HTG系列微孔陶瓷过滤机自控系统的开发及应用

2014-04-10王开厦

江苏陶瓷 2014年2期

王开厦

（江苏省宜兴非金属化工机械厂有限公司，宜兴214221）

0 前言

目前广泛使用的陶瓷过滤机是一种最新型的高效节能环保型液固分离设备，其最终产品是干燥的滤饼和清澈的滤液，无环境污染，水资源可循环利用，具有过滤效率高、滤饼水份低、自动化程度高、脱水成本低及节能效果显著等优点，以其显著的社会经济效益现已彻底取代传统的圆盘真空过滤机，广泛应用于国内外冶金、化工、煤炭、矿山、有色和环保等行业。

陶瓷过滤机的工作机理在于：过滤介质为微孔陶瓷过滤板，是以亲水性材料氧化铝为基本成分烧结制成的过滤板，板内部具有产生毛细效应的微孔，微孔孔经一般都在0.5～5um左右，每一小孔相当一个毛细管。当转筒上的过滤板旋转浸入矿浆中，过滤板被抽真空，微孔中的毛细作用力大于真空所施加的力，使微孔中始终保持充满液体，悬浮液中的固体颗粒被截留在过滤板表面上，压强差逐步使滤饼形成，借助毛细效应产生的自然力开始脱水，脱水时微孔只让滤液通过，而阻止空气不能通过，即透水不透气，真空度很高，一般在-0.090～0.098MPa之间(海拔高度不同有所差别)。而滤液通过滤盘进入滤液管道连续排出，因此脱水只需小功率的真空泵就可将滤液排出。

HTG系列陶瓷过滤机是集微孔陶瓷滤板、真空保护、恒压反冲压力、超声清洗升降机构等十多项核心专利和智能自控、模糊超声清洗等多项创新技术于一体的高新技术产品。它在分离效率、运行成本、智能自控、节能降耗等方面较传统盘式过滤机有质的提高，各项技术经指标接近或达到国际同类产品先进水平。

1 陶瓷过滤机工艺特点及要求

陶瓷过滤机主要由主机系统(转筒、分配阀、卸料装置、微孔滤板)、搅拌系统、真空系统、清洗系统(超声波清洗装置、反冲洗装置、化学清洗装置)、控制系统、矿浆槽及机架等几大部分组成。

陶瓷过滤机的工艺流程包括吸浆区、淋洗区、干燥区、卸料区和反冲洗区五个区域。自动过滤过程如下：启动搅拌器→转筒 (过滤板)旋转→循环滤液泵→真空泵→关闭槽底放浆阀→自来水供给反冲洗管路→矿浆进入料槽中→转筒上的过滤板转动并浸入矿浆中→过滤板抽真空→压力差逐步使滤饼形成→滤饼脱水→刮板从旋转的过滤板上刮下滤饼 (刮刀和滤板间留有2mm左右的间隙)→过滤液对滤盘进行反冲洗→输送机将刮下的滤饼精矿(尾矿)送入料仓。

槽体内矿浆液面高度由料位计检测，PLC根据检测结果控制进料阀的开闭，料位上、下限值是根据生产工艺需预先设定的。而滤液桶内的液面高度是由液位计检测，但控制逻辑正好与料位控制进料阀相反。影响陶瓷过滤机产能和精矿水分的因素有：温度、浓度、pH值、料位高低、主轴转速、搅拌转速、真空度、刮刀间隙及过滤板。陶瓷过滤机过滤运行一个班(7～8小时)后，就须对过滤板进行清洗再生，通常采用超声清洗和加酸联合清洗(硝酸或草酸)的方法，以确保良好的过滤效果。

自动清洗过程：过滤运行停止→料槽中的矿浆通过出料阀排放掉→放水冲洗料槽→料槽放满清水→超声清洗机和酸(硝酸或草酸)对陶瓷过滤板进行约1小时(可修改定时)的联合清洗。清洗完成后，过滤机又重新自动进入下一个过滤、清洗循环周期。

2 自控系统硬件结构

2.1 自控系统主要硬件组成

系统主要有9台设备和12只电磁阀组成。设备分别是：转筒、搅拌、超声波清洗机、过滤泵、真空泵、酸计量泵、配酸泵、润滑泵、恒压反冲泵。12只电磁阀分别是：加水阀、循环水阀、排水阀、吸水阀、真空阀、酸计量泵出口阀、吹堵阀、进料阀、出料阀、气反冲阀、放水阀、真空泵冷却水阀。自控系统硬件主要由PLC、触摸屏、传感器、变频器及低压电器元件组成，操作方式分为三种：就地自控、就地手控、远程控制。自控系统主要完成各泵、电磁阀、变频器等设备的启动、停止、暂停、点动、联动、联锁及自动投切等功能。自控系统硬件框图如图1所示。

2.2 PLC

（1）硬件配置：PLC选用西门子S7-200系列，一个CPU226模块(24DI/16DO)，一个开关量输入/输出模块EM223(16DI/16DO)、二个模拟量输入模块EM231(4AI)、一个模拟量输出模块EM232(2AO)、一个通讯模块EM277(通信协议：PROFIBUS-DP)或 EM243-1(通信协议：工业以太网)。

图1 陶瓷过滤机自控系统硬件框图

S7-200 CPU226模块有两个RS-485通讯口(端口0和端口1)。其中端口1通过PPI连接电缆接到触摸屏串口；端口0通过屏蔽双绞线连接至西门子MM440变频器通信口，由触摸屏通过S7-200PLC对变频器内部的参数设定和频率给定。

（2）软件设计：S7-200 PLC编程软件为STEP7-Micro/WIN32 V4.0或以上版本，S7-200 PLC的通信波特率必须与触摸屏的波特率设置相一致。

2.3 触摸屏(人机界面)

触摸屏选西门子12英寸TP277触摸屏，软件选西门子WinCC flexible2008标准版组态软件。根据过滤机的特点及要求，触摸屏需设计组态各工艺流程图、状态显示、生产数据统计、故障报警、操作记录、使用说明书等监控界面，并分配对应的PLC功能定义号。

2.4 变频器

转筒和搅拌变频器的调速，是由触摸屏将S7-200PLC指令库中的USS库指令对西门子MM440变频器的参数设定及频率给定，从而调节转筒或搅拌变频器的频率，是一种低成本的连接方案。

2.5 测量传感器

将由测量的料位、液位、水位、酸液位、真空、反冲洗水压传感器的模拟量信号(电流DC4～20mA)，以及转筒、搅拌变频器输出的转速信号(电压DC0～10V)送至S7-200PLC模拟量输入模块。

2.6 低压电器元件

在电控柜内部安装PLC、变频器、断路器、交流接触器、热继电器、滤波器、端子排及直流电源等低压电器。电控柜面板上设有触摸屏、暂停、急停按钮、维修开关和报警故障灯。

3 系统应用程序 (P L C程序和触摸屏画面程序)

3.1 PLC程序设计

根据微孔陶瓷过滤机的生产工艺特点及控制要求，确定放料、过滤、清洗、配酸、手动操作等工序的动作次序，并对各设备控制回路按工艺流程实施优化闭环控制，如恒压反冲洗压力、料位、液位和酸液位的闭环控制。在编程前应先对各功能程序段的地址进行规划，将它细分为不同的执行模块(子程序)，系统需要19个数字量输入点，30个数字量输出点，8个模拟量输入点，2个模拟量输出点，并增加10%～20%的备用量，编制的PLC主要I/O地址分配如表1所示。

整个PLC的程序包括1个主程序和10个子程序，子程序分别介绍如下：自动过滤、自动清洗、手动操作、恒压反冲、模拟量转换、参数设定、自动配酸、保护安全联锁、故障报警计时、远程通讯。

3.1.1 自动过滤子程序

自动过滤一键操作，在运行中能够进行自动→手动→自动无扰动切换(包括暂停、急停操作)；当自动过滤运行计时7小时30分后(定时可修改)，进料阀停止进料，直至8小时后，过滤机进入自动清洗状态或暂停状态(可预先设定)。在自动过滤非正常运行时，若发生报警或故障：当发生报警时过滤机仍继续运行，但发出报警信号要求操作人员处理；而发生故障时则过滤机立即停机。

3.1.2 自动清洗子程序

自动清洗一键操作，在运行中能够进行自动→手动→自动无扰动切换(包括暂停、急停操作)；当自动清洗计时一小时后(定时可修改)，过滤机立即自动进入停机状态或下一轮过滤

状态(可预先设定)。自动清洗过程中亦可暂停、急停操作，功能同上自动过滤运行情况类似。

表1 PLC主要I/O地址分配表

3.1.3 手动操作子程序

在自动过滤或自动清洗过程中，若要人工处理故障时可切换至手动操作状态，单独开、停各气动电磁阀、电动机、泵或超声清洗机等设备。为了方便操作，在手动操作程序中设置了“转自动过滤”和“转自动清洗”开车两种操作形式，均可很方便返回原来的自动运行状态。

3.1.4 恒压反冲、模拟量转换、参数设定、配酸控制、保护安全联锁、故障报警计时、远程通讯等子程序。

监控系统还编制了恒压反冲(闭环控制)、模拟量转换、参数设定、配酸控制、保护安全联锁、故障报警计时、远程通讯等子程序。

3.2 触摸屏的画面组态设计

画面总体规划是根据过滤机系统的工艺和监控要求，共需组态17个人机交互功能画面，分别为：初始画面(开机时显示)、选择画面、自动过滤画面、自动清洗画面、自动配酸画面、手动操作画面、检修操作画面、操作员参数设定画面、管理员参数设定画面、操作记录画面、报警信息画面、故障诊断画面、料位趋势图、反冲洗压力趋势图、内部参数修改画面、节能画面、清屏操作画面。(注：自动过滤运行画面如图2所示，其余画面省略)

图2 自动过滤运行画面

这17个功能画面具有动态显示、数据采集、事件历史储存、报警记录、趋势曲线显示、安全保护设计、操作说明、口令修改、报表分析、数据报表打印、使用帮助等一系列应用功能。触摸屏的各类组件内存单元与PLC中数据存储区的单元相关联。

3.2.1 初始画面、选择画面、自动过滤、自动清洗、自动配酸、手动操作和检修操作的画面组态

（1）初始画面：刚通电时进入初始画面，该画面可进入到选择画面。

（2）选择画面：从选择画面可分别切换到所有其余画面，而其余画面都能返回到选择画面。

（3）自动过滤画面：从选择画面点击“自动过滤”触摸钮，进入自动过滤画面，画面上显示过滤机开停车工艺流程动态图，如水管、气管、酸管和压缩空气管路，分别用不同颜色的管路形象动态显示带有方向性的流动，泵、电机、阀门和超声清洗机启、停用两种颜色分别显示，转筒与搅拌动画模拟显示，并显示过滤机开停车设备的全过程。画面右部是实时显示过滤机的运行状态。

（4）自动清洗画面：从选择画面或过滤画面点击“清洗准备”触摸钮，进入自动清洗画面，清洗画面显示过滤机清洗工艺流程动态图与过滤工艺类似，并显示清洗过程各阶段的状态和参数。

（5）自动配酸画面：从选择或清洗画面点击“自动配酸”触摸钮，进入自动配酸画面，配酸画面显示过滤机配酸工艺流程动态图同上类似；并显示配酸过程每个阶段的状态和参数。

（6）手动操作及检修操作画面：可单独操作单个设备的启、停，完成相应的控制动作。

3.2.2 操作员、管理员参数设定、操作记录、报警信息和故障诊断画面的组态

（1）操作员、管理员参数设定画面：两画面是对PLC的工艺参数进行预先设定和管理用。而 “管理员参数设定”触摸钮为口令域(管理员可修改密码)，并在两画面上都设有可一键操作的“参数默认键”，参数默认是由PLC程序预先设定好，只要一键操作就可完成全部设定。

（2）操作记录画面：该画面是对运行记录、数值超范围、暂停、急停、设备损坏及每班生产状况等历史数据通过归档事件消息进行储存记录，为生产管理提供现场过程数据。

（3）报警信息画面：该画面用于查询报警历史记录和打印报警报表，系统对各种故障进行分级处理，并建立运行档案。报警内容分为：料位过高、液位过高、气压不足、真空压力过高、转筒变频器报警、搅拌变频器报警、超声清洗机报警等。当发生错误事件时，报警窗口和报警指示器将同时出现在当前显示的画面中，并显示报警产生的故障原因、日期、时间，而此时报警灯闪烁鸣响。

（4）故障诊断画面：该画面用于进行设备的故障诊断、故障排除和设备调试。

3.2.3 料位趋势图、反冲洗压力趋势图、内部参数修改、节能和清屏操作画面的设计

（1）料位趋势图、反冲洗压力趋势图：共组态2组实时趋势图，一组显示矿槽料位传感器历史曲线，另一组显示反冲洗压力传感器历史曲线，每个变量都是以每10s从PLC读取一次趋势值。

（2）内部参数修改画面：该画面是管理员用来修改一般不需要经常作改动的内部参数。

（3）节能画面：该画面是记录、显示转筒变频器与搅拌变频器的累积用电数及实时节电数。

（4）清屏操作画面：用于触摸屏在运行时人工清洁触摸屏，“清屏”功能激活后，在清屏时段内(一般为30～60s)将锁定画面和所有功能键，用延时进度条指示至结束的剩余时间，清屏后恢复原样。

4 系统的保护、安全联锁、故障报警功能及可靠性和安全性设计

4.1 保护功能

（1）真空保护：过滤机在自动过滤运行中，若过滤板开裂破损、真空管路泄漏等引起真空压力过高 (默认值为－0.03MPa)，过滤机则立即进入暂停状态，并且发出信号通知操作人员处理故障。

（2）输送机保护：位于过滤机底部的输送机在运行过程中，若由于某种情况停止运行，过滤机应作出反应进入暂停状态，并发出信号通知操作人员处理，避免滤饼堵塞下料口。

（3）密码功能保护：在选择画面上进入“管理员参数设定”画面时设有密码功能(可修改)。

4.2 安全联锁功能

（1）自动过滤运行时，滤桶液位计与过滤泵和循环阀联锁：过滤运行中若滤桶液位未达到下限设定值时，程序保证过滤泵和循环阀都将不能启动，以避免过滤泵吸空造成泵机械密封干烧损坏。

（2）酸计量泵与加水阀联锁：为了防止在无水时硝酸就进入过滤机管道，对机体造成腐蚀损坏，程序必须保证加水阀未打开时酸计量泵严禁启动。

（3）自动过滤程序与自动清洗程序联锁：为避免自动过滤后不清洗就再次过滤开车，而导致损坏过滤板，程序应保证过滤运行八小时后，必须经过一小时的清洗，方能够允许再次自动过滤开车。

（4）公共的10M3硝酸箱与每台过滤机的1M3硝酸箱联锁：为了防止稀硝酸泄漏，当1M3硝酸箱液位达到设定值上限时，程序能够自动停止10M3硝酸箱上的供酸泵进酸。

（5）超声波清洗机与槽体料位计联锁：自动清洗时料位计检测槽体料位高度，因超声振子盒须保证全部浸没在槽体液面以下，才能允许启动超声清洗机，避免干烧损坏超声振子盒及超声电源。

（6）真空泵冷却水阀联锁：为了防止真空泵机械密封由于无冷却水导致过热损坏，程序严格保证真空泵上的冷却水阀先开30秒钟后(可根据实际情况修改)，此时真空泵才能允许启动。

（7）酸计量泵出口阀联锁：为了防止硝酸倒流通过分配器进入真空泵，从而腐蚀损坏真空泵，因此在酸计量泵出口管道处安装自动球阀，而程序必须保证酸计量泵与此阀同时开、停。

4.3 故障报警功能

当普通报警发生时，过滤机仍旧继续运行，但显示相关报警信息；当严重故障报警发生时，过滤机立即进入暂停或急停状态，并发出声光信号和显示相关故障信息通知操作人员处理。

4.4 可靠性和安全性设计

随着工矿综合自动化程度的逐步提高，单机自动化逐步接入生产线自动化，因此须对陶瓷过滤机自控系统的可靠性和安全性进行特殊设计，以满足日益提高的工矿综合自动化要求。

（1）在输入、输出端有感性元件时，在它们两端并联续流二极管(直流)或阻容电路(交流)。

（2）采用软、硬件互锁设计：软件互锁分动作优先(先输入的信号优先)和输入信号优先(后输入的信号优先)两种，硬件互锁是在输出线接入对立动作的常闭触点。

（3）采用定时接通电路：如延时0.02S可消除误信号。

（4）采用延时切断电路：如电磁阀电路采用延时切断，可避免电磁阀长时间通电。

5 远程通讯及软硬件抗干扰措施

5.1 远程通讯

单机自动化接入生产线自动化进行网络化控制和管理，可提升工矿综合自动化程度，提高产品质量与生产效率。陶瓷过滤机使用S7-200PLC通过EM277通信模块(或CP243-1以太网模块)接入PROFIBUS-DP或以太网组成的DCS网络，中控室DCS系统可远程监控多台陶瓷过滤机或其他设备运行。

5.2 软硬件抗干扰措施

现场是较恶劣复杂的环境，干扰有时会很严重，轻则数据在画面上抖动或误动作，重则使系统失控造成事故。因此须在软、硬件上采取抗干扰措施，削弱或阻断干扰源。

5.2.1 软件措施

滤波：PLC程序采用限幅滤波，能消除因偶然因素引起的干扰；输入滤波器：数字输入点设置适当的输入滤波时间常数，模拟输入设置适当的采样数和死区值。

5.2.2 硬件措施

接地：一是过滤机系统须采用完善的强、弱电接地系统；二是所有屏蔽电缆的屏蔽层须在一端与弱电地线连接，另一端悬空，且远离强电流线。屏蔽：一是模拟量信号线选用屏蔽电缆，并把屏蔽层接到的公共输入端子上，放入专用桥架单独敷设，并将桥架要尽量远离动力线；二是对电源变压器、CPU模块采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽；滤波：对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波器，以消除或抑制高频干扰；隔离：在模拟量输入回路选用电流或电压信号隔离器；供电：采用隔离性能优良的电源或1:1隔离变压器给PLC和传感器供电。采用基于USS通信协议调速，将S7-200 CPU226的0#端口连接西门子变频器，以避免现场各种电磁干扰。