基于三菱PLC的固液分離機自動化控制系統設計

韓夢龍，齊自成，褚 斌，孫立剛，李寒松，高 亮

(山東省農業機械科學研究院，濟南 250100)

基于三菱PLC的固液分離機自動化控制系統設計

韓夢龍，齊自成，褚 斌，孫立剛，李寒松，高 亮

(山東省農業機械科學研究院，濟南 250100)

針對現有固液分離機自動化程度低的問題，設計開發了一種基于三菱FX系列PLC的固液分離機自動化控制系統。其人機界面為三菱觸摸屏，通過采集并控制出料口的壓力，利用步進電機調整出料口開合的大小，實現自動化出料，可精確控制擠出料含水率。

畜禽糞便；固液分離機；自動化；PLC

0 引言

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

中機華豐(北京)科技有限公司開發研究的KP-250 螺旋擠壓式固液分離機，采用液壓驅動環隙出料裝置[2]，利用連桿機構，通過杠桿原理實現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品是配重塊式出料口裝置，需要人工對出料口壓力進行調整，自動化程度低且壓力調整的誤差范圍較大，無法實現精確壓力調整。

本文研制的基于三菱PLC的固液分離機自動化控制系統，在其出料口采用86全閉環高速伺服步進電機、兩級減速的行星減速器與螺桿壓簧機構連接，通過采集、設定、比較出料口的壓力傳感器數據來調整步進電機的正、反、停三位控制，實現對出料口壓力的精確調整，保證擠出干物料的含水率。

1 固液分離機自動化控制系統組成

固液分離機自動化控制系統分為手動模式和自動模式，根據實際需要可以選擇相應模式。系統主要由觸摸按鍵系統、三菱PLC、步進電機系統、電源系統、壓力傳感器系統及三相異步電動機驅動系統組成，如圖1所示。其中，驅動電源為380V，為主電機及強制喂料電機供電；控制按鍵為220V；開關電源為5、24、50V，為壓力傳感器系統及步進電機供電。

圖1 控制系統框圖Fig.1 Block diagram of the control system

1.1 觸摸按鍵系統

為了防止觸摸屏在工作過程中發生故障，固液分離機自動化控制系統中額外設計了一套對應的機械按鍵控制系統，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，人機界面中設置有手動模式菜單、自動模式菜單，可以設定壓力上限、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，人機界面中可以設置步進電機所需脈沖頻率。自動模式下，設置好參數后，通過一鍵啟動及一鍵停止按鈕實現固液分離機的自動化運行；自動模式下，設置好參數后，可以獨立控制步進電機、主電機及強制喂料電機的運行。

1.2 步進電機系統

步進電機驅動器為控制器與步進電機之間的橋梁。驅動器收到控制器發出的脈沖信號對脈沖進行分配和功率放大，然后去控制步進電機每一相線圈是否得電[4]。

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

在實驗過程中發現，步進電機如果想實現高速啟動，會出現堵轉現象，與其最高啟動頻率息息相關，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型步進電機，驅動器設置細分脈沖頻率為1 000～4 000Hz為合理范圍，實驗時通過撥碼開關設置為2 000Hz，所需脈沖頻率設置為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過程的當前值或最終值。K10為加速時間，本次設計加速時間為10個掃描周期。掃描周期設定值為20ms，因此本次加速時間為20ms×10=0.2s。當且僅當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實現置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 電機轉向控制

在三菱FX2N型PLC中，為了和標準的步進電機驅動器配合使用，在其內部專門設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)，分別控制兩臺步進電機，如圖5所示。圖5中，選擇Y0為脈沖輸出口，Y2口為步進電機轉向輸出口。默認Y2不啟動的情況下步進電機為正向輸出；反之，Y2導通時為反向輸出。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為指定產生脈沖的數量，本次選擇K0的目的是讓步進電機驅動器持續產生脈沖；如果不選擇K0值，選其他任意整數值時，可用于位置控制；步進電機指定脈沖數輸出完后，指令執行完成標志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 步進電機轉向控制Fig.5 The stepper motor steering control

1.3 壓力傳感器系統

壓力傳感器系統為固液分離機出料端的核心。設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，不同的壓力對應不同的物料擠壓含水率數值[2]：壓力過小，擠出料含水率偏大，無法達到理想效果；壓力過大，物料無法被擠出。本設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。

壓力傳感器采集模擬信號，由壓力變送器處理后以4～20mA模擬信號發送至FX2N-2AD模數轉換器。PLC數據采集程序按照FX2N-2AD標準程序執行。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，采集到的壓力值為0～4 000的數字值信號[8-9]，需要通過公式轉換。為防止數字值不穩定，采用取平均值方式完成數據處理過程，平均值累計次數為30次。

圖6 壓力采集Fig.6 Pressure collection

1.3.2 壓力與步進電機聯合控制

控制擠出料的含水率，需要一個范圍來實現，既要有壓力上限，又要包括壓力下限。采集壓力在設定壓力區間內，步進電機停止脈沖輸出；超過壓力上限，步進電機啟動反轉程序；低于壓力下限，步進電機啟動正轉程序。

區間比較與步進電機控制如圖7所示。圖7中，選用FX2N型PLC提供的區間比較指令(ZCP)，將處理后的平均壓力值與壓力上下限進行比較，實現對步進電機正、停、反三位控制。ZCP指令中，當M0自動置ON時，執行下述過程：

①D110

②D205≤D110≤D207時，M4為ON，步進電機停止；③D110>D205時，M5為ON，步進電機反轉。

圖7 區間比較與步進電機控制Fig.7 Interval Comparison and Stepping Motor Control

2 固液分離機試驗

2.1 試驗條件及結果

試驗選用干清牛糞作為原料，初始含水率為69.3%，試驗過程通過調整設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組進行壓力范圍調整，每組實驗重復進行3次，每次實驗共用干清牛糞50kg，試驗數據如表1所示。

表1 試驗數據

2.2 試驗結果分析

通過對比表1中試驗數據可知：隨著壓力增大，擠出料含水率逐漸減小，生產率減小。基于三菱PLC的固液分離機自動化控制系統可以實現干清牛糞時固液分離，且擠出料含水率可調，設備運轉正常，滿足自動化要求，設計可靠。

3 結論

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

2)本機控制系統可以追加其他在線檢測手段，實現更加智能化、數據化處理。本系統還有待開發完善，后續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)，采集大量數據，建立數據庫，通過觸摸屏菜單式選擇合理精確的壓力范圍，實現更加精確化控制。

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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

山東省科技發展計劃項目(2015GNC112002)；國家重點研發計劃項目(2016YFD0800604)；山東省農業科學院農業科技創新工程項目(CXGC2016B13)；山東省現代農業產業體系牧草創新團隊項目(SDAIT-23-11)

韓夢龍(1989-),男，濟南人，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