基于PLC的離心機自動控制系統

溫后珍　高彥峰　何宜輝　何培洪　欒儀廣

關鍵詞：自動控制系統；PLC；Modbus；離心機

中圖分類號：TP29；T 文獻標識碼：A

在現代工業生產中，大部分情況下離心機作為生產工藝后處理設備，被廣泛應用在脫水、濃縮、分離、萃取等工藝過程，在眾多行業具有重要的地位。尤其對于生產碳酸鈣、硫酸鋇等無機鹽的企業，離心機的脫水效率與自動化水平，更是關系到整個工程的生產效率及碳減排，這就需要較高的設備管理水平和較多的人力資源。通過查閱文獻，關于離心機的機械、動平衡等問題的研究頗多，而與自動化相結合的離心機自動控制系統略少。在參考文獻[2]中，將離心設備與自動控制結合到一起，用于鉆井作業，其工藝流程與無機鹽生產工藝類似，但原文著重于硬件的選擇與防護，對自動控制的介紹不夠詳細，本文將著重介紹離心機系統中關于自動控制方面的內容，綜合運用了開關量的邏輯控制、模擬量控制、數據處理和Modbus-RTU通信，充分利用PLC資源，節省了硬件投入。

1離心機的基本結構與工作原理

離心機可按其分離原理、轉速大小、結構形式、卸料方式、工作用途、工作方式等方面進行分類。例如，根據設備的分離原理，離心機可分為沉降式離心機、過濾式離心機、分離式離心機和萃取式離心機四大類；根據設備的工作方式，可將離心機分為連續工作式離心機和間歇工作式離心機；根據設備的結構形式，可將離心機分為臥式離心機和立式離心機；根據設備的轉速大小，可將離心機分為高速離心機、常速離心機和超速離心機三大類。本文將研究三足式離心機的自動控制系統。

1.1三足式離心機的基本結構

作為間歇操作的轉鼓式離心機，三足式離心機的主要構件有電動機、轉鼓、支柱、制動器等。轉鼓通常又稱為濾桶，在三足式離心機中，它通常保持直立且開口向上，轉鼓和機殼上端向內收斂，鼓壁開有濾孔，內壁覆以濾布。動力源來自底部，經傳動裝置由電機拖動。該設備的外殼、濾筒和傳動裝置都懸在三個支柱上，所以被稱為三足式離心機。

1.2三足式離心機的工作原理

離心機一般包含加料、過濾、甩干、卸渣和洗滌共五個生產工藝步驟。

三足式離心機的工作原理是漿液經高速旋轉的轉鼓產生動能，從而高速旋轉，漿液被甩到筒壁上形成一個液圈，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壁，液相流經濾布后排到離心機水槽，經過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，送至后續工序處理。無機鹽脫水工序的控制流程如圖1所示。

2離心機自動控制系統的組成

自動電氣控制系統由離心機主機、進料泵電磁閥、液壓油泵、PLC控制器和觸摸屏組成。

本離心系統對電氣傳動的基本要求是啟動轉矩大、調速范圍寬，轉速穩定。在遵循操作簡便性、工作可靠性、經濟性以及可擴展性的設計原則基礎上，主要功能如下：

（1）控制系統具有手動控制及自動控制兩種控制方式。在手動控制狀態下，根據人機交互界面的指令，執行相應的操作；在自動控制狀態下，系統的參數設定好之后，電磁閥流量、運行速度、運行時間、刮刀等根據設定的程序自動運行。（2）能監測、顯示各種運行參數的狀態數據，具有導出數據報表功能，如電壓、電流、電磁閥流量、主機轉速、累計運行時間等。（3）系統能過載保護，可以顯示故障報警。（4）在自動運行狀態下有當前運行單元的動態畫面顯示。（5）具有緊急停機功能。（6）控制系統由PLC實行全自動控制。系統總體構成圖如圖2所示。

PLC在工業中的地位是非常高的，作為新一代工業控制器，它具有高性能的優點被用在了工業測控系統中。根據輸入和輸出所需的點數和控制性能的要求，選用英威IVCIL-1614MAR微型PLC組成核心控制單元。該型號的PLC具有16個輸入點，14個輸出點，自帶一路模擬量輸出，擁有三個通信口，方便通信，更快的運行速度和更強的內部集成特殊功能，完全適應于一些復雜的中小型控制系統。人機界面采用HMITOOL組態技術，實時監控、控制離心系統的運行狀況，滿足現場的各種工序需要。根據離心機的工作特性，主機選用變頻器調速方式。變頻器選用JACT AT500系列，通過Modbus-RTU通信協議，與PLC實時交換工作數據。通過模擬量控制比例閥，達到改變加料速度的目的。最后由油泵帶動油缸，實現刮料功能。

3 PLC程序設計

按照無機鹽生產工藝的要求，程序分為自動控制和手動控制兩大部分。自動控制僅需一鍵啟動，系統便按照程序自動、循環運行，手動控制則為設備調試或突發情形保留操作空間。在自動控制中，按照生產工藝，設計4種離心模式，并通過人機交互界面可自由更改運行頻率，離心時間，加料速度，加料時間等，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備運行參數，充分利用主機資源，無須擴展模擬量模塊，簡化硬件電路。

3.1 PLC程序設計的實現

根據實際需要，本控制流程的程序由一個主程序和兩個子程序構成，其中兩個子程序為比例閥數模轉換子程序、手動控制子程序。各程序塊的功能如下：（1）主程序。主程序即為自動控制程序，包含讀取變頻器當前頻率、電流等。由于工藝流程系統復雜煩瑣，遂本程序采用順序流程圖（SFC）的方式。SFC的優勢就在于它以功能為主線，將復雜的系統過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換過程，從而實現順序控制功能，功能分解后的每一步驟和每個轉換過程都變為簡單的程序過程，條理清楚，便于用戶程序閱讀和維護。順序功能控制指令的引入更使得復雜的問題變得簡單直觀。值得注意的是由于通過Modbus協議對變頻器進行調速，為了避免通信沖突導致的通信中斷，將SFC中的MODRW指令移至SFC外，利用置位中間繼電器M實現Modbus通信功能。（2）比例閥數模轉換子程序。由于通過控制比例閥的開度達到控制加料速度的目的，遂將多次用到的數字量轉換成模擬量的程序放到子程序中，減少程序的尺寸，簡化主程序結構，使程序的結構更加清晰，提高程序的可移植性。（3）手動控制程序。主要處理手動調試下PLC的輸出信號，執行邏輯運算，輸出可控制過程，包括油泵啟停，主機啟停，高中低速，緊急停機，進、退、升、降刮料等。

3.2 Modbus-RTU調試與通信

3.2.1 Modbus通信協議

Modbus協議可以說是工業自動化領域應用最廣泛的通信協議，采用報文傳輸通信協議，主要包括RTU、ASCII、TCP等傳輸模式，RTU和ASCII支持傳統的RS232、RS485、RS422和以太網設備。Modbus的ASCII、RTU協議規定了消息、數據的結構、命令和應答的方式。在RTU模式下，一字節的信息以8位字符的形式發送，而在ASCII模式下則作為兩個ASCII字符發送，因此，發送同樣的數據量，RTU模式的效率大約是ASCII模式的兩倍。通常數據量少而且傳輸內容主要是文本時宜采用ASCII，通信數據量大且是二進制數值時，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據密度，而且在相同速率下通信效率高、傳輸穩定。

3.2.2 Modbus-RTU調試

Modbus網絡中所有設備都必須選擇相同的串口參數和傳輸模式。在進行Modbus編程前，通常利用串口調試工具對被控設備進行預測試。串口調試工具是以ASCII碼或十六進制數發送或接收任何數據或字符，可以設定任意的自動發送周期，并能將接收數據保存成文本文件。通過串口調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備的設置是否符合要求，減少后期PLC程序調試的工作量。以JACT AT500型號的變頻器為例，連接調試方法如下：（1）在變頻器AT500處設置好站號、波特率、數據格式。尤其要注意通信過程中的波特率、起始位、停止位，站號等相關參數的配置。（2）串口調試助手按照AT500的通信參數設置好波特率、數據格式。（3）在串口調試助手界面，依次輸入站地址—功能碼—起始地址—元件個數，點擊校驗按鈕，將自動生成CRC校驗碼。點擊發送，即向被監控設備發出指令請求，若通信成功，將收到響應幀，響應幀的格式如下，地址—功能碼—讀取的元件個數—讀取到的數據1-讀取到的數據2-讀取到的數據n—校驗碼，為了方便判斷通信是否準確，建議讀取母線電壓。（4）經過步驟（3），已經搭建了通信的橋梁，接下來便是對變頻器的預使用的功能進行逐一測試。

3.2.3 Modbus-RTU通信

經過上述Modbus-RTU調試，被控設備的設置已經滿足要求。接下來只需按照被控設備的串口設置對PLC串口進行設置即可實現PLC與被控設備的Modbus通信。通信電纜采用屏蔽雙絞線。PLC串口通信設置如圖3所示。

4人機交互界面

為提高生產和管理效率，采用觸摸屏控制，操控系統操作簡單、控制直觀。管理員可一人同時操控多個機組。監控各機組的工作狀況、修改運行參數，發現故障及時處理。同時HMITOOL自帶的歷史數據顯示器功能，能方便觀察了解產生過的歷史數據，為設備維護與檢修提供依據。圖4和圖5是控制系統幾個主要畫面。

結語

本控制系統根據江西若水新材料科技有限公司的生產實際情況，綜合運用了開關量的邏輯控制、模擬量控制、數據處理和Modbus-RTU通信，采用觸摸屏，自動化程度高，實現一鍵啟停功能，實現無機鹽生產領域離心機的自動控制系統，界面友好，可同時顯示全系統參數，同時在觸摸屏界面上輸入參數，操作簡單方便，可視化程度高。有利于提高離心機的綜合性能，降低現場使用難度，提高生產效率，讓生產數據可追溯，有利于企業推行精益生產。該系統在江西若水新材料科技有限公司獲得了應用，效果良好。

作者簡介：溫后珍（1982— ），男，漢族，江西永豐人，博士，副教授，研究方向：化工機械；欒儀廣（1994— ），男，漢族，山東煙臺人，碩士研究生，研究方向：化工機械。