多臺轉鼓式微濾機多模式控制系統設計與實驗

葉章穎　鮑偉君　張豐登　張亞東　李海軍　朱松明

(浙江大學生物系統工程與食品科學學院， 杭州 310058)

0　引言

水處理是循環水養殖系統(Recirculating aquaculture systems, RAS)中的一項關鍵工藝流程[1-3]。在眾多去除水體中會對養殖動物和系統產生危害的固體顆粒物[4-6]的方式中，轉鼓式微濾機是應用最廣泛的設備之一，主要用來去除粒徑較大的顆粒物，具有通用性好，需要勞動力少、水頭損失低、維護容易和占地空間小等優勢[7-8]。

隨著循環水養殖朝著高密度、集約化、精準化方向發展，自動化、信息化、智能化是必然趨勢[9-12]。目前有關微濾機控制的文獻報道較少，主要是對單臺微濾機進行簡單的啟停控制[13-14]，并沒有分析其型號、結構、工作原理以及具體的控制系統設計，且控制系統基本上是采用硬邏輯控制，在復雜的養殖環境中容易發生故障。對于大型養殖企業來說，由于養殖面積大，養殖密度高，需要使用多臺微濾機對養殖水體進行初級過濾，如果按照單臺單控模式，不但會提高設備成本，而且一旦控制電器發生故障，排查起來比較困難，特別是工廠化室內養殖車間，為防止帶入細菌，維修人員不可隨意進出，這會給微濾機控制系統的維護帶來不便。此外，對于靠液位開關監測反沖洗時才會運轉的轉鼓式微濾機主要配有2個液位開關，當其發生故障時，由于沒有能應對此種情況的較為經濟的工作模式，會導致微濾機對固體顆粒物的過濾不及時而影響后續水處理過程，進而影響整個系統的性能。

西門子(Simens) S7-200系列可編程邏輯控制器(Programmable logic controller, PLC)具有很高的性價比[15]，能夠適應復雜的養殖環境，可以減少設備之間的硬件接線，采用軟邏輯控制更加安全，程序錯誤易查易改，可移植性強，對實現多臺微濾機的控制具有較大的優勢。針對多臺轉鼓式微濾機的控制要求，本文在分析框架式轉鼓式微濾機的工作原理基礎上設計基于PLC的10臺轉鼓式微濾機3種運行模式控制系統，對控制系統的軟、硬件進行設計，對程序進行編寫和驗證，以期優化轉鼓式微濾機機械性能，提高微濾機控制系統維護和管理效率，降低生產成本，為RAS裝備自動化集成提供思路。

1　系統結構及工作原理

為了實現PLC對框架式轉鼓式微濾機的自動化控制，需要分析其工作原理，以實現控制要求。轉鼓式微濾機按照外觀構造可分為箱體式和框架式兩種類型。圖1、2分別為框架式轉鼓式微濾機的結構示意圖和微濾機及液位開關的安裝圖。

圖1　框架式轉鼓式微濾機結構示意圖Fig.1　Structure schematic of microscreen drum filter with frame1.機架　2.支撐滾輪　3.排污槽　4.減速電動機　5.進水口6.轉鼓框架　7.鏈輪　8.箱蓋　9.排污口

圖2　轉鼓式微濾機及液位開關的安裝圖Fig.2　Installation picture of microscreen drum filter and level switches1.轉鼓式微濾機　2.安裝微濾機水池　3、4.轉鼓內液位開關　5.下一級水池

對于框架式轉鼓微濾機，剛開始工作時，轉鼓保持靜止，養殖池中的污水從微濾機進水口進入轉鼓內部，通過轉鼓表面的濾網進行過濾，已經過濾的水體會進入下一個水處理環節，隨著被濾網截留的固體顆粒物的不斷累積，水流的阻力變大，致使轉鼓內外形成一定高度的液位差，當轉鼓中待過濾的水觸發到高位置的液位開關時，控制系統會立即啟動減速電機通過傳動系統帶動轉鼓運轉，同時開啟反沖洗水泵抽取濾液經噴嘴噴出對附著在濾網上的固體顆粒物進行反沖洗[5]，這些被截留下來的固體顆粒物會隨著轉鼓的運轉通過排污槽經微濾機排污口排出。隨著轉鼓運轉和反沖洗的同時進行，轉鼓內待過濾污水會順暢地從濾網孔流出，一段時間后，當轉鼓內水位下降到低位置液位開關以下時，控制系統會使減速電機停止運轉，同時關閉反沖洗水泵。此時，微濾機完成了一個工作過程，之后又進入下一個工作周期。

2　控制系統軟硬件設計

2.1　控制系統硬件設計

通過對轉鼓式微濾機工作原理的分析可知，系統涉及液位開關信號采集等多個信號輸入和控制電機、水泵啟停等信號輸出。西門子公司生產的S7-200系列小型PLC不僅性價比高、功能強大、編程方便[15-16]，而且可以適應像循環水養殖這樣比較復雜的工作環境。

根據研究需求，本系統選擇控制的微濾機數目為10臺，為了便于管理和調試，微濾機設有3種工作模式，通過3擋轉換開關來切換。在計算輸入輸出點數和考慮能適應減速電機和反沖洗水泵多次啟停需求的基礎上，選取CPU224 CN DC/DC/DC，14個數字量輸入，10個數字量輸出型號CPU模塊，3個EM221，16個數字量輸入型和1個EM221，8個數字量輸入型24V DC擴展模塊。其中第1臺轉鼓式微濾機的I/O地址分配如表1所示。

表1　控制第1臺轉鼓式微濾機I/O地址分配Tab.1　Distribution of I/O ports for controlling the first microscreen drum filter

2.2　控制系統軟件設計

轉鼓式微濾機控制系統程序流程如圖3所示。開始時，接通電源，PLC上電初始化系統自檢完成，一切正常后，選擇工作模式，在手動模式中，可以手動控制減速電機和反沖洗泵的運行和停止，能隨時調試檢驗微濾機能否正常工作；在自動模式中，只有轉鼓內2個不同高度的液位開關都被水體觸發時，減速電機和反沖洗泵才能運行，當轉鼓內液位下降至低液位開關以下時，減速電機和反沖洗泵才能停止，當水處理系統液位發生故障時，減速電機和反沖洗水泵均不會運行；對于定時模式，是通過定時的方式來控制減速電機和反沖洗泵的運行時間和間隔時間，特別是當液位開關發生故障時，可根據水質情況啟用定時模式，設置運行和停止時間可不至于因液位開關故障而導致微濾機對固體顆粒物的過濾不及時，影響后續水處理過程，進而影響到整個循環水養殖系統的性能。

圖3　轉鼓式微濾機控制系統程序流程圖Fig.3　Control system program flowchart of microscreen drum filter

3　多模式控制系統實驗

3.1　系統實驗

根據轉鼓式微濾機的工作原理、控制系統軟硬件設計以及程序流程圖編寫PLC控制程序。為了驗證程序能否實現控制要求，根據西門子S7-200系統手冊[16]結合微濾機的具體控制要求完成控制電路的接線以及減速電機、反沖洗水泵主電路的接線。所用轉鼓式微濾機的型號為：QC-WL-1000K，轉鼓規格為φ1 000 mm，濾網孔徑120 μm，其中10臺轉鼓式微濾機控制系統結構圖如圖4所示，實驗時，通過USB/PPI RS485編程電纜連接計算機的USB端口，將程序下載到PLC中進行實時監控和調試。

圖4　轉鼓式微濾機控制系統結構圖Fig.4　Structure diagram of microscreen drum filters control system

3.2　結果分析

微濾機在手動模式下正常工作時波形圖如圖5所示，按下啟停按鈕，I0.0置高電平，電源接通，選擇手動模式，I0.1置高電平，此時線圈Q0.0通電，驅動電機和反沖洗泵運行，關閉手動模式，I0.1置低電平，線圈Q0.0斷電，電機和反沖洗泵均停止工作，當再次打開手動模式時按下啟停按鈕，I0.0置低電平，電機和反沖洗泵均不會運行，說明此種工作模式下，程序可以實現控制要求。

圖5　微濾機在手動模式下工作波形圖Fig.5　Waveforms of microscreen drum filter when it was run under manual mode

微濾機在自動模式下工作時的波形圖如圖6所示，按下啟停按鈕，I0.0置高電平，電源接通，選擇自動模式，I0.2置高電平，轉鼓內液位上升觸發低液位開關時，I0.5置高電平，直至高液位開關也被觸發I0.4置高電平時，線圈Q0.0通電，驅動電動機和反沖洗泵運行，此時液位開始下降，高液位開關很快復位，I0.4置低電平，當低液位開關也復位時，I0.5置低電平，線圈Q0.0斷電，電動機和反沖洗泵同時停止運行。

圖6　微濾機在自動模式下工作波形圖Fig.6　Waveforms of microscreen drum filter when it was run under automatic mode

當微濾機安裝池水位出現故障時，波形圖如圖7所示，當轉鼓外高液位開關被觸發時，I0.4、I0.5、I0.6均置為高電平，線圈Q0.0不得電，電動機和反沖洗泵均不會運行，當水位恢復正常時，再次按下啟停按鈕，I0.0常開觸點恢復斷開，線圈Q0.0不得電，電動機和反沖洗泵均不會工作，說明自動程序能夠滿足控制要求。

圖7　水位出現故障時微濾機工作波形圖Fig.7　Waveforms of microscreen drum filter when water level was out of order

微濾機在定時模式下工作時的波形圖如圖8所示，按下啟停按鈕，電源接通，I0.0置高電平，選擇定時模式(為了便于驗證，將暫停時間t1設為10 s，運行時間t2設為5 s)，I0.3置高電平，線圈Q0.0會定時通斷，10 s后電動機和反沖洗泵會同時運行5 s，然后暫停10 s，再運行5 s，如此循環，關閉定時模式，I0.3置低電平，電動機和反沖洗泵均不運行，說明定時模式程序能夠滿足控制要求。

圖8　微濾機在定時模式下工作波形圖Fig.8　Waveforms of microscreen drum filter when it was run normally under timing mode

按下啟停按鈕，I0.0置低電平，Q0.0不得電，不論模式轉換開關處于何種模式，電動機和反沖洗泵均不會運行。由此說明，程序可以滿足對微濾機的控制要求。

3.3　討論

目前，RAS中的自動化控制主要體現在對pH值、溫度、溶氧、氨氮、亞硝氮等水質參數的監控和采集[17-18]上，對常規設備的控制主要有增氧機、自動投飼機、水溫調節裝置、循環水泵和紫外殺菌器[17-22]等，控制數量和模式較為單一，因此對多臺轉鼓式微濾機進行多模式控制對提高RAS自動化水平具有一定的研究意義和實用價值。

此外，實驗中發現，由于所用微濾機減速電動機位置較低，如果微濾機安裝池水位出現故障，電動機會存在被淹的風險，為了避免發生此種情況，需要提高電動機安裝位置。實際運行時還觀察到：當轉鼓內外液位差達到一定高度時，轉鼓還會承受較大的壓力(圖9)。為了了解工作過程中轉鼓的受力情況，合理配置微濾機部件，優化微濾機機械性能，為控制系統實驗提供可靠的基礎保障，現對轉鼓進行受力分析。

圖9　即將反沖洗時的狀態Fig.9　State when it was about to be backwash

如圖10所示，為微濾機靜止時轉鼓的受力情況，由靜力學分析可知

∑Fx=0∑Fy=0∑MB=0

經計算可得

(1)

(2)

式中F1、F2——兩個支撐滾輪對轉鼓的支持力，N

F3——軸承端對轉鼓的支持力，N

F4——轉鼓中的水對轉鼓的壓力，N

G1——轉鼓自身所受的重力，N

θ——支撐滾輪安裝角度，(°)

l1——轉鼓長度，m

l2——短軸長度，m

設轉鼓內水所受的重力為G2，可求得

(3)

式中ρ——養殖水的密度，kg/m3

R2——轉鼓內徑，m

g——重力加速度，9.8 m/s2

y——轉鼓內的水位值，m

根據牛頓第三運動定律可知G2=F4。

圖10　微濾機靜止時轉鼓的受力分析Fig.10　Force analysis of microscreen drum filter at static

當微濾機開始反沖洗時，轉鼓轉動會受到2個支撐滾輪的摩擦力f1、f2，設微濾機逆時針轉動，滾輪與轉鼓之間動摩擦因數為f，此時受力分析如圖11所示，由靜力學分析可知

∑Fx=0∑Fy=0∑MBy=0

經計算可得

(4)

(5)

(6)

圖11　微濾機運轉時轉鼓的受力分析Fig.11　Force analysis of microscreen drum filter in operation

靜止時，由式(1)、(2)可知：在l1、l2、G1、θ不變的情況下，隨著過濾的進行，F4逐漸變大，F3、F1、F2也隨之變大，這就使得軸承、滾輪支撐軸和滾輪要承受轉鼓和水體給其的最大壓力，在l1、l2、G1、F4不變的情況下，F1、F2隨θ的增大而減小；運轉時，隨著反沖洗的進行，由式(5)、(6)可知F1、F2除了與θ有關還與動摩擦因數f有關，且F1>F2，從電機和傳動能耗角度考慮，應盡可能減小摩擦力對能量的損耗，使得轉鼓轉動平穩，因此f越小越好，滾輪與轉鼓接觸面應當光滑。

在上述分析基礎上結合轉鼓轉速(3 r/min)及其同軸度、安裝精度等要求，選擇能承受較大徑向載荷的調心滾子軸承，滾輪支撐軸軸徑為5 cm，滾輪材料為塑料，安裝角θ為30°，使用擺線針輪減速電機(電機功率P為0.12 kW，轉速n為1 420 r/min，速比i1為473)，相應的傳動方式為直齒圓錐齒輪傳動。根據文獻[23]中齒輪傳動的設計方法得出的齒輪參數如表2所示。

表2　用于驅動微濾機運轉的圓錐齒輪參數Tab.2　Bevel gear parameters for driving microscreen drum filter

圓錐齒輪的傳動比i2為1∶1，即與減速電動機輸出軸相連的主傳動軸轉速等于轉鼓的轉速。根據圓軸的抗扭強度條件、扭轉時的剛度條件及其安全性，設計的主傳動軸參數如表3所示，由軸的兩端橫截面間的扭轉角φ=0.34°可知，結果滿足設計要求。

表3　主傳動軸參數Tab.3　Main drive shaft parameters

改進后的減速電動機布置及傳動方式如圖12所示，相比于改進之前，具有電動機能耗低、齒輪傳動平穩的優點。

圖12　改進前后的減速電動機及傳動方式對比Fig.12　Comparison of reducer and transmission mode before and after improvement

4　結論

(1)針對循環水養殖系統中框架式轉鼓式微濾機的控制要求，設計了基于西門子S7-200 PLC的多臺轉鼓式微濾機多模式控制系統，實現了對10臺轉鼓式微濾機在手動、自動和定時3種運行模式下的控制，對于解決在較為復雜的水產養殖環境中硬邏輯控制電路、控制電器易發生故障、檢修不便等問題具有較大的優越性，相比于單臺單控，節約了成本，提高了微濾機自動化水平。

(2)多臺微濾機多模式控制系統實驗結果表明：對于手動模式，可以隨時控制減速電動機和反沖洗泵的啟停；對于自動模式，減速電動機和反沖洗泵的啟停由2個液位開關共同控制，當2個開關均被轉鼓內水體觸發時，才進行反沖洗作業，當低液位開關恢復常開狀態時，反沖洗才停止，且當水位發生故障時，不進行反沖洗；對于定時模式，可以根據水質情況設定反沖洗的時間和頻率。

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