基于PLC的離心機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

溫后珍　高彥峰　何宜輝　何培洪　欒儀廣

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制系統(tǒng)；PLC；Modbus；離心機(jī)

中圖分類號(hào)：TP29；T 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，大部分情況下離心機(jī)作為生產(chǎn)工藝后處理設(shè)備，被廣泛應(yīng)用在脫水、濃縮、分離、萃取等工藝過(guò)程，在眾多行業(yè)具有重要的地位。尤其對(duì)于生產(chǎn)碳酸鈣、硫酸鋇等無(wú)機(jī)鹽的企業(yè)，離心機(jī)的脫水效率與自動(dòng)化水平，更是關(guān)系到整個(gè)工程的生產(chǎn)效率及碳減排，這就需要較高的設(shè)備管理水平和較多的人力資源。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，關(guān)于離心機(jī)的機(jī)械、動(dòng)平衡等問(wèn)題的研究頗多，而與自動(dòng)化相結(jié)合的離心機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)略少。在參考文獻(xiàn)[2]中，將離心設(shè)備與自動(dòng)控制結(jié)合到一起，用于鉆井作業(yè)，其工藝流程與無(wú)機(jī)鹽生產(chǎn)工藝類似，但原文著重于硬件的選擇與防護(hù)，對(duì)自動(dòng)控制的介紹不夠詳細(xì)，本文將著重介紹離心機(jī)系統(tǒng)中關(guān)于自動(dòng)控制方面的內(nèi)容，綜合運(yùn)用了開(kāi)關(guān)量的邏輯控制、模擬量控制、數(shù)據(jù)處理和Modbus-RTU通信，充分利用PLC資源，節(jié)省了硬件投入。

1離心機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

離心機(jī)可按其分離原理、轉(zhuǎn)速大小、結(jié)構(gòu)形式、卸料方式、工作用途、工作方式等方面進(jìn)行分類。例如，根據(jù)設(shè)備的分離原理，離心機(jī)可分為沉降式離心機(jī)、過(guò)濾式離心機(jī)、分離式離心機(jī)和萃取式離心機(jī)四大類；根據(jù)設(shè)備的工作方式，可將離心機(jī)分為連續(xù)工作式離心機(jī)和間歇工作式離心機(jī)；根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式，可將離心機(jī)分為臥式離心機(jī)和立式離心機(jī)；根據(jù)設(shè)備的轉(zhuǎn)速大小，可將離心機(jī)分為高速離心機(jī)、常速離心機(jī)和超速離心機(jī)三大類。本文將研究三足式離心機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1.1三足式離心機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

作為間歇操作的轉(zhuǎn)鼓式離心機(jī)，三足式離心機(jī)的主要構(gòu)件有電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)鼓、支柱、制動(dòng)器等。轉(zhuǎn)鼓通常又稱為濾桶，在三足式離心機(jī)中，它通常保持直立且開(kāi)口向上，轉(zhuǎn)鼓和機(jī)殼上端向內(nèi)收斂，鼓壁開(kāi)有濾孔，內(nèi)壁覆以濾布。動(dòng)力源來(lái)自底部，經(jīng)傳動(dòng)裝置由電機(jī)拖動(dòng)。該設(shè)備的外殼、濾筒和傳動(dòng)裝置都懸在三個(gè)支柱上，所以被稱為三足式離心機(jī)。

1.2三足式離心機(jī)的工作原理

離心機(jī)一般包含加料、過(guò)濾、甩干、卸渣和洗滌共五個(gè)生產(chǎn)工藝步驟。

三足式離心機(jī)的工作原理是漿液經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓產(chǎn)生動(dòng)能，從而高速旋轉(zhuǎn)，漿液被甩到筒壁上形成一個(gè)液圈，液圈中的固相顆粒由于受到大于自身重力幾百倍甚至幾千倍的離心力的作用，就克服漿液黏度的阻力快速沉降到滾筒的內(nèi)壁上，形成固相層，液體形成液相層。固相層在濾布的阻攔下留在滾筒內(nèi)壁，液相流經(jīng)濾布后排到離心機(jī)水槽，經(jīng)過(guò)一系列的脫水處理后，得到含水量很低的濾餅。最后由刮刀將濾餅卸下，送至后續(xù)工序處理。無(wú)機(jī)鹽脫水工序的控制流程如圖1所示。

2離心機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

自動(dòng)電氣控制系統(tǒng)由離心機(jī)主機(jī)、進(jìn)料泵電磁閥、液壓油泵、PLC控制器和觸摸屏組成。

本離心系統(tǒng)對(duì)電氣傳動(dòng)的基本要求是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。在遵循操作簡(jiǎn)便性、工作可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及可擴(kuò)展性的設(shè)計(jì)原則基礎(chǔ)上，主要功能如下：

（1）控制系統(tǒng)具有手動(dòng)控制及自動(dòng)控制兩種控制方式。在手動(dòng)控制狀態(tài)下，根據(jù)人機(jī)交互界面的指令，執(zhí)行相應(yīng)的操作；在自動(dòng)控制狀態(tài)下，系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定好之后，電磁閥流量、運(yùn)行速度、運(yùn)行時(shí)間、刮刀等根據(jù)設(shè)定的程序自動(dòng)運(yùn)行。（2）能監(jiān)測(cè)、顯示各種運(yùn)行參數(shù)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，具有導(dǎo)出數(shù)據(jù)報(bào)表功能，如電壓、電流、電磁閥流量、主機(jī)轉(zhuǎn)速、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間等。（3）系統(tǒng)能過(guò)載保護(hù)，可以顯示故障報(bào)警。（4）在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下有當(dāng)前運(yùn)行單元的動(dòng)態(tài)畫(huà)面顯示。（5）具有緊急停機(jī)功能。（6）控制系統(tǒng)由PLC實(shí)行全自動(dòng)控制。系統(tǒng)總體構(gòu)成圖如圖2所示。

PLC在工業(yè)中的地位是非常高的，作為新一代工業(yè)控制器，它具有高性能的優(yōu)點(diǎn)被用在了工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中。根據(jù)輸入和輸出所需的點(diǎn)數(shù)和控制性能的要求，選用英威IVCIL-1614MAR微型PLC組成核心控制單元。該型號(hào)的PLC具有16個(gè)輸入點(diǎn)，14個(gè)輸出點(diǎn)，自帶一路模擬量輸出，擁有三個(gè)通信口，方便通信，更快的運(yùn)行速度和更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能，完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。人機(jī)界面采用HMITOOL組態(tài)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控、控制離心系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，滿足現(xiàn)場(chǎng)的各種工序需要。根據(jù)離心機(jī)的工作特性，主機(jī)選用變頻器調(diào)速方式。變頻器選用JACT AT500系列，通過(guò)Modbus-RTU通信協(xié)議，與PLC實(shí)時(shí)交換工作數(shù)據(jù)。通過(guò)模擬量控制比例閥，達(dá)到改變加料速度的目的。最后由油泵帶動(dòng)油缸，實(shí)現(xiàn)刮料功能。

3 PLC程序設(shè)計(jì)

按照無(wú)機(jī)鹽生產(chǎn)工藝的要求，程序分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩大部分。自動(dòng)控制僅需一鍵啟動(dòng)，系統(tǒng)便按照程序自動(dòng)、循環(huán)運(yùn)行，手動(dòng)控制則為設(shè)備調(diào)試或突發(fā)情形保留操作空間。在自動(dòng)控制中，按照生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)4種離心模式，并通過(guò)人機(jī)交互界面可自由更改運(yùn)行頻率，離心時(shí)間，加料速度，加料時(shí)間等，并保存在具有斷電記憶寄存器D中。變頻器速度控制采用Modbus RTU通信，這樣能夠采集到更多的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，充分利用主機(jī)資源，無(wú)須擴(kuò)展模擬量模塊，簡(jiǎn)化硬件電路。

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)實(shí)際需要，本控制流程的程序由一個(gè)主程序和兩個(gè)子程序構(gòu)成，其中兩個(gè)子程序?yàn)楸壤y數(shù)模轉(zhuǎn)換子程序、手動(dòng)控制子程序。各程序塊的功能如下：（1）主程序。主程序即為自動(dòng)控制程序，包含讀取變頻器當(dāng)前頻率、電流等。由于工藝流程系統(tǒng)復(fù)雜煩瑣，遂本程序采用順序流程圖（SFC）的方式。SFC的優(yōu)勢(shì)就在于它以功能為主線，將復(fù)雜的系統(tǒng)過(guò)程按照功能流程的順序分配，劃分為多段流程和步驟間的轉(zhuǎn)換過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)順序控制功能，功能分解后的每一步驟和每個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程都變?yōu)楹?jiǎn)單的程序過(guò)程，條理清楚，便于用戶程序閱讀和維護(hù)。順序功能控制指令的引入更使得復(fù)雜的問(wèn)題變得簡(jiǎn)單直觀。值得注意的是由于通過(guò)Modbus協(xié)議對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)速，為了避免通信沖突導(dǎo)致的通信中斷，將SFC中的MODRW指令移至SFC外，利用置位中間繼電器M實(shí)現(xiàn)Modbus通信功能。（2）比例閥數(shù)模轉(zhuǎn)換子程序。由于通過(guò)控制比例閥的開(kāi)度達(dá)到控制加料速度的目的，遂將多次用到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的程序放到子程序中，減少程序的尺寸，簡(jiǎn)化主程序結(jié)構(gòu)，使程序的結(jié)構(gòu)更加清晰，提高程序的可移植性。（3）手動(dòng)控制程序。主要處理手動(dòng)調(diào)試下PLC的輸出信號(hào)，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，輸出可控制過(guò)程，包括油泵啟停，主機(jī)啟停，高中低速，緊急停機(jī)，進(jìn)、退、升、降刮料等。

3.2 Modbus-RTU調(diào)試與通信

3.2.1 Modbus通信協(xié)議

Modbus協(xié)議可以說(shuō)是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的通信協(xié)議，采用報(bào)文傳輸通信協(xié)議，主要包括RTU、ASCII、TCP等傳輸模式，RTU和ASCII支持傳統(tǒng)的RS232、RS485、RS422和以太網(wǎng)設(shè)備。Modbus的ASCII、RTU協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答的方式。在RTU模式下，一字節(jié)的信息以8位字符的形式發(fā)送，而在ASCII模式下則作為兩個(gè)ASCII字符發(fā)送，因此，發(fā)送同樣的數(shù)據(jù)量，RTU模式的效率大約是ASCII模式的兩倍。通常數(shù)據(jù)量少而且傳輸內(nèi)容主要是文本時(shí)宜采用ASCII，通信數(shù)據(jù)量大且是二進(jìn)制數(shù)值時(shí)，宜采用RTU模式。本文采用的是RTU傳輸模式，RTU傳輸模式不僅具有較高的數(shù)據(jù)密度，而且在相同速率下通信效率高、傳輸穩(wěn)定。

3.2.2 Modbus-RTU調(diào)試

Modbus網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備都必須選擇相同的串口參數(shù)和傳輸模式。在進(jìn)行Modbus編程前，通常利用串口調(diào)試工具對(duì)被控設(shè)備進(jìn)行預(yù)測(cè)試。串口調(diào)試工具是以ASCII碼或十六進(jìn)制數(shù)發(fā)送或接收任何數(shù)據(jù)或字符，可以設(shè)定任意的自動(dòng)發(fā)送周期，并能將接收數(shù)據(jù)保存成文本文件。通過(guò)串口調(diào)試助手能方便判斷通信是否成功、通信地址是否正確以及被控設(shè)備的設(shè)置是否符合要求，減少后期PLC程序調(diào)試的工作量。以JACT AT500型號(hào)的變頻器為例，連接調(diào)試方法如下：（1）在變頻器AT500處設(shè)置好站號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)格式。尤其要注意通信過(guò)程中的波特率、起始位、停止位，站號(hào)等相關(guān)參數(shù)的配置。（2）串口調(diào)試助手按照AT500的通信參數(shù)設(shè)置好波特率、數(shù)據(jù)格式。（3）在串口調(diào)試助手界面，依次輸入站地址—功能碼—起始地址—元件個(gè)數(shù)，點(diǎn)擊校驗(yàn)按鈕，將自動(dòng)生成CRC校驗(yàn)碼。點(diǎn)擊發(fā)送，即向被監(jiān)控設(shè)備發(fā)出指令請(qǐng)求，若通信成功，將收到響應(yīng)幀，響應(yīng)幀的格式如下，地址—功能碼—讀取的元件個(gè)數(shù)—讀取到的數(shù)據(jù)1-讀取到的數(shù)據(jù)2-讀取到的數(shù)據(jù)n—校驗(yàn)碼，為了方便判斷通信是否準(zhǔn)確，建議讀取母線電壓。（4）經(jīng)過(guò)步驟（3），已經(jīng)搭建了通信的橋梁，接下來(lái)便是對(duì)變頻器的預(yù)使用的功能進(jìn)行逐一測(cè)試。

3.2.3 Modbus-RTU通信

經(jīng)過(guò)上述Modbus-RTU調(diào)試，被控設(shè)備的設(shè)置已經(jīng)滿足要求。接下來(lái)只需按照被控設(shè)備的串口設(shè)置對(duì)PLC串口進(jìn)行設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)PLC與被控設(shè)備的Modbus通信。通信電纜采用屏蔽雙絞線。PLC串口通信設(shè)置如圖3所示。

4人機(jī)交互界面

為提高生產(chǎn)和管理效率，采用觸摸屏控制，操控系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、控制直觀。管理員可一人同時(shí)操控多個(gè)機(jī)組。監(jiān)控各機(jī)組的工作狀況、修改運(yùn)行參數(shù)，發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)處理。同時(shí)HMITOOL自帶的歷史數(shù)據(jù)顯示器功能，能方便觀察了解產(chǎn)生過(guò)的歷史數(shù)據(jù)，為設(shè)備維護(hù)與檢修提供依據(jù)。圖4和圖5是控制系統(tǒng)幾個(gè)主要畫(huà)面。

結(jié)語(yǔ)

本控制系統(tǒng)根據(jù)江西若水新材料科技有限公司的生產(chǎn)實(shí)際情況，綜合運(yùn)用了開(kāi)關(guān)量的邏輯控制、模擬量控制、數(shù)據(jù)處理和Modbus-RTU通信，采用觸摸屏，自動(dòng)化程度高，實(shí)現(xiàn)一鍵啟停功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)鹽生產(chǎn)領(lǐng)域離心機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，界面友好，可同時(shí)顯示全系統(tǒng)參數(shù)，同時(shí)在觸摸屏界面上輸入?yún)?shù)，操作簡(jiǎn)單方便，可視化程度高。有利于提高離心機(jī)的綜合性能，降低現(xiàn)場(chǎng)使用難度，提高生產(chǎn)效率，讓生產(chǎn)數(shù)據(jù)可追溯，有利于企業(yè)推行精益生產(chǎn)。該系統(tǒng)在江西若水新材料科技有限公司獲得了應(yīng)用，效果良好。

作者簡(jiǎn)介：溫后珍（1982— ），男，漢族，江西永豐人，博士，副教授，研究方向：化工機(jī)械；欒儀廣（1994— ），男，漢族，山東煙臺(tái)人，碩士研究生，研究方向：化工機(jī)械。