基于 DVP 系列 PLC 陶瓷過(guò)濾機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉教敏

江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司 江西德興 334299

過(guò) 濾機(jī)作為固液分離機(jī)械的主導(dǎo)產(chǎn)品之一，是 許多生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備之一[1]。江銅銀山礦業(yè)公司 1 號(hào)銅陶瓷過(guò)濾機(jī)為鞍山 60 m3陶瓷過(guò)濾機(jī)，采用濾泵排液式排液，控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的手動(dòng)控制，對(duì)操作工的操作技能要求較高。該設(shè)備自運(yùn)行以來(lái)，由于操作差異和濾泵排液脫水不連續(xù)等因素，脫水效果不太理想。日益增長(zhǎng)的產(chǎn)量需求以及操作員工的緊缺，使選礦廠對(duì)陶瓷過(guò)濾機(jī)的性能和使用提出了新的要求，特別是在自動(dòng)控制方面。實(shí)現(xiàn)陶瓷過(guò)濾機(jī)的智能化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化，可使過(guò)濾機(jī)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，提高其過(guò)濾產(chǎn)量、精礦品質(zhì)和回收率等指標(biāo)，達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、節(jié)能降耗的目的[2]。筆者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用需求，總結(jié)濾泵排液傳統(tǒng)脫水控制的弊端，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

1 陶瓷過(guò)濾機(jī)

1.1 工作原理

陶瓷過(guò)濾機(jī)主要基于陶瓷片微孔的毛細(xì)作用，利用微孔瓷板的獨(dú)特通水不透氣的特性，通過(guò)真空泵抽取陶瓷板內(nèi)腔空氣，使其內(nèi)腔與外部產(chǎn)生負(fù)壓差，礦漿顆粒在負(fù)壓的作用下吸附在陶瓷板上，濾液則通過(guò)陶瓷板微孔經(jīng)吸水閥進(jìn)入真空桶外排，從而達(dá)到了固液分離的目的[3]。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工藝流程

陶瓷過(guò)濾機(jī)主要結(jié)構(gòu)有主機(jī)系統(tǒng)、攪拌裝置、真空裝置、超聲波清洗裝置、配酸裝置、反沖洗裝置、氣路裝置和酸洗裝置等。陶瓷過(guò)濾機(jī)工作時(shí)，主機(jī)由分配閥控制轉(zhuǎn)子循環(huán)工作，轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn) 1 周，完成吸漿 (濾餅形成)、干燥 (濾餅脫水)、卸料和濾盤(pán)反沖洗 4 個(gè)過(guò)程，周而復(fù)始，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，工藝流程如圖 1 所示[4]。

圖1 陶瓷過(guò)濾機(jī)的工藝流程Fig.1 Process f low of ceramic filter

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 I/O 點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析

陶瓷過(guò)濾機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象有主軸輥筒、攪拌器、超聲波清洗機(jī)、上下真空泵、計(jì)量泵、配酸泵、真空閥、吸水閥、放料閥、吹堵閥、反沖吸水閥、旁通閥和副閥等。模擬量檢測(cè)對(duì)象有輥筒速度、攪拌速度、槽體料位、反沖洗壓力、下真空桶液位、上真空度、下真空度、酸位計(jì)。統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng) I/O 點(diǎn)，模擬量點(diǎn)有 9 個(gè)，其中 AI 點(diǎn)有 7 個(gè)，AO 點(diǎn)有 2 個(gè)。此外，DI 點(diǎn)有 11 個(gè)，DO 點(diǎn)有 21 個(gè)。

2.2 PLC 硬件選型和模擬量信號(hào)電路設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)硬件方面，主控 CPU 采用 DVP-20EX 模塊，擴(kuò)展模塊采用 DVP-24XN 模塊，人機(jī)界面采用昆侖通態(tài) 10 寸觸摸屏。系統(tǒng)硬件配置如圖 2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件配置Fig.2 Hardware configuration of control system

AI 信號(hào)作為關(guān)鍵數(shù)據(jù)并顯示在 HMI 畫(huà)面上。攪拌變頻器和主軸變頻器的信號(hào)反饋直接采用 2 個(gè) AO 信號(hào)作為反饋值，節(jié)省 2 個(gè) AI 通道。此外，需要采樣 5 個(gè)模擬量點(diǎn)，由于 DVP-20EX 主機(jī)有 4 個(gè) AI 點(diǎn)和 2 個(gè) AO 點(diǎn)，模擬量信號(hào)通道不足。為節(jié)省成本并體現(xiàn)實(shí)用性，特別設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬量通道 A3V，連接 2 個(gè)中繼器 Y0 和 Y1，分別采集真空度和酸位計(jì)信號(hào)，利用程序控制中繼器切換信號(hào)流。PLC 電氣原理如圖 3 所示。

圖3 PLC 電氣原理Fig.3 PLC electrical principle sketch

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集

單通道模擬量采集多信號(hào)流的具體方法：模擬量 A 信號(hào)和 B 信號(hào)分別利用 2 個(gè)中繼器通過(guò)時(shí)序控制；檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到 PLC 內(nèi)部寄存器中；掃描刷新數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算和畫(huà)面展示。

3.2 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)陶瓷過(guò)濾機(jī)的工藝特點(diǎn)，主要控制過(guò)程有槽體料位自動(dòng)控制和過(guò)濾脫水自動(dòng)控制。

(1) 槽體料位自動(dòng)控制 根據(jù)料位檢測(cè)結(jié)果與設(shè)定值的對(duì)比，控制給料閥的開(kāi)閉，達(dá)到液位設(shè)定上限時(shí)自動(dòng)停止給料，降到液位設(shè)定下限時(shí)自動(dòng)補(bǔ)充給料。液位上、下限值根據(jù)生產(chǎn)調(diào)整設(shè)定。

(2) 過(guò)濾脫水自動(dòng)控制 這是自動(dòng)脫水的關(guān)鍵技術(shù)，其特點(diǎn)在于上、下真空桶機(jī)械聯(lián)動(dòng)，保持系統(tǒng)負(fù)壓，從而不間斷自動(dòng)脫水，其程序控制流程如圖 4 所示。

圖4 自動(dòng)脫水邏輯控制Fig.4 Logic control of automatic dehydration

3.3 預(yù)警保護(hù)

系統(tǒng)預(yù)警一是設(shè)置反沖洗壓力報(bào)警聯(lián)鎖，當(dāng)反沖洗壓力大于預(yù)設(shè)值時(shí)，彈出報(bào)警信息，并緊急停車(chē)，防止陶瓷板被沖擊爆裂；二是設(shè)置開(kāi)車(chē)過(guò)程真空監(jiān)測(cè)，在其他設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，當(dāng)真空突然大于預(yù)設(shè)值時(shí)，發(fā)出陶瓷板破裂或者真空系統(tǒng)故障報(bào)警，并緊急停車(chē)，防止是事故擴(kuò)大化，減少經(jīng)濟(jì)損失。

3.4 配酸邏輯和算法

陶瓷過(guò)濾機(jī)工作一個(gè)班后，必須對(duì)陶瓷片進(jìn)行清洗，以保持良好的過(guò)濾效果[5]。工作過(guò)程中，需要用體積分?jǐn)?shù)為 50% 的稀硝酸和超聲波振盒聯(lián)合清洗陶瓷片。稀硝酸一般采用體積分?jǐn)?shù)為 98% 的濃硝酸混合水配制而成。由于濃硝酸是一種危化品，配酸過(guò)程極度危險(xiǎn)，所以需要采用機(jī)器自動(dòng)配制而成。自動(dòng)配酸控制邏輯如圖 5 所示，配酸算法如下。

圖5 自動(dòng)配酸邏輯控制Fig.5 Logic control of automatic acid blending

設(shè)定需要配定的酸位L、稀酸桶半徑r，配酸體積

設(shè)濃硝酸的體積為V1，加入水的體積為V2，則

配酸體積分?jǐn)?shù)

式中：D1為濃硝酸的密度。

通過(guò)查表得D1=1.5 g/cm3，代入可得加入水的體積

進(jìn)而得出

其中

式中：L2為配水閥開(kāi)啟時(shí)酸位。

加入濃硝酸的體積

進(jìn)而得出

其中

式中：L1為酸泵開(kāi)啟時(shí)酸位。

4 觸摸屏組態(tài)

根據(jù)陶瓷過(guò)濾機(jī)工藝控制要求，本設(shè)計(jì)中組態(tài)共有 22 個(gè)功能畫(huà)面，系統(tǒng)主畫(huà)面如圖 6 所示。

圖6 系統(tǒng)主畫(huà)面Fig.6 Main interface of system

觸摸屏組態(tài)系統(tǒng)主要功能如下：

(1) 上電自動(dòng)檢測(cè)是否與 PLC 通信成功，如未成功，則彈出“未連接成功”提示框；

(2) 觸摸屏所有操作具有二次重復(fù)確認(rèn)功能，并執(zhí)行腳本顯示對(duì)應(yīng)動(dòng)作狀態(tài)；

(3) 在觸摸屏中可完成態(tài)儀表數(shù)據(jù)工程量換算算法、配酸策略等關(guān)鍵算法；

(4) 識(shí)別并動(dòng)態(tài)展示系統(tǒng)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)，具備報(bào)警監(jiān)控、操作記錄功能。

5 效果評(píng)價(jià)

本控制系統(tǒng)自 2021 年 5 月份進(jìn)行改造，當(dāng)年 6 月份投入使用。改造后，銅精礦含水率對(duì)比如表 1 所列。

表1 改造前后銅精礦的含水率對(duì)比 Tab.1 Comparison of water content of copper concentrate before and after reconstruction %

由表 1 可知，改造后，銅精礦的含水率呈下降趨勢(shì)，且降幅較大。

6 結(jié)語(yǔ)

利用 DVP 系列 PLC 實(shí)現(xiàn)了智能控制系統(tǒng)的全流程設(shè)計(jì)，涵蓋硬件選型、電氣設(shè)計(jì)、軟件編程、畫(huà)面組態(tài)等多個(gè)環(huán)節(jié)，包含了自動(dòng)循環(huán)脫水、自動(dòng)配酸及瓷板真空聯(lián)鎖保護(hù)，可動(dòng)態(tài)展示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、智能識(shí)別運(yùn)行過(guò)程。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用 PLC 實(shí)現(xiàn)了配酸的智能化算法；利用中繼器控制信號(hào)切換的方式，解決了一個(gè)模擬量通道接受和處理多個(gè)儀表信號(hào)的問(wèn)題。在滿足現(xiàn)場(chǎng)使用的情況下，降低了控制成本，提高了陶瓷過(guò)濾機(jī)自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)了效益最大化。