9臺設(shè)備和12只電磁閥組成。設(shè)備分別是：轉(zhuǎn)筒、攪拌、超聲波清洗機、過濾泵、真空泵、酸計量泵、配酸泵、潤滑泵、恒壓反沖泵。12只電磁閥分別是：加水閥、循環(huán)水閥、排水閥、吸水閥、真空閥、酸計量泵出口閥、吹堵閥、進料閥、出料閥、氣反沖閥、放水閥、真空泵冷卻水閥。自控系統(tǒng)硬件主要由PLC、觸摸屏、傳感器、變頻器及低壓電器元件組成，操作方式分為三種：就地自控、就地手控、遠程控制。自控系統(tǒng)主要完成各泵、電磁閥、變頻器等設(shè)備的啟動、停止、暫停、點動、聯(lián)動、聯(lián)鎖及自動投切等功能。自控系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

2.2 PLC

（1）硬件配置：PLC選用西門子S7-200系列，一個CPU226模塊(24DI/16DO)，一個開關(guān)量輸入/輸出模塊EM223(16DI/16DO)、二個模擬量輸入模塊EM231(4AI)、一個模擬量輸出模塊EM232(2AO)、一個通訊模塊EM277(通信協(xié)議：PROFIBUS-DP)或 EM243-1(通信協(xié)議：工業(yè)以太網(wǎng))。

圖1 陶瓷過濾機自控系統(tǒng)硬件框圖

S7-200 CPU226模塊有兩個RS-485通訊口(端口0和端口1)。其中端口1通過PPI連接電纜接到觸摸屏串口；端口0通過屏蔽雙絞線連接至西門子MM440變頻器通信口，由觸摸屏通過S7-200PLC對變頻器內(nèi)部的參數(shù)設(shè)定和頻率給定。

（2）軟件設(shè)計：S7-200 PLC編程軟件為STEP7-Micro/WIN32 V4.0或以上版本，S7-200 PLC的通信波特率必須與觸摸屏的波特率設(shè)置相一致。

2.3 觸摸屏(人機界面)

觸摸屏選西門子12英寸TP277觸摸屏，軟件選西門子WinCC flexible2008標準版組態(tài)軟件。根據(jù)過濾機的特點及要求，觸摸屏需設(shè)計組態(tài)各工藝流程圖、狀態(tài)顯示、生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、故障報警、操作記錄、使用說明書等監(jiān)控界面，并分配對應(yīng)的PLC功能定義號。

2.4 變頻器

轉(zhuǎn)筒和攪拌變頻器的調(diào)速，是由觸摸屏將S7-200PLC指令庫中的USS庫指令對西門子MM440變頻器的參數(shù)設(shè)定及頻率給定，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)筒或攪拌變頻器的頻率，是一種低成本的連接方案。

2.5 測量傳感器

將由測量的料位、液位、水位、酸液位、真空、反沖洗水壓傳感器的模擬量信號(電流DC4～20mA)，以及轉(zhuǎn)筒、攪拌變頻器輸出的轉(zhuǎn)速信號(電壓DC0～10V)送至S7-200PLC模擬量輸入模塊。

2.6 低壓電器元件

在電控柜內(nèi)部安裝PLC、變頻器、斷路器、交流接觸器、熱繼電器、濾波器、端子排及直流電源等低壓電器。電控柜面板上設(shè)有觸摸屏、暫停、急停按鈕、維修開關(guān)和報警故障燈。

3 系統(tǒng)應(yīng)用程序 (P L C程序和觸摸屏畫面程序)

3.1 PLC程序設(shè)計

根據(jù)微孔陶瓷過濾機的生產(chǎn)工藝特點及控制要求，確定放料、過濾、清洗、配酸、手動操作等工序的動作次序，并對各設(shè)備控制回路按工藝流程實施優(yōu)化閉環(huán)控制，如恒壓反沖洗壓力、料位、液位和酸液位的閉環(huán)控制。在編程前應(yīng)先對各功能程序段的地址進行規(guī)劃，將它細分為不同的執(zhí)行模塊(子程序)，系統(tǒng)需要19個數(shù)字量輸入點，30個數(shù)字量輸出點，8個模擬量輸入點，2個模擬量輸出點，并增加10%～20%的備用量，編制的PLC主要I/O地址分配如表1所示。

整個PLC的程序包括1個主程序和10個子程序，子程序分別介紹如下：自動過濾、自動清洗、手動操作、恒壓反沖、模擬量轉(zhuǎn)換、參數(shù)設(shè)定、自動配酸、保護安全聯(lián)鎖、故障報警計時、遠程通訊。

3.1.1 自動過濾子程序

自動過濾一鍵操作，在運行中能夠進行自動→手動→自動無擾動切換(包括暫停、急停操作)；當(dāng)自動過濾運行計時7小時30分后(定時可修改)，進料閥停止進料，直至8小時后，過濾機進入自動清洗狀態(tài)或暫停狀態(tài)(可預(yù)先設(shè)定)。在自動過濾非正常運行時，若發(fā)生報警或故障：當(dāng)發(fā)生報警時過濾機仍繼續(xù)運行，但發(fā)出報警信號要求操作人員處理；而發(fā)生故障時則過濾機立即停機。

3.1.2 自動清洗子程序

自動清洗一鍵操作，在運行中能夠進行自動→手動→自動無擾動切換(包括暫停、急停操作)；當(dāng)自動清洗計時一小時后(定時可修改)，過濾機立即自動進入停機狀態(tài)或下一輪過濾

狀態(tài)(可預(yù)先設(shè)定)。自動清洗過程中亦可暫停、急停操作，功能同上自動過濾運行情況類似。

表1 PLC主要I/O地址分配表

3.1.3 手動操作子程序

在自動過濾或自動清洗過程中，若要人工處理故障時可切換至手動操作狀態(tài)，單獨開、停各氣動電磁閥、電動機、泵或超聲清洗機等設(shè)備。為了方便操作，在手動操作程序中設(shè)置了“轉(zhuǎn)自動過濾”和“轉(zhuǎn)自動清洗”開車兩種操作形式，均可很方便返回原來的自動運行狀態(tài)。

3.1.4 恒壓反沖、模擬量轉(zhuǎn)換、參數(shù)設(shè)定、配酸控制、保護安全聯(lián)鎖、故障報警計時、遠程通訊等子程序。

監(jiān)控系統(tǒng)還編制了恒壓反沖(閉環(huán)控制)、模擬量轉(zhuǎn)換、參數(shù)設(shè)定、配酸控制、保護安全聯(lián)鎖、故障報警計時、遠程通訊等子程序。

3.2 觸摸屏的畫面組態(tài)設(shè)計

畫面總體規(guī)劃是根據(jù)過濾機系統(tǒng)的工藝和監(jiān)控要求，共需組態(tài)17個人機交互功能畫面，分別為：初始畫面(開機時顯示)、選擇畫面、自動過濾畫面、自動清洗畫面、自動配酸畫面、手動操作畫面、檢修操作畫面、操作員參數(shù)設(shè)定畫面、管理員參數(shù)設(shè)定畫面、操作記錄畫面、報警信息畫面、故障診斷畫面、料位趨勢圖、反沖洗壓力趨勢圖、內(nèi)部參數(shù)修改畫面、節(jié)能畫面、清屏操作畫面。(注：自動過濾運行畫面如圖2所示，其余畫面省略)

圖2 自動過濾運行畫面

這17個功能畫面具有動態(tài)顯示、數(shù)據(jù)采集、事件歷史儲存、報警記錄、趨勢曲線顯示、安全保護設(shè)計、操作說明、口令修改、報表分析、數(shù)據(jù)報表打印、使用幫助等一系列應(yīng)用功能。觸摸屏的各類組件內(nèi)存單元與PLC中數(shù)據(jù)存儲區(qū)的單元相關(guān)聯(lián)。

3.2.1 初始畫面、選擇畫面、自動過濾、自動清洗、自動配酸、手動操作和檢修操作的畫面組態(tài)

（1）初始畫面：剛通電時進入初始畫面，該畫面可進入到選擇畫面。

（2）選擇畫面：從選擇畫面可分別切換到所有其余畫面，而其余畫面都能返回到選擇畫面。

（3）自動過濾畫面：從選擇畫面點擊“自動過濾”觸摸鈕，進入自動過濾畫面，畫面上顯示過濾機開停車工藝流程動態(tài)圖，如水管、氣管、酸管和壓縮空氣管路，分別用不同顏色的管路形象動態(tài)顯示帶有方向性的流動，泵、電機、閥門和超聲清洗機啟、停用兩種顏色分別顯示，轉(zhuǎn)筒與攪拌動畫模擬顯示，并顯示過濾機開停車設(shè)備的全過程。畫面右部是實時顯示過濾機的運行狀態(tài)。

（4）自動清洗畫面：從選擇畫面或過濾畫面點擊“清洗準備”觸摸鈕，進入自動清洗畫面，清洗畫面顯示過濾機清洗工藝流程動態(tài)圖與過濾工藝類似，并顯示清洗過程各階段的狀態(tài)和參數(shù)。

（5）自動配酸畫面：從選擇或清洗畫面點擊“自動配酸”觸摸鈕，進入自動配酸畫面，配酸畫面顯示過濾機配酸工藝流程動態(tài)圖同上類似；并顯示配酸過程每個階段的狀態(tài)和參數(shù)。

（6）手動操作及檢修操作畫面：可單獨操作單個設(shè)備的啟、停，完成相應(yīng)的控制動作。

3.2.2 操作員、管理員參數(shù)設(shè)定、操作記錄、報警信息和故障診斷畫面的組態(tài)

（1）操作員、管理員參數(shù)設(shè)定畫面：兩畫面是對PLC的工藝參數(shù)進行預(yù)先設(shè)定和管理用。而 “管理員參數(shù)設(shè)定”觸摸鈕為口令域(管理員可修改密碼)，并在兩畫面上都設(shè)有可一鍵操作的“參數(shù)默認鍵”，參數(shù)默認是由PLC程序預(yù)先設(shè)定好，只要一鍵操作就可完成全部設(shè)定。

（2）操作記錄畫面：該畫面是對運行記錄、數(shù)值超范圍、暫停、急停、設(shè)備損壞及每班生產(chǎn)狀況等歷史數(shù)據(jù)通過歸檔事件消息進行儲存記錄，為生產(chǎn)管理提供現(xiàn)場過程數(shù)據(jù)。

（3）報警信息畫面：該畫面用于查詢報警歷史記錄和打印報警報表，系統(tǒng)對各種故障進行分級處理，并建立運行檔案。報警內(nèi)容分為：料位過高、液位過高、氣壓不足、真空壓力過高、轉(zhuǎn)筒變頻器報警、攪拌變頻器報警、超聲清洗機報警等。當(dāng)發(fā)生錯誤事件時，報警窗口和報警指示器將同時出現(xiàn)在當(dāng)前顯示的畫面中，并顯示報警產(chǎn)生的故障原因、日期、時間，而此時報警燈閃爍鳴響。

（4）故障診斷畫面：該畫面用于進行設(shè)備的故障診斷、故障排除和設(shè)備調(diào)試。

3.2.3 料位趨勢圖、反沖洗壓力趨勢圖、內(nèi)部參數(shù)修改、節(jié)能和清屏操作畫面的設(shè)計

（1）料位趨勢圖、反沖洗壓力趨勢圖：共組態(tài)2組實時趨勢圖，一組顯示礦槽料位傳感器歷史曲線，另一組顯示反沖洗壓力傳感器歷史曲線，每個變量都是以每10s從PLC讀取一次趨勢值。

（2）內(nèi)部參數(shù)修改畫面：該畫面是管理員用來修改一般不需要經(jīng)常作改動的內(nèi)部參數(shù)。

（3）節(jié)能畫面：該畫面是記錄、顯示轉(zhuǎn)筒變頻器與攪拌變頻器的累積用電數(shù)及實時節(jié)電數(shù)。

（4）清屏操作畫面：用于觸摸屏在運行時人工清潔觸摸屏，“清屏”功能激活后，在清屏?xí)r段內(nèi)(一般為30～60s)將鎖定畫面和所有功能鍵，用延時進度條指示至結(jié)束的剩余時間，清屏后恢復(fù)原樣。

4 系統(tǒng)的保護、安全聯(lián)鎖、故障報警功能及可靠性和安全性設(shè)計

4.1 保護功能

（1）真空保護：過濾機在自動過濾運行中，若過濾板開裂破損、真空管路泄漏等引起真空壓力過高 (默認值為－0.03MPa)，過濾機則立即進入暫停狀態(tài)，并且發(fā)出信號通知操作人員處理故障。

（2）輸送機保護：位于過濾機底部的輸送機在運行過程中，若由于某種情況停止運行，過濾機應(yīng)作出反應(yīng)進入暫停狀態(tài)，并發(fā)出信號通知操作人員處理，避免濾餅堵塞下料口。

（3）密碼功能保護：在選擇畫面上進入“管理員參數(shù)設(shè)定”畫面時設(shè)有密碼功能(可修改)。

4.2 安全聯(lián)鎖功能

（1）自動過濾運行時，濾桶液位計與過濾泵和循環(huán)閥聯(lián)鎖：過濾運行中若濾桶液位未達到下限設(shè)定值時，程序保證過濾泵和循環(huán)閥都將不能啟動，以避免過濾泵吸空造成泵機械密封干燒損壞。

（2）酸計量泵與加水閥聯(lián)鎖：為了防止在無水時硝酸就進入過濾機管道，對機體造成腐蝕損壞，程序必須保證加水閥未打開時酸計量泵嚴禁啟動。

（3）自動過濾程序與自動清洗程序聯(lián)鎖：為避免自動過濾后不清洗就再次過濾開車，而導(dǎo)致?lián)p壞過濾板，程序應(yīng)保證過濾運行八小時后，必須經(jīng)過一小時的清洗，方能夠允許再次自動過濾開車。

（4）公共的10M3硝酸箱與每臺過濾機的1M3硝酸箱聯(lián)鎖：為了防止稀硝酸泄漏，當(dāng)1M3硝酸箱液位達到設(shè)定值上限時，程序能夠自動停止10M3硝酸箱上的供酸泵進酸。

（5）超聲波清洗機與槽體料位計聯(lián)鎖：自動清洗時料位計檢測槽體料位高度，因超聲振子盒須保證全部浸沒在槽體液面以下，才能允許啟動超聲清洗機，避免干燒損壞超聲振子盒及超聲電源。

（6）真空泵冷卻水閥聯(lián)鎖：為了防止真空泵機械密封由于無冷卻水導(dǎo)致過熱損壞，程序嚴格保證真空泵上的冷卻水閥先開30秒鐘后(可根據(jù)實際情況修改)，此時真空泵才能允許啟動。

（7）酸計量泵出口閥聯(lián)鎖：為了防止硝酸倒流通過分配器進入真空泵，從而腐蝕損壞真空泵，因此在酸計量泵出口管道處安裝自動球閥，而程序必須保證酸計量泵與此閥同時開、停。

4.3 故障報警功能

當(dāng)普通報警發(fā)生時，過濾機仍舊繼續(xù)運行，但顯示相關(guān)報警信息；當(dāng)嚴重故障報警發(fā)生時，過濾機立即進入暫?；蚣蓖顟B(tài)，并發(fā)出聲光信號和顯示相關(guān)故障信息通知操作人員處理。

4.4 可靠性和安全性設(shè)計

隨著工礦綜合自動化程度的逐步提高，單機自動化逐步接入生產(chǎn)線自動化，因此須對陶瓷過濾機自控系統(tǒng)的可靠性和安全性進行特殊設(shè)計，以滿足日益提高的工礦綜合自動化要求。

（1）在輸入、輸出端有感性元件時，在它們兩端并聯(lián)續(xù)流二極管(直流)或阻容電路(交流)。

（2）采用軟、硬件互鎖設(shè)計：軟件互鎖分動作優(yōu)先(先輸入的信號優(yōu)先)和輸入信號優(yōu)先(后輸入的信號優(yōu)先)兩種，硬件互鎖是在輸出線接入對立動作的常閉觸點。

（3）采用定時接通電路：如延時0.02S可消除誤信號。

（4）采用延時切斷電路：如電磁閥電路采用延時切斷，可避免電磁閥長時間通電。

5 遠程通訊及軟硬件抗干擾措施

5.1 遠程通訊

單機自動化接入生產(chǎn)線自動化進行網(wǎng)絡(luò)化控制和管理，可提升工礦綜合自動化程度，提高產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率。陶瓷過濾機使用S7-200PLC通過EM277通信模塊(或CP243-1以太網(wǎng)模塊)接入PROFIBUS-DP或以太網(wǎng)組成的DCS網(wǎng)絡(luò)，中控室DCS系統(tǒng)可遠程監(jiān)控多臺陶瓷過濾機或其他設(shè)備運行。

5.2 軟硬件抗干擾措施

現(xiàn)場是較惡劣復(fù)雜的環(huán)境，干擾有時會很嚴重，輕則數(shù)據(jù)在畫面上抖動或誤動作，重則使系統(tǒng)失控造成事故。因此須在軟、硬件上采取抗干擾措施，削弱或阻斷干擾源。

5.2.1 軟件措施

濾波：PLC程序采用限幅濾波，能消除因偶然因素引起的干擾；輸入濾波器：數(shù)字輸入點設(shè)置適當(dāng)?shù)妮斎霝V波時間常數(shù)，模擬輸入設(shè)置適當(dāng)?shù)牟蓸訑?shù)和死區(qū)值。

5.2.2 硬件措施

接地：一是過濾機系統(tǒng)須采用完善的強、弱電接地系統(tǒng)；二是所有屏蔽電纜的屏蔽層須在一端與弱電地線連接，另一端懸空，且遠離強電流線。屏蔽：一是模擬量信號線選用屏蔽電纜，并把屏蔽層接到的公共輸入端子上，放入專用橋架單獨敷設(shè)，并將橋架要盡量遠離動力線；二是對電源變壓器、CPU模塊采用導(dǎo)電、導(dǎo)磁良好的材料進行屏蔽；濾波：對供電系統(tǒng)及輸入線路采用多種形式的濾波器，以消除或抑制高頻干擾；隔離：在模擬量輸入回路選用電流或電壓信號隔離器；供電：采用隔離性能優(yōu)良的電源或1:1隔離變壓器給PLC和傳感器供電。采用基于USS通信協(xié)議調(diào)速，將S7-200 CPU226的0#端口連接西門子變頻器，以避免現(xiàn)場各種電磁干擾。

6 結(jié)語

本自控系統(tǒng)經(jīng)過多年來不斷的改進、完善和創(chuàng)新，產(chǎn)品具有經(jīng)濟合理、穩(wěn)定可靠、故障率低、自動化檔次高，它是陶瓷過濾機用戶評價較高、市場競爭力較強的一種過濾機控制方式。

[1]廖常初.S7-200 PLC編程及應(yīng)用(第2版)[M].機械工業(yè)出版社.2008.

[2]吳中俊.可編程序控制器原理及應(yīng)用[M].江蘇大學(xué)出版社.2005.

[3]西門子(中國)有限公司.深入淺出西門子S7-200 PLC[M].北京航空航天大學(xué)出版社.2003.