HTG系列微孔陶瓷過濾機自控系統的開發及應用

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能環保型液固分離設備，其最終產品是干燥的濾餅和清澈的濾液，無環境污染，水資源可循環利用，具有過濾效率高、濾餅水份低、自動化程度高、脫水成本低及節能效果顯著等優點，以其顯著的社會經濟效益現已徹底取代傳統的圓盤真空過濾機，廣泛應用于國內外冶金、化工、煤炭、礦山、有色和環保等行業。

陶瓷過濾機的工作機理在于：過濾介質為微孔陶瓷過濾板，是以親水性材料氧化鋁為基本成分燒結制成的過濾板，板內部具有產生毛細效應的微孔，微孔孔經一般都在0.5～5um左右，每一小孔相當一個毛細管。當轉筒上的過濾板旋轉浸入礦漿中，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，借助毛細效應產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、超聲清洗升降機構等十多項核心專利和智能自控、模糊超聲清洗等多項創新技術于一體的高新技術產品。它在分離效率、運行成本、智能自控、節能降耗等方面較傳統盤式過濾機有質的提高，各項技術經指標接近或達到國際同類產品先進水平。

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(轉筒、分配閥、卸料裝置、微孔濾板)、攪拌系統、真空系統、清洗系統(超聲波清洗裝置、反沖洗裝置、化學清洗裝置)、控制系統、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、淋洗區、干燥區、卸料區和反沖洗區五個區域。自動過濾過程如下：啟動攪拌器→轉筒 (過濾板)旋轉→循環濾液泵→真空泵→關閉槽底放漿閥→自來水供給反沖洗管路→礦漿進入料槽中→轉筒上的過濾板轉動并浸入礦漿中→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。

槽體內礦漿液面高度由料位計檢測，PLC根據檢測結果控制進料閥的開閉，料位上、下限值是根據生產工藝需預先設定的。而濾液桶內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。影響陶瓷過濾機產能和精礦水分的因素有：溫度、濃度、pH值、料位高低、主軸轉速、攪拌轉速、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、清洗循環周期。

2 自控系統硬件結構

2.1 自控系統主要硬件組成

系統主要有9臺設備和12只電磁閥組成。設備分別是：轉筒、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。自控系統主要完成各泵、電磁閥、變頻器等設備的啟動、停止、暫停、點動、聯動、聯鎖及自動投切等功能。自控系統硬件框圖如圖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(通信協議：PROFIBUS-DP)或 EM243-1(通信協議：工業以太網)。

圖1 陶瓷過濾機自控系統硬件框圖

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對變頻器內部的參數設定和頻率給定。

（2）軟件設計：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標準版組態軟件。根據過濾機的特點及要求，觸摸屏需設計組態各工藝流程圖、狀態顯示、生產數據統計、故障報警、操作記錄、使用說明書等監控界面，并分配對應的PLC功能定義號。

2.4 變頻器

轉筒和攪拌變頻器的調速，是由觸摸屏將S7-200PLC指令庫中的USS庫指令對西門子MM440變頻器的參數設定及頻率給定，從而調節轉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)，以及轉筒、攪拌變頻器輸出的轉速信號(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。電控柜面板上設有觸摸屏、暫停、急停按鈕、維修開關和報警故障燈。

3 系統應用程序 (P L C程序和觸摸屏畫面程序)

3.1 PLC程序設計

根據微孔陶瓷過濾機的生產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，并對各設備控制回路按工藝流程實施優化閉環控制，如恒壓反沖洗壓力、料位、液位和酸液位的閉環控制。在編程前應先對各功能程序段的地址進行規劃，將它細分為不同的執行模塊(子程序)，系統需要19個數字量輸入點，30個數字量輸出點，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、模擬量轉換、參數設定、自動配酸、保護安全聯鎖、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或暫停狀態(可預先設定)。在自動過濾非正常運行時，若發生報警或故障：當發生報警時過濾機仍繼續運行，但發出報警信號要求操作人員處理；而發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或下一輪過濾

狀態(可預先設定)。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，單獨開、停各氣動電磁閥、電動機、泵或超聲清洗機等設備。為了方便操作，在手動操作程序中設置了“轉自動過濾”和“轉自動清洗”開車兩種操作形式，均可很方便返回原來的自動運行狀態。

3.1.4 恒壓反沖、模擬量轉換、參數設定、配酸控制、保護安全聯鎖、故障報警計時、遠程通訊等子程序。

監控系統還編制了恒壓反沖(閉環控制)、模擬量轉換、參數設定、配酸控制、保護安全聯鎖、故障報警計時、遠程通訊等子程序。

3.2 觸摸屏的畫面組態設計

畫面總體規劃是根據過濾機系統的工藝和監控要求，共需組態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、操作員參數設定畫面、管理員參數設定畫面、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、內部參數修改畫面、節能畫面、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顯示、數據采集、事件歷史儲存、報警記錄、趨勢曲線顯示、安全保護設計、操作說明、口令修改、報表分析、數據報表打印、使用幫助等一系列應用功能。觸摸屏的各類組件內存單元與PLC中數據存儲區的單元相關聯。

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

（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，轉筒與攪拌動畫模擬顯示，并顯示過濾機開停車設備的全過程。畫面右部是實時顯示過濾機的運行狀態。

（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圖與過濾工藝類似，并顯示清洗過程各階段的狀態和參數。

（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圖同上類似；并顯示配酸過程每個階段的狀態和參數。

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

3.2.2 操作員、管理員參數設定、操作記錄、報警信息和故障診斷畫面的組態

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

（2）操作記錄畫面：該畫面是對運行記錄、數值超范圍、暫停、急停、設備損壞及每班生產狀況等歷史數據通過歸檔事件消息進行儲存記錄，為生產管理提供現場過程數據。

（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，系統對各種故障進行分級處理，并建立運行檔案。報警內容分為：料位過高、液位過高、氣壓不足、真空壓力過高、轉筒變頻器報警、攪拌變頻器報警、超聲清洗機報警等。當發生錯誤事件時，報警窗口和報警指示器將同時出現在當前顯示的畫面中，并顯示報警產生的故障原因、日期、時間，而此時報警燈閃爍鳴響。

（4）故障診斷畫面：該畫面用于進行設備的故障診斷、故障排除和設備調試。

3.2.3 料位趨勢圖、反沖洗壓力趨勢圖、內部參數修改、節能和清屏操作畫面的設計

（1）料位趨勢圖、反沖洗壓力趨勢圖：共組態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）內部參數修改畫面：該畫面是管理員用來修改一般不需要經常作改動的內部參數。

（3）節能畫面：該畫面是記錄、顯示轉筒變頻器與攪拌變頻器的累積用電數及實時節電數。

（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，在清屏時段內(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束的剩余時間，清屏后恢復原樣。

4 系統的保護、安全聯鎖、故障報警功能及可靠性和安全性設計

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，并且發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，過濾機應作出反應進入暫停狀態，并發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“管理員參數設定”畫面時設有密碼功能(可修改)。

4.2 安全聯鎖功能

（1）自動過濾運行時，濾桶液位計與過濾泵和循環閥聯鎖：過濾運行中若濾桶液位未達到下限設定值時，程序保證過濾泵和循環閥都將不能啟動，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鎖：為避免自動過濾后不清洗就再次過濾開車，而導致損壞過濾板，程序應保證過濾運行八小時后，必須經過一小時的清洗，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硝酸箱聯鎖：為了防止稀硝酸泄漏，當1M3硝酸箱液位達到設定值上限時，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）真空泵冷卻水閥聯鎖：為了防止真空泵機械密封由于無冷卻水導致過熱損壞，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

當普通報警發生時，過濾機仍舊繼續運行，但顯示相關報警信息；當嚴重故障報警發生時，過濾機立即進入暫?；蚣蓖顟B，并發出聲光信號和顯示相關故障信息通知操作人員處理。

4.4 可靠性和安全性設計

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線自動化，因此須對陶瓷過濾機自控系統的可靠性和安全性進行特殊設計，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，在它們兩端并聯續流二極管(直流)或阻容電路(交流)。

（2）采用軟、硬件互鎖設計：軟件互鎖分動作優先(先輸入的信號優先)和輸入信號優先(后輸入的信號優先)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線自動化進行網絡化控制和管理，可提升工礦綜合自動化程度，提高產品質量與生產效率。陶瓷過濾機使用S7-200PLC通過EM277通信模塊(或CP243-1以太網模塊)接入PROFIBUS-DP或以太網組成的DCS網絡，中控室DCS系統可遠程監控多臺陶瓷過濾機或其他設備運行。

5.2 軟硬件抗干擾措施

現場是較惡劣復雜的環境，干擾有時會很嚴重，輕則數據在畫面上抖動或誤動作，重則使系統失控造成事故。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：數字輸入點設置適當的輸入濾波時間常數，模擬輸入設置適當的采樣數和死區值。

5.2.2 硬件措施

接地：一是過濾機系統須采用完善的強、弱電接地系統；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，并將橋架要盡量遠離動力線；二是對電源變壓器、CPU模塊采用導電、導磁良好的材料進行屏蔽；濾波：對供電系統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通信協議調速，將S7-200 CPU226的0#端口連接西門子變頻器，以避免現場各種電磁干擾。

6 結語

本自控系統經過多年來不斷的改進、完善和創新，產品具有經濟合理、穩定可靠、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編程及應用(第2版)[M].機械工業出版社.2008.

[2]吳中俊.可編程序控制器原理及應用[M].江蘇大學出版社.2005.

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