基于三菱PLC的固液分離機(jī)自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

韓夢龍，齊自成，褚 斌，孫立剛，李寒松，高 亮

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100)

基于三菱PLC的固液分離機(jī)自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

韓夢龍，齊自成，褚 斌，孫立剛，李寒松，高 亮

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100)

針對現(xiàn)有固液分離機(jī)自動化程度低的問題，設(shè)計開發(fā)了一種基于三菱FX系列PLC的固液分離機(jī)自動化控制系統(tǒng)。其人機(jī)界面為三菱觸摸屏，通過采集并控制出料口的壓力，利用步進(jìn)電機(jī)調(diào)整出料口開合的大小，實現(xiàn)自動化出料，可精確控制擠出料含水率。

畜禽糞便；固液分離機(jī)；自動化；PLC

0 引言

一般畜禽糞便含水量超過80%，如直接堆肥，需要調(diào)節(jié)其含水量至65%左右[1-3]。固液分離機(jī)的功能是將固體與液體分離，即通過圍繞壓縮螺旋的篩網(wǎng)擠出液體，并將液體擠壓出篩網(wǎng)。有3種常用的加壓方法：①通過逐漸增加內(nèi)螺旋軸的直徑來實現(xiàn)；②減小螺距，實現(xiàn)壓縮；③卸料口安裝卸料錐。該設(shè)計易于調(diào)節(jié)排料口面積，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)擠出干料的水分含量[2]。

中機(jī)華豐(北京)科技有限公司開發(fā)研究的KP-250 螺旋擠壓式固液分離機(jī)，采用液壓驅(qū)動環(huán)隙出料裝置[2]，利用連桿機(jī)構(gòu)，通過杠桿原理實現(xiàn)剛性的出料口的大小開合動作，其自動化程度未見。目前市場上最多的產(chǎn)品是配重塊式出料口裝置，需要人工對出料口壓力進(jìn)行調(diào)整，自動化程度低且壓力調(diào)整的誤差范圍較大，無法實現(xiàn)精確壓力調(diào)整。

本文研制的基于三菱PLC的固液分離機(jī)自動化控制系統(tǒng)，在其出料口采用86全閉環(huán)高速伺服步進(jìn)電機(jī)、兩級減速的行星減速器與螺桿壓簧機(jī)構(gòu)連接，通過采集、設(shè)定、比較出料口的壓力傳感器數(shù)據(jù)來調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的正、反、停三位控制，實現(xiàn)對出料口壓力的精確調(diào)整，保證擠出干物料的含水率。

1 固液分離機(jī)自動化控制系統(tǒng)組成

固液分離機(jī)自動化控制系統(tǒng)分為手動模式和自動模式，根據(jù)實際需要可以選擇相應(yīng)模式。系統(tǒng)主要由觸摸按鍵系統(tǒng)、三菱PLC、步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、壓力傳感器系統(tǒng)及三相異步電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中，驅(qū)動電源為380V，為主電機(jī)及強制喂料電機(jī)供電；控制按鍵為220V；開關(guān)電源為5、24、50V，為壓力傳感器系統(tǒng)及步進(jìn)電機(jī)供電。

圖1 控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the control system

1.1 觸摸按鍵系統(tǒng)

為了防止觸摸屏在工作過程中發(fā)生故障，固液分離機(jī)自動化控制系統(tǒng)中額外設(shè)計了一套對應(yīng)的機(jī)械按鍵控制系統(tǒng)，同樣可以完成手動、自動控制。觸摸屏選用三菱GS2107-WTBD，如圖2所示。圖2中，人機(jī)界面中設(shè)置有手動模式菜單、自動模式菜單，可以設(shè)定壓力上限、壓力下限，界面上可以顯示由壓力變送器采集變換后的壓力值。此外，人機(jī)界面中可以設(shè)置步進(jìn)電機(jī)所需脈沖頻率。自動模式下，設(shè)置好參數(shù)后，通過一鍵啟動及一鍵停止按鈕實現(xiàn)固液分離機(jī)的自動化運行；自動模式下，設(shè)置好參數(shù)后，可以獨立控制步進(jìn)電機(jī)、主電機(jī)及強制喂料電機(jī)的運行。

1.2 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器為控制器與步進(jìn)電機(jī)之間的橋梁。驅(qū)動器收到控制器發(fā)出的脈沖信號對脈沖進(jìn)行分配和功率放大，然后去控制步進(jìn)電機(jī)每一相線圈是否得電[4]。

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向由脈沖分配到各相繞組的相序決定，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。在非超載的情況下，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)而不受負(fù)載變化的影響。脈沖的個數(shù)越多，電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度越大，脈沖頻率越高電機(jī)的轉(zhuǎn)速越快，但不能超過最高頻率，否則電機(jī)力矩迅速減小，電機(jī)不轉(zhuǎn)[5]。

圖2 觸摸屏手動、自動界面Fig.2 The manual、 automatic interface on touch screen

1.2.1 脈沖頻率控制

在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)如果想實現(xiàn)高速啟動，會出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，與其最高啟動頻率息息相關(guān)，因此需要通過加速，將脈沖頻率由最高啟動頻率加速到所需脈沖頻率。本次選用86型步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動器設(shè)置細(xì)分脈沖頻率為1 000～4 000Hz為合理范圍，實驗時通過撥碼開關(guān)設(shè)置為2 000Hz，所需脈沖頻率設(shè)置為32 000Hz。

常用的原材料有：石灰石、白堊、黏土、頁巖、鐵礦石等。因礦石成分的不確定性，導(dǎo)致水泥中礦物組成變動性大，使水泥與外加劑不相容。

程序選用斜坡信號輸出指令(RAMP)來實現(xiàn)脈沖頻率加速，如圖3所示。其中,D0為脈沖頻率初始值，D1為脈沖頻率最終值，D3為脈沖頻率從D0加速到D1過程的當(dāng)前值或最終值。K10為加速時間，本次設(shè)計加速時間為10個掃描周期。掃描周期設(shè)定值為20ms，因此本次加速時間為20ms×10=0.2s。當(dāng)且僅當(dāng)M88、M22同時為ON時，斜坡輸出，D3=D1時，M8029置1[6]。

M88與M22的啟動由圖4脈沖頻率賦值并啟動程序?qū)崿F(xiàn)置ON。本程序中，D0、D1分別由D200、D300賦值，也可在觸摸屏中自由設(shè)置(見圖2)。

圖3 RAMP斜坡信號輸出Fig.3 Ramp signal output of RAMP

圖4 脈沖頻率賦值并啟動Fig.4 The pulse frequency is assigned and started

1.2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)向控制

在三菱FX2N型PLC中，為了和標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器配合使用，在其內(nèi)部專門設(shè)計了一條速度及位置控制指令(PLSY)[7],可以輸出兩路脈沖，指定脈沖輸出元件號(Y0或Y1)，分別控制兩臺步進(jìn)電機(jī)，如圖5所示。圖5中，選擇Y0為脈沖輸出口，Y2口為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向輸出口。默認(rèn)Y2不啟動的情況下步進(jìn)電機(jī)為正向輸出；反之，Y2導(dǎo)通時為反向輸出。PLSY指令中D3為指定脈沖頻率，與RAMP斜坡信號中D3為同一值(見圖3)。K0為指定產(chǎn)生脈沖的數(shù)量，本次選擇K0的目的是讓步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器持續(xù)產(chǎn)生脈沖；如果不選擇K0值，選其他任意整數(shù)值時，可用于位置控制；步進(jìn)電機(jī)指定脈沖數(shù)輸出完后，指令執(zhí)行完成標(biāo)志M8029置1。切記PLSY指令在程序中只能使用一次，且只能用于晶體輸出型PLC[7]。

圖5 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向控制Fig.5 The stepper motor steering control

1.3 壓力傳感器系統(tǒng)

壓力傳感器系統(tǒng)為固液分離機(jī)出料端的核心。設(shè)備選用壓力傳感器采集出料口處物料與壓力傳感器之間的壓力模擬信號，不同的壓力對應(yīng)不同的物料擠壓含水率數(shù)值[2]：壓力過小，擠出料含水率偏大，無法達(dá)到理想效果；壓力過大，物料無法被擠出。本設(shè)備在綜合考慮以上因素后，既要減小擠出料含水率，又要兼顧物料順利出料，因此在物料喂入口添加立式螺旋強制喂入系統(tǒng)。

壓力傳感器采集模擬信號，由壓力變送器處理后以4～20mA模擬信號發(fā)送至FX2N-2AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器。PLC數(shù)據(jù)采集程序按照FX2N-2AD標(biāo)準(zhǔn)程序執(zhí)行。壓力采集如圖6所示。圖6中，特殊輔助繼電器M8000上電運行，開始采集壓力讀數(shù)，采集到的壓力值為0～4 000的數(shù)字值信號[8-9]，需要通過公式轉(zhuǎn)換。為防止數(shù)字值不穩(wěn)定，采用取平均值方式完成數(shù)據(jù)處理過程，平均值累計次數(shù)為30次。

圖6 壓力采集Fig.6 Pressure collection

1.3.2 壓力與步進(jìn)電機(jī)聯(lián)合控制

控制擠出料的含水率，需要一個范圍來實現(xiàn)，既要有壓力上限，又要包括壓力下限。采集壓力在設(shè)定壓力區(qū)間內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)停止脈沖輸出；超過壓力上限，步進(jìn)電機(jī)啟動反轉(zhuǎn)程序；低于壓力下限，步進(jìn)電機(jī)啟動正轉(zhuǎn)程序。

區(qū)間比較與步進(jìn)電機(jī)控制如圖7所示。圖7中，選用FX2N型PLC提供的區(qū)間比較指令(ZCP)，將處理后的平均壓力值與壓力上下限進(jìn)行比較，實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)正、停、反三位控制。ZCP指令中，當(dāng)M0自動置ON時，執(zhí)行下述過程：

①D110

②D205≤D110≤D207時，M4為ON，步進(jìn)電機(jī)停止；③D110>D205時，M5為ON，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖7 區(qū)間比較與步進(jìn)電機(jī)控制Fig.7 Interval Comparison and Stepping Motor Control

2 固液分離機(jī)試驗

2.1 試驗條件及結(jié)果

試驗選用干清牛糞作為原料，初始含水率為69.3%，試驗過程通過調(diào)整設(shè)置壓力上下限來控制擠出物料含水率，來驗證不同擠壓力下對擠出物含水率的影響[10-12]。實驗共分4組進(jìn)行壓力范圍調(diào)整，每組實驗重復(fù)進(jìn)行3次，每次實驗共用干清牛糞50kg，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)

2.2 試驗結(jié)果分析

通過對比表1中試驗數(shù)據(jù)可知：隨著壓力增大，擠出料含水率逐漸減小，生產(chǎn)率減小。基于三菱PLC的固液分離機(jī)自動化控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)干清牛糞時固液分離，且擠出料含水率可調(diào)，設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，滿足自動化要求，設(shè)計可靠。

3 結(jié)論

1)本文設(shè)計的基于三菱PLC的固液分離機(jī)自動化控制系統(tǒng)，以干清牛糞為對象進(jìn)行實驗，擠出料含水率在45%～60%之間。通過調(diào)整出料口壓力，可以實現(xiàn)含水率的自動調(diào)整，滿足自動化需求。設(shè)備控制系統(tǒng)的自動、手動按鍵可以與生產(chǎn)線控制柜中的輸入口并聯(lián)，與其他設(shè)備配套，實現(xiàn)自動化畜禽糞便等的固液分離。

2)本機(jī)控制系統(tǒng)可以追加其他在線檢測手段，實現(xiàn)更加智能化、數(shù)據(jù)化處理。本系統(tǒng)還有待開發(fā)完善，后續(xù)將通過對不同物料的實驗(包括各類動物糞便、干濕度、壓力、水分含量等)，采集大量數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫，通過觸摸屏菜單式選擇合理精確的壓力范圍，實現(xiàn)更加精確化控制。

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ID:1003-188X(2018)02-0212-EA

Design of Automatic Control System of Solid-Liquid Separator Based on Mitsubishi Company's PLC

Han Menglong, Qi Zicheng, Chu Bin, Sun Ligang, Li Hansong, Gao Liang

(Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences, Jinan 250100, China)

Abstract： Aimed at the low degree of automation of the existing solid-liquid separator, a kind of automatic control system of solid-liquid separator based on Mitsubishi FX series PLC is designed and developed.The man-machine interface is Mitsubishi touch screen.By adjusting and control the pressure of the discharge port, the opening and closing of the size of the material to achieve automatic material,to achieve precise control of water content of extruded material.

livestock manure; solid-liquid separator; automatic; PLC

2016-11-18

山東省科技發(fā)展計劃項目(2015GNC112002)；國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0800604)；山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程項目(CXGC2016B13)；山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系牧草創(chuàng)新團(tuán)隊項目(SDAIT-23-11)

韓夢龍(1989-),男，濟(jì)南人，碩士研究生，(E-mail)724607164@qq.com。

齊自成(1967-)，男，山東臨沂人，研究員，(E-mail)qizcheng@sina.com。

S24；TH122

A

1003-188X(2018)02-0212-04