西門子PLC在立式壓濾機控制系統中的應用及關鍵技術分析

摘要：在我國工控行業，可編程控制器（PLC）是一種重要的控制裝置，其應用范圍涵蓋了從單一邏輯控制到模擬量控制、數字量控制、機器人動作控制、多級分布式控制等一系列工控場合?，F介紹了PLC工作方式、立式壓濾機工作原理及控制系統組成，根據立式壓濾機關鍵技術控制要求，分析了西門子PLC在立式壓濾機控制系統中的實際應用情況。實踐證明，西門子PLC能夠保證立式壓濾機的安全、可靠運行。

關鍵詞：西門子;PLC;工業控制;立式壓濾機;關鍵技術

0 引言

現階段我國工控領域對控制系統的控制速度、工作可靠性、器件通用性、使用靈活性和維護便捷性方面的要求越來越高，傳統的繼電器和接觸器控制方式已經不能完全滿足工業生產要求。在此背景下，PLC控制系統以其獨特的技術應用優勢迅速發展壯大，它在簡單的運動控制、多輸入變量的數字化控制、多輸入變量的模擬化控制、復雜的多參數集合控制以及多級運動控制等工業控制場合下，均能發揮出優異的控制性能。

1 PLC工作方式

1.1? ? 掃描過程

PLC掃描過程如圖1所示。在每一個掃描周期內，PLC程序都會完成有關控制的各種動作指令，包括內部指令判斷、與外部接口通信、外部信號的采集和計算判斷、動作執行程序的運行等。其中，與用戶應用層軟件部分相關的動作指令包括3個方面：輸入信號采樣、用戶程序執行機構控制指令的運行以及輸出刷新。在一個完整的工作周期內，PLC持續按照一定周期反復執行以上輸入信號采樣、執行機構控制指令的運行以及輸出刷新的動作。

1.2? ? 輸入信號采樣階段

外部信號的實時采樣是保證系統安全穩定運行的必要條件，通過傳感器將一些溫度、壓力、電壓、電流等信號轉換成電信號，并將其傳輸至PLC的固定單元內，這一過程中PLC會按照一定的周期依次將輸入信號存入其I/O映像區。這個階段結束后，系統會自動執行下一個任務，這一周期內的采樣數據直到下一周期才會自動更新。

1.3? ? 用戶程序執行階段

梯形圖是PLC應用最為普遍的編程語言，具有簡便、直觀的優點，用戶想要完成指令，一般要先在梯形圖中按照PLC可執行的順序對各動作進行分解，PLC執行梯形圖程序時，會按照自左向右、自上而下的順序逐個對梯形圖中的邏輯進行運算。根據運算指令來刷新主控存儲區相對應的狀態位。

1.4? ? 輸出刷新階段

當上述步驟執行完畢，PLC會自動對輸出映像寄存器進行刷新。在內部電路中，主控芯片會根據輸入輸出口的狀態將內部的輸出鎖存電路刷新，并通過輸出電路驅動執行機構動作。若此時用戶執行中斷操作，則會觸發PLC中斷指令，這一指令優先級高于正在運行的其他指令，因此會被立即執行。

2 立式壓濾機工作原理及控制系統組成

立式壓濾機工作原理較為簡單，通常是混合物流經濾布，在泵壓力、固液重力、氣壓或水壓作用下，固體停留在濾布上，并堆積形成過濾泥餅，而濾液則滲透過濾布，成為不含固體的清液。根據壓濾機的不同功能，其系統整體可以分為兩部分：一部分是壓濾動作的執行系統，主要由電氣拖動系統和液壓系統組成，需要用戶根據壓濾介質設置相應的工藝參數，并以此為主要控制對象。另一部分是控制執行壓濾動作的控制系統，一般是以PLC為核心，配置相應的保護器件和采樣器件（如接近開關、位移傳感器、壓力變送器、編碼器）等外圍部件。壓濾機壓濾過程涉及的控制量較多，包含執行機構的動作速度、動作方向、壓力大小等，且采樣信號包括溫度、壓力、流速等多個參量，PLC可以減少硬件改動，在壓濾機控制中發揮出PLC的極大優勢。西門子PLC控制系統已經全面取代了繼電器邏輯控制系統進行閉環控制，進一步提高了立式壓濾機的性能和工作可靠性，并減少設備現場調試的工作量。

3 立式壓濾機關鍵技術控制要求

立式壓濾機的常規工作模式有兩種：一種是長程序控制工作模式，另一種是短程序控制工作模式。其中，長程序控制工作模式有6個環節：（1）過濾，濾板合攏，泵入物料懸浮液。（2）一次隔膜擠壓，至達到油缸壓力上限設定值停止，保壓置位，擠壓成濾餅。（3）濾餅洗滌，保壓、濾液閥開限位，洗滌閥開限位，洗滌泵啟動，清水洗濾。（4）二次隔膜擠壓，重新擠壓濾餅，保壓、排污閥關限位，擠壓閥開限位，回水閥關限位，擠壓泵啟動。（5）濾餅吹干，保壓、排污閥關限位，入料閥關限位，母液閥關限位，入料閥關限位，洗滌閥關限位，打開干燥閥、風包閥，高壓風吹干，帶走少量水分。（6）濾餅排出與濾布洗滌，板框松開限位。兩側落下濾餅，卸料，同時洗滌濾布。在卸料工序結束后停止壓濾機工作，關閉手動閥，切斷總開關。短程序控制工作模式包括4個環節：（1）過濾，濾板合攏，開啟過濾。（2）隔膜擠壓。（3）濾餅吹干。（4）濾餅排出與濾布洗滌。

立式壓濾機濾板組合攏后，給料系統將料漿輸送至濾板組過濾腔，完成靜壓過濾，經隔膜擠壓、高壓風干燥、濾板洗滌等工序完成過濾，安裝在機體上部的液壓油缸與壓緊板相連接，工作時液壓油缸驅動壓緊板下壓，將濾板組合攏至密封狀態，濾板組打開，濾布驅動裝置啟動，立式壓濾機采用液壓馬達驅動濾布卷繞裝置，液壓馬達由主驅動和輔助驅動兩部分組成，驅動扭矩的大小通過調節液壓油壓力大小來實現。液壓馬達驅動濾布循環運行，料餅被拖出濾板組的過濾腔落入壓濾機兩端的收集料斗。濾布運行的同時，濾布清洗裝置啟動，高壓水對濾布進行清洗，待料餅全部被拖出后，完成一個循環?？刂葡到y以PLC為核心，通過各分散輸入輸出模塊實時控制底層執行機構工控機對系統進行監控?？刂葡到y主要部件有人機操作部分、顯示模組、電控柜。其中，電控柜作為電氣部件的集成設備，內部主要包括PLC及其擴展模塊、光電糾偏開關、變頻器、入料壓力變送器、接縫檢測開關、擠壓壓力變送器等。

4 西門子PLC在立式壓濾機控制系統中的實際應用

本文選擇西門子S7-300系列PLC作為壓濾機電氣控制系統的控制主機。壓濾機電氣控制系統包含較多的控制變量，且壓濾效果對工藝流程中的多項參數要求較高，所以對控制系統性能提出了嚴格要求。根據實踐經驗，筆者采用CPU313C型高性能CPU作為控制系統核心。此外，由于系統具有較多的輸入輸出點，系統還需要擴展一定數量的I/O模塊，通常選用輸入/輸出混合擴展模塊，能滿足控制系統的I/O需求。西門子不同系列的CPU具有不同的性能參數，一些CPU集成了I/O、點對點接口以及PROFIBUS DP、PROFINET等功能，有些還包括了用于數字量和模擬量輸入/輸出的信號模塊（SM），用于連接總線和點對點連接的通信處理器，用于高速計數、開環/閉環定位及PID控制的功能模塊。通過分布式中央控制器和擴展裝置相組合，SIMATIC S7-300能夠操作的模塊數量得到了擴展。

立式壓濾機工作過程中能準確采集相關的模擬量是實現模擬量準確控制的前提，此功能可以通過PLC配置模擬量擴展模塊來實現。西門子S7-300系列PLC和SM323功能模塊相配合，既能夠滿足對模擬量數據采集的準確度要求，又能夠為系統控制提供足夠的驅動功率。變頻器VFD370CP43B-21的正轉啟動通過中間繼電器實現控制，并將運轉反饋信號傳輸至PLC輸入點。除此之外，西門子PLC控制系統一般還會配置相應的安全報警功能以及緊急狀態停機功能，以進一步確保設備使用者的人身安全。

5 結語

PLC已經成為未來工控產品開發中不可忽略的重要組成部分，以西門子PLC為核心構建的電氣控制系統，能夠保證立式壓濾機的安全、可靠運行。針對模擬量采集及控制等關鍵技術，研究者應該深入分析基于PLC和擴展功能模塊的相關性能要求，在此基礎上實現可靠的控制系統設計方案。

[參考文獻]

[1] 何軍.BLZG38型全自動立式壓濾機的開發設計[J].過濾與分離，2007，17（2）：39-41.

[2] 劉建民.用PLC實現立式壓濾機的全自動控制[J].自動化應用，2010（3）：36-38.

收稿日期：2020-06-16

作者簡介：劉建瑞（1986—），男，甘肅武威人，助理工程師，研究方向：鹽湖鹵水提鋰電氣自動化應用技術。