（机械电子工程专业论文）全自动立式压滤机控制系统的开发.pdf

蔓! ! 垄兰堡主芏堡垒查 塑墨 - _ _ h _ _ 一 全自动立式压滤机控制系统的开发 摘要 压滤机是一种固液分离设备，广泛应用于化工、矿山、石油、建材、 制药等诸多工业领域中，目前正往大型化、智能化、多功能化方向发展。 本谋题就是沿着这个发展方向，结合我国的生产现状，开发新型全自动 立式压滤机。课题来源于中国铝业山东分公司，本文研究该压滤机的控 制系统部分。 通过对国内现有其它类型压滤机的研究，结合国外先进的立式压滤 机控制系统，针对实际工作要求，综合运用创新设计、简化设计等现代 设计方法，对压滤机控制系统进行全新设计，使本控制系统不仅达到工 艺控制的要求，而且更着重追求智能化、人性化。 首先分析了立武压滤机的过滤工艺和原理，根据压滤机机体大、分 布广等特点，提出了使用现场总线p r o f i b u s d p 的控制方案。在程序 的编制过程中，从现场、文献等资料中全方位地收集压滤机在工作过程 中可能出现的故障和错误，从而丰富了系统的报警纠错功能，便系统更 智能化。此外，还探讨了全行走式滤布控制方法，使滤布在工作过程中 得到全面有力的保护；着重引入了基于p i d 及参数整定控制规律，实现 了压滤机料浆流量的p i d 控制方法。 在编制过程中，对系统进行了详细地分析，采用了模块化编程，使 得程序简单明了，可修改性强，为实现系统的再开发奠定了良好的基础。 在监控系统中采用西门子w i n c c 作为组态软件，w i n c c 是基于p c 的高 性能的h m i 和s c a d a 解决方案。在w i n c c 下开发的人机界面，实现了 实时监测，报警处理，以及对全程数据的显示、设置和打印等。 本系统选用西门子可编程序控制器( 简称p l c ) 作为控制核心， w a g o 现场总线i o 模块作为d p 分站；监控系统硬件为工控机，软件 为w i n c c 。它们组合成一个有机的整体，实现了立式压滤机的实时监控。 作为普通压滤机的进一步发展，综台吸收了国内外先进技术，并结 合国内的生产现状，本系统是以提高生产效率、智能化水平等为目的而 开发的，是一个新的、完整的、智能化的、人性化的控制系统。 东北大学硕士学位论文摘要 关键词 压滤机可编程序控制器现场总线p i d 控制组态软件 w i n c c 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t hed e v e l o pm e n to ft h ef u l la u t o m a t i c t o w e rp r e s s u r ef i l t e r sc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t p r e s s u r ef i l t e ri sw i d e l ya p p l i e di nl o t so fi n d u s t r i e sd o m a i n s ，s u c ha sc h e m i c a l i n d u s t r y , m i n i n gi n d u s t r y , p e t r o l e u mi n d u s t r y , b u i l d i n gm a t e r i a l si n d u s t r y , d r u g m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya n ds oo n a tp r e s e n t ，i ti sd e v e l o p i n gt ob eb i g g e r , m o r e i n t e l l i g e n ta n dm u l t i f u n c t i o n a l b yt h i sd e v e l o p m e n td i r e c t i o n ，t h i sp r o j e c tm a n a g e st o p r o d u c tan e wa u t o m a t i ct o w e rp r e s s u r ef i l t e rc o n s i d e r i n go u rc o u n t r y sp r o d u c t i o nl e v e l t h i sa r t i c l ei sr e s p o n s i b l ef o rd e v e l o p i n gt h ep r e s s u r ef i l t e r sc o n t r o ls y s t e m b yr e s e a r c h i n go t h e rt y p ef i l t e ri no u rc o u n t r ya n da d v a n c e dt o w e rp r e s s u r ef i l t e r s c o n t r o ls y s t e mi nf o r e i g nc o u n t r i e s ，aw h o l en e wc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hm e e t sa l l c h a l l e n g et of i l t e rp r e s s ，i sd e s i g n e db yu s i n gi n n o v a t i o nd e s i g n ，s i m p l i f i e dd e s i g na n d o t h e rm o d e md e s i g nm e t h o d s t h ec o n t r o ls y s t e m sp u r p o s ei sn o to n l yt oa c h i e v et h e t e c h n i c s r e q u i r e m e n tb u ta l s o t o p u r s u et h ei n t e l l e c t u a l i z a t i o n ，t h e u s e rf r i e n d l y e m p h a t i c a l l y a tf i r s t ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h ef i l t e rt e c h n i c sa n dp r i n c i p l eo ft h et o w e rp r e s s u r e f i l t e r a st h ep r e s s u r ef i l t e ri sb i ga n dd i s t r i b u t e dg r e a t l y , t h i st h e s i sp r o p o s e st h ec o n t r o l p l a no fu s i n gt h ep r o f i b u s d e , ak i n do ff i e l d b u sn e t i nt h ep r o c e s so fm a k i n g p r o g r a m s ，t h et r o u b l e so rm i s t a k e sw h i c hc o u l da p p e a r d u r i n gw o r kw e r ec o l l e c t e d o m n i d i r e c t i o n a l l yf r o mt h el i t e r a t u r e ，t h ep r o d u c t i o ns c e n ea n ds oo n t h u st h ea b i l i t y o ft h es y s t e m sr e p o r t i n ge r r o r sa n ds e l f - c o r r e c t i o nw i l lb em u c hs t r o n g e r , a n dt h e s y s t e mi sm o r ei n t e l l e c t u a l i z e d ，i na d d i t i o n ，t h i sa r t i c l ed i s c u s s e dt h ec o n t r o lm e t h o d o f s i n g l e f i l t e rc l o t hi nt h ep r e s s u r ef i l t e r , w h i c hc a u s e ds y s t e mh a de n o u g hs t r o n g p r o t e c t i o na b i l i t yt ot h ec l o t h f u r t h e rm o r e ，i te m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e dt h ec o n t r o lr u l e b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fp i da n di t sp a r a m e t e rt u n i n ga l g o r i t h r n ，a n dp r o p o s e dt h ep i d c o n t r o lm e t h o df o rt h es l u r r y sf l o w d u r i n gt h ep e r i o do fm a k i n gp r o g r a m s ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e d a l lp r o c e s so ft h e i v 东北大学硕士学位论文a b s t t a c t s y s t e m ，a n dr e a l i z e d t h ep r o g r a m s s i m p l e n e s s ，c l e a m e s sa n ds t r o n ga b i l i t yf o r m o d i f i c a t i o ni nt h ed e s i g nm e t h o do fm o d u l a r i z a t i o ns t r u c t u r e ，t h e s eh a dl a i da p o w e r f u lf o u n d a t i o nf o rt h es y s t e m ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n t c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e w i n c cr a ni nam o n i t o rc o m p u t e r w i n c ci sah i g hp e r f o r m a n c eh m ia n ds c a d a s o l u t i o nb a s e do np c t h em o n i t o ri n t e r f a c e ，d e v e l o p e db yt h ew i n c c ，c a r lg e tt h er e a l t i m ed a t aa n d r e p o r te r r o r sf o rt h es y s t e m ，a n ds h o w , s e t ，p r i n tt h ep r o c e s sd a t a t h i ss y s t e mu s e st h es i e m e n sp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ( f o rs h o r tp l c ) a sc o n t r o l c o l e , a n dc h o o s e sw a g of i e l d b u si 0m o d u l e sa st h es y s t e m sd ps u b s t a t i o n s t h e s u p e r v i s o r ys y s t e m sh a r d w a r ei si n d u s t r yc o m p u t e r , a n ds o f t w a r ei s s i e m e n sw i n c c a l lt h e s ec o m p o s ea no r g a n i cw h o l e ，w h i c hm a k er e a lt i m ec o n t r o la n dm o n i t o r i n gt o t h et o w e rp r e s s u r ef i l t e r a saf u r t h e rd e v e l o p m e n to f p r e s s u r ef i l t e r , t h i ss y s t e mt r yt oe n h a n c ep r o d u c t i v i t y a n db em o r ei n t e l l i g e n t ，i n t r o d u c i n gf o r e i g na d v a n c e dt e c h n o l o g y , c o n s i d e r i n gd o m e s t i c p r o d u c t i o nl e v e l i ti san e w , i n t e g r a t e d ，s m a r t ，h u m a n b a s e dc o n t r o ls y s t e m - k e yw o r d sp r e s s u r ef i l t e r ，p l c ，f i l e d b u sc o n t r o ls y s t e m ，p i dc o n t r o l ，c o n f i g u r m i o n s o f t w a r ew i n c c v 东北大学硕士学位论文 声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中所得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其它人己 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用 过的材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中做了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：约勿 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使 用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期 蔓苎苎型兰型兰鬯查一釜二主竺笙 4 。_ _ ，- 一一 h 。 1 1 国内外文献综述 第一章绪论 压滤机是以固体液体分离为目的的设备，广泛应用在矿山、石油、化工、 建材、制药等行业，并发挥着重要的作用。由于物料的特性不同，生产：有多种 过滤设备。如水平带式过滤机、转鼓真空过滤桃、叶片式过滤机、真空式加珏 过滤机、正式压滤机等f “。经多年的实践，立式压滤机i 断用于生产：中。它与 其它过滤设备相比，对粒度细、粘度犬的物料过滤效果好，并且有高效洗涤和 占地面积小等功能。由于立式压滤机的压蓑大，实现快速成饼，并强力吹干， 可以迅速得到水分很低的滤饼，较其它过滤机处理能力大，水分低。甚至可省 去在某些场合使用的热力： 二燥系统吲。 国外压滤机的发展状况：最早研究立式压滤杌技术的是乌克兰压滤机工 厂。该工厂成立于18 8 0 年，1 9 5 5 年与其国内一家研究所丌始研究立式压滤机； 1 9 6 0 年，将技术卖给日本的t s k 公司( t s u k i s h i m ak i k a i ) ，日本公司1 9 8 9 年 以后不再生产立式压滤机。1 9 6 5 年将技术卖给德国的h o e s c h 公司，1 9 7 7 年将 技术卖给芬兰的l a r o x 公司。所以，至今国外主要有这三家公司大规模地生产 立式压滤机。l a r o x 公司于1 9 9 2 年率先生产出采用液压式压紧滤板的立式压 滤机，随后乌克兰工厂和h o e s c h 公司也改变成该方式。乌克兰工厂于1 9 9 6 年与荚国的伯斯兰( b e t h l e h e m ) 公司合作开发第三代立式压滤机；所谓第三 代产品，即压滤机最下层滤板不动，液压缸拉动最上层板而打开全部滤板。现 在芬兰l a r o x 公司已经合并了h o e s c h 公司的一部分，在市场上f 推广l a r o x h o e s c h 压滤机口 1 。对照这三家压滤机制造商的产品，其特点列举与表1 ，l 中。 表1 1 国外三大全自动立式压滤机生产商的产品比较 t a b l el ，lt h ec o m p a r a t i o no f3k i n d so fp r e s s u r ef i l t e rm a d ei nf o r e i g nc o u n t r i e s 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 如表1 1 所示，三神压滤机的共同特点是；对滤框的操作都是通过液力， 控制元件采用可编程序控制器，监控硬件为触摸屏。以上三大公司生产的立式 压滤机，其控制系统都集成在一个控制柜中，使用触摸屏d i g i t a lg p2 5 0 t c 4 1 界面，界面友好，而且系统拥有强大的纠错功能。但是每个厂1 家的产品有其独 有的特点，如h o s e c h 系统具有远程诊断功能，乌克兰压滤机带有一检修用手 持控制器等等。相比三种产品，l a r o x 立式压滤机适用范围最广，其产品的过 滤面积小至1 6 m 2 ，大达1 4 4 m 2 ，在此有必要对l a r o x 压滤机作个简单的介绍。 芬兰l a r o x 公司对立式压滤机开发始于1 9 7 7 年，发展至今，在该领域晕 已经遥遥领先同行业的其它公司，生产的压滤机有“在高产量脱水技术中居首” 的称号，称号名不虚传，拥有以下几个特点： ( 1 ) 适用范围广。压滤机型号从小型到中型再到大型，应有皆有，每小 时能处理干料的能力可从0 1 吨到1 5 0 吨； ( 2 ) 过滤效益高。滤饼固含量达到9 4 ，洗涤效率愈9 9 ，脱水成本大 幅度降低； ( 3 ) 自动化程度高。过滤工艺令过程都是自动循环执行的，而且过滤程 序可通过触摸屏来改变，机器润滑、卸饼、滤布清洗等都采用了自动化技术。 图1 1l a r o x 压滤机结构示意图 f i g ，11t h ep r e s s u r ef i l t e r l ss t r u c t u r ed i a g r a m 一底压板；2 一立柱；3 一快速反应缸；4 一顶匿板；5 一上层框架；6 一滤布输送装置和 滤饼槽；7 一板框组：8 一辊子；9 一管路1 0 一导向块；i l 一液压装置：1 2 一控制柜： 1 3 一阀门；1 4 一滤布；1 6 一液闩三管路；1 7 一侧保护罩和维修平台 东北大学硕士学位论文 笙二主竺笙 包括压滤机本体、控 l a r o x 型号为p f 3 0 6 0 的压滤机结构如图1 ，l 所示。 制柜、液压柜等几大主件。 它将压滤工艺分成以下1 4 个步骤：压力释放、板框打开、卸饼、重新启 动运行、板框关闭、预过滤、过滤、管路冲洗、软管冲洗、一次挤压、滤饼洗 涤( 可选) 、二次挤压( 可选) 、分配管排污、滤饼干燥。压滤机每个循环从“压 力释放”处开始，终止于滤饼干燥处，如果选择循环连续的话，上述1 4 步骤 反复执行，直至压滤机停止。对于压滤机的操作模式，包括以下几种： 遥控：将压滤机设置于遥控状态，允许从客户控制系统来操作压滤机。 自动：压滤机运行各阶段使用预先设置的时间。 手动：每次可操作压滤机的一个工作阶段。这种方式用来选择某一个阶段 的最佳工作时问。 结束：选择此方式后，压滤机在一个循环结束后停机。操作者想使压滤机 自动停机时可选择此方式。 试验：用于测试制动器和其他工作情况。可选择任一制动器或阀门进行试 验。选定了要测试的部件后，用“启动试验”按钮开始测试。 复位：用于停止一个工作循环。在这种情况下，压滤机在控制方式下从压 力释放阶段开始工作。 此外，l a r o x 全自动立式压滤机还有丰富的报警功能，能够实时地检测各 种错误，并将错误按其r f = 重性分为报警、警告和故障三种，对各种错误都有提 示相关的解决方案，并且在故障产生时暂停压滤机，直到故障消除才恢复系统 的运行。 相比于国外立式压滤机的发展技术，国内就相形见绌了。我国对立式压滤 机的研究从近几年来才丌始，但成果不太理想。至今，国内的大部分生产现场 仍然使用卧式压滤机，其占地面积大、脱水效果差等诸方面原因，完全影响中 国的脱水、过滤工业的发展。国内研究出的立式压滤机过滤面积小，最大才 5 0 m 2 ，而且不能完全实现全自动化，致使国内公司纷纷购买进口的产品。据 l a r o x 公司官方资料统计，近十年来卖给我国的产品不下于6 0 台。 我国生产的立式压滤机都是模仿国外设备而开发的，其自动化程度都不太 高，有的只是将过滤这一环节( 升、降、压紧) 自动化，而且大部分地方都采 用继电器控制。当今有好几家公司都先后生产出雏型，最有代表的是l l j 东煤矿 莱芜机械厂生产的b l z g 系列压滤机。b l z g 压滤机最大面积为5 0 m 2 ，其特 点为： 3 一 苎苎查兰! 生兰堡丝查 箜二主竺堡 ( 1 ) 双油缸自动压紧，具有自动保压功能，可保证压滤机在1 0 m p a 压力 下f 常工作； ( 2 ) 采用高压水通过隔膜进行挤压强力脱水，大幅度降低滤饼水分； ( 3 ) 配有高压吹风，对滤饼进一步吹干脱水； ( 4 ) 配有滤布清洗装置，对滤布进行洗涤，增加滤布的再生功能； ( 5 ) 滤布循环驱动卸料，卸料彻底、干净； ( 6 ) 本机采用p l c 可编程控制，操作、维修方便。 该压滤机的工作流程为：动压板压紧、过滤、一次挤压、洗涤( 可选) 、 二次挤压( 可选) 、吹干、动压板松开卸饼、清洗。总共8 个工艺步，以顶紧 装置压紧作为循环的开始，清洗滤布而终止循环扣j 。 2 0 0 3 年，北京菲尔泰科技有限公司借鉴于国外压滤机的技术，独自开发 了一套较为简单的全自动立式压滤机，现已在中国铝业山东分公司中试用。该 设备有多层滤板，总过滤面积为5 - 4 0 m 2 ，滤布为单行走式，采用螺旋导轨压 紧滤板。外形较为粗糙，但实现了整台设备的自动化，包括从料浆的进入到滤 饼的卸载。控制系统的核- 1 3 , 是一台可编程序控制p l c ，主要操作通过按钮面 板。系统附带p l c 控制柜，对压滤机主机、辅助设备和管路阀门进行全自动 控制，具有故障白检、自动停机、报警和故障显示功能。但是操作界面只是普 通的液晶屏，工作工艺相对于进口l a r o x 压滤机较为简单。其工作过程原理为： 降落并压紧滤板、进料压滤、洗涤滤饼( 可选) 、空气压密吹干滤饼、拉开滤 板、卸饼。 中国铝业公司山东分公司化学品氧化铝部门已购买了两台德国h o e s c h 4 8 m 2 的立式压滤机，用于过滤沸石溶液。目前沸石的产量由当初的年产5 0 0 0 吨提高到1 2 万吨【 。2 0 0 4 年1 0 月，对该机器进行了深入地研究。该机器的 主机占地面积约为6 m x5 m ，高约5 5 m ，主机安装于楼上，另在楼下设有水 罐、料浆罐等容器及其相关管道。顶紧装置是单缸液压系统，全行走式滤布， 全套流程一体化实现。控制系统由两台可编程序控制器p l c 组成：一台为主 p i c ，负责整套系统的控制，数据的存储等作用，另一台为辅p l c ，主要用于 远程通讯。集成于控制柜中，并在控制柜上装有触摸屏，用于实时对压滤系统 的监控。监控系统还设有参数设置、报警、数据归档等功能。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 课题来源及研究意义 厢式压滤机根据其滤板排列方向的不同，可分两种：卧式压滤机和立式压 滤机。经多年的实践，越来越多的立式压滤机用于生产中。与其它过滤设备相 比，占地面积小，对粒度细、粘度大的物料过滤效果好，并且有高效洗涤功能。 而且由于立式压滤机的压差大，实现快速成饼，并强力吹干，可以迅速得到水 分很低的滤饼，较卧式压滤机处理能力大，水分低。甚至可省去在某些场合使 用的热力干燥系统【p 。 立式压滤机最早出现于前苏联，欧美一些公司给与了改进和完善，目前在 国外该机器自动化技术非常高，而且技术相当成熟，已形成大规模批量生产川。 丽在我国，对立式压滤机的研究从近5 年来才开始，成果不太理想。至今，国 内的大部分场合下还是使用卧式压滤机，其占地面积大、脱水效果差等诸方面 原因，完全影响了中国的脱水、过滤工业的发展。 根据调查，山东铝业公司化学品分公司有数十台压滤机，以卧式为主。2 0 0 3 年从德国h o e s e h 公司引进了两台4 8 m 2 立式压滤机，经投产试用，发现这两 台设备具有生产效率高、占地面积小、无故障率高等诸多优点。并决定在未来 几年之内，将卧式压滤机逐渐更换为立式压滤机。尽管进口立式压滤机优点较 多，但是从经济的角度来说，进口设备价格都比较昂贵，而且安装、维修都得 花费一大笔开支。鉴于从经济角度来分析，该公司决定自己来开发全自动的立 式压滤机，本课题就是来源于该计划。 对于全自动立式压滤机，主要包括三方面的研究：机械本体结构、液压系 统、控制系统。对机械本体的结构，由于该公司从新中国建立以来就有自己的 机械研究机构，决定自己开发；液压系统、控制系统由东北大学来研究和开发。 本课题是借鉴国外丰富的立式压滤机研究经验，结合我国生产现状，研究与开 发新型全自动的立式压滤机的控制系统。 就立式压滤机而言，控制系统是该机器的一个重要的有机组成部分，其性 能的好坏直接影晌机器的自动控制水平以及生产效率 1 。本课题从实际应用 的角度出发，解决部分利用国内现有技术开发立式压滤机的难题与生产实际中 存在的问题，并利用比较新颖的控制方法来完成。 本课题的意义在于通过对整个压滤流程的控制，改变了传统的基于继电器 为主的控制。操作简单，用户界面良好，控制性能稳定、可靠，并且有一定的 智能性，达到或超过国内同等产品的控制效果。 。s 一 蔓兰苎i 塑主堂堡堕查 堑= 主竺篓 1 3 主要研究内容及工作简述 1 3l 概述 传统压滤机通常采用继电器一接触器式的控制系统，这种控制系统存在结 构复杂，触点数量多，故障率高等歃点；而目对于压滤机的维修也是个极其 不便的问题。要实现压滤机过程的自动化至少需要有好几百个继电器，控制 线路复杂并经常出现故障，而且故障修复时问较长，严重影躺了工业生产【2 j 。 工业可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l o r ) ，简称工业p l c ，是新一代工业 自动控制装置。它小但体积小、功耗低、功能强、使用灵活、操作方便，砷且 还适应高温、振动、强电干扰等恶劣的工业环境，工作稳定可靠( p l c 的平 均无故障时间般可达到3 5 万小时) 。p l c 作为新一代的工业拧制装置，具 有丰富的功能指令，完善的抗干扰措施和高可靠性等优点，用它来控制压滤机， 不仅可大大提高系统的自动化程度，同时也减轻了工人的劳动强度，提高了生 产效率。 由于可编程控制器具有上述诸多优点，完全可以胜任对立式压滤机的全自 动化实现。但对于立式压滤机，不仅有丌关量的逻辑控制，还有模拟量、机械 运动等的控制，所以该控制系统还得采用先进的传感器技术、先进控制模块等 控制领域的技术。而且为i ：r 拥有更友好的操作界面，本系统还采用西门子 w i n c c 组态系统，使系统具有操作简便、数据归档功能强大、智能报警等优 点。 本课题研究的内容就是以p l c 为控制核心，采用先进的传感、挖制技术， 通过w i n c c 组态友好界而，以实现立斌压滤机的全自动化。 1 3 2 全自动立式压滤机控制系统的关键技术 通过对相关技术文献的研究，并且对比国内外压滤机发展状况，以及从实 际操作中获取反馈信息，归纳本课题在研究过程中需要解决的关键技术和难点 为： ( 1 ) 系统丁作流程的全自动化。整个压滤机系统包含了对料浆、挤压水、 空气的流量控制，还有数十个阀的控制，以及动力元件、辅助元件等的控制， 其涉及的范围广，而且系统占用空间大；就压滤工艺就有十多步。粗略统计， 数字量输入点达1 2 0 个，数字量输l t i 达1 0 0 多个，另外还有1 0 多个模拟量输 数宁量输入点达1 2 0 个，数字量输出达1 0 0 多个，另外还有1 0 多个模拟量输 塑堕塑皇丝坚一一 堡二兰塑 1 3 主要研究内容及工作简述 1 3 1 概述 传统压滤机通常采用继电器一接触器式的控制系统，这种控制系统存在结 构复杂，触点数量多，故障率高等缺点；而且对于压滤机的维修也是一个极其 不便的问题。要实现压滤机过程的自动化，至少需要有好几百个继电器，控制 线路复杂并经常出现故障，而且故障修复时间较长，严重影响了工业生产【2 1 。 工业可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l o r ) ，简称工业p l c ，是新一代工业 自动控制装置。它不但体积小、功耗低、功能强、使用灵活、操作方便，而且 还适应高温、振动、强电干扰等恶劣的工业环境，工作稳定可靠( p l c 的平 均无故障时间一般可达到3 5 万小时) 。p l c 作为新一代的工业控制装置，具 有丰富的功能指令，完善的抗干扰措施和高可靠性等优点，用它来控制压滤机， 不仅可大大提高系统的自动化程度，同时也减轻了工人的劳动强度，提高了生 产效率【1 1 】。 由于可编程控制器具有上述诸多优点，完全可以胜任对立式压滤机的全自 动化实现。但对于立式压滤机，不仅有开关量的逻辑控制，还有模拟量、机械 运动等的控锘，所以该控制系统还得采用先进的传感器技术、先进控制模块等 控制领域的技术。而且为了拥有更友好的操作界面，本系统还采用西门子 w i n c c 组态系统，使系统具有操作简便、数据归档功能强大、智能报警等优 上 n o 本课题研究的内容就是以p l c 为控制核，心，采用先进的传感、控制技术， 通过w i n c c 组态友好界面，以实现立式压滤机的全自动化。 1 3 。2 全自动立式压滤机控制系统的关键技术 通过对相关技术文献的研究，并且对比国内外压滤机发展状况，以及从实 际操作中获取反馈信息，归纳本课题在研究过程中需要解决的关键技术和难点 为： ( 1 ) 系统工作流程的全自动化。整个压滤机系统包含了对料浆、挤压水、 空气的流量控制，还有数十个阀的控制，以及动力元件、辅助元件等的控制， 其涉及的范围广，而且系统占用空间大；就压滤工艺就有十多步。粗略统计， 数字量输入点达1 2 0 个，数字量输出达1 0 0 多个，另外还有1 0 多个模拟量输 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 入输出。整套系统庞大，为达到全自动控制，则需要将这些部分有机地组合成 一体，这就需要对各个输入输出进行规划；而且由于设备单元的分布较广，这 样造成了现场接线不方便。为解决这难题，系统可采用现场总线技术1 2 l 。 ( 2 ) 全行走式滤布的控制。滤布是压滤机工作的主体部分，在压滤工业 中，滤布有两种方式：单行走式和全行走式。单行走式滤布即每一层滤框有其 独立的滤布和驱动系统；而全行走式滤布是所有滤框都共享一块滤布，驱动系 统是多个滤框共用，还有一个大的驱动系统。采用全行走式滤布，可使滤布得 到充分的应用，而且系统的动力部分较少，从而降低生产成本。但是由于涉及 到多个动力系统同时驱动同一滤布，则必须增强对滤布的保护措施。本文采用 对滤布进行多点的实时检测，将检测结果反馈系统进行调偏，采用微电机来调 节调偏辊的角度来实现调偏u ”。 ( 3 ) 系统需有强大的检错、纠错功能。对照国内外先进完善的控制系统， 都须在系统加入检错、纠错等功能，这样会使系统维护起来更加方便。面对一 个大控制系统，本文采用西门子w i n c c 组态软件来实现报警功能。在报警时， 系统应该显示对该错误的修正方法，所以本系统应当在软件编程中尽可能全面 地考虑会发生的错误，而且从现场获取可能产生的意外，以使本系统的纠错功 能增强i i “。 1 3 3 本文研究的主要内容 以现有的压滤技术和p l c 的应用为基础，参考国外已开发的全自动压滤 机产品提供的技术资料，开发新型完善的压滤机自动控制系统。在本课题研究 和实现过程中，着重进行了以下工作： ( 1 ) 分析立式压滤机压滤工艺及原理，在此基础上，提出压滤设备的控 制思想和控制方案，讨论基于现场总线p r o f i b u s d p 网络的实现； ( 2 ) 根据工艺要求，选择各硬件，组态本系统的硬件部分；对系统进行 模块化划分，采用模块化编程，以便修改和再开发。 ( 3 ) 基于p i d 及参数整定算法和继电式开关控制规律，提出立式压滤机 的料浆流量控制及挤压水压力控制的p i d 控制算法，讨论基于西门子s t e p 7 软 件p i d 控制参数的选择： ( 4 ) 分析全行走式滤布的运动方式，从而提出滤布运动和安全保护控制 的实现； ( 5 ) 采用w i n c c 组态系统，实现用户的友好界面，对立式压滤机进行较 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 为完整的监控组态设计。在此部分，霈要对系统的报警功能进行实现，并且使 系统具有友好的用户界面。 - 8 一 苎! 生壁塑主丝堕圭 茎三主全! 塑皇查堡垄垫竺三堡三茎墨整型 第二章全自动立式压滤机的 工作工艺及控制 从结构上来讲，全自动立式压滤机主要有底架、集水槽、顶紧机构、压板 和立柱、板框组、滤布驱动装置、滤布张紧装置、管路系统、集中润滑系统、 高压水站和控制柜组成。几乎所有的压滤机都是通过板框构架一个个单独的滤 腔，在滤腔中，面是滤布，另一面是隔膜。当料浆被注入滤腔，料浆中的部 分水通过滤布流出滤腔，达到了固液分离的效果，称之为过滤。如果在固液分 离的过程中，通过隔膜给滤腔施加压力，从而使过滤过程得到迅速进行，这就 是压滤机的基本工作原理。 2 1 立式压滤技术的主要工艺及原理 立式压滤机的工作过程大致可描述如下：当压滤机滤板组件顶紧后，料浆 由泵遴至压滤机，通过进料分配管，进入各滤室。滤液通过滤布流入滤液收集 区，然后通过卸流管流出。滤出的物料集结在滤布表面上，形成滤饼。在进浆 成饼阶段，固体颗粒逐渐滞留在过滤布上形成滤饼，液体在压差作用下透过滤 布，同时穿过厚度渐增的滤饼，并从其孔隙中排出，成饼速度的快慢取决于物 料的粒度、粘度，粒度大、粘度小的物料容易形成滤饼。延长给料时间可阻增 加滤饼厚度，但时间延长会降低其处理能力，滤饼过厚容易产生龟裂，卸饼时 比较困难，给料时间的确定要根据物料的浓度、粒度、牯度等因素选择晟佳的 给料时问。 成饼后，滤饼孔隙内充满了水，这些水主要是毛细水，还有少量的重力水 和表面水。进一步排除这些水的方法是机械压榨和用空气吹干。高压水由泵送 到板框的橡胶隔膜上方，隔膜挤压滤饼，这样就将滤饼中的水穿过滤布。挤压 过程要根据不同物料来确定挤压时间、挤压力的大小。挤压时问越长，滤饼越 密实，直到滤饼收缩到可能的厚度。滤饼越薄，挤压时间越短。挤压压力越大， 滤饼越密实，密实速度越快。吹风脱水是空气逐渐取代滤饼孔隙中的残存水。 挤压、吹风的时间和压力大小要根据物料的特性而定。当物料粒度细、粘度大 童苎苎生兰生兰兰堡苎茎一一一 箜三兰全! 型兰查堡垄垫竺三竺苎墨墨型 时，挤压力大、时间长效果好。对粒度细、粘度小的物料，挤压力要适中、吹 风时间长效果好。 综合所有的立式压滤机分析，它们都共有两种不同的工艺组，分为长程序 和短程序。长程序包括过滤、一次挤压、洗涤、二次挤压、吹干和卸饼六个过 程，短程序则不包括洗涤和二次挤压过程。各个工艺过程的简要描述如下： ( 1 ) 过滤 当过滤板框关闭后，料浆同时通过料浆管进入每个滤腔。滤液通过滤布进 入滤液收集器，最后通过排放管排出。过滤出来的物质被收集在滤布表面，形 成了滤饼。 ( 2 ) 。次挤压 高压水通过高压水软管进入隔膜上方，隔膜向滤布表面挤压滤饼，从而将 滤液挤出滤饼。 ( 3 ) 洗涤( 可选) 洗涤液使用同料浆相同的方式被泵送到过滤腔；由于液体注满滤腔，隔膜 被抬起，液体从隔膜上方被挤出。洗涤液在通过滤饼和滤布后流入排放管。短 程序不包括此工艺。 ( 4 ) 二次挤压( 可选) 洗涤后留在过滤腔中的洗涤液用与第一次挤压相同的方式，对滤饼实施二 次挤压，挤压过滤腔中的洗涤液。短程序不包括此工艺。 ( 5 ) 空气干燥 滤饼的最后干燥是由压缩空气完成的。通过分配管进入的空气充满了过滤 腔，提起隔膜，使隔膜上的高压空气排出压滤机。通过滤饼的气流减少水分含 量到最佳程度，同时排空滤液腔。 ( 6 ) 滤饼排放 当干燥过程完成后，板框组件打开，滤布驱动机构开始运行，滤布上的滤 饼从压滤机两边排出。 出于本课题是为山东铝业分公司生产沸石而开发的，沸石是洗涤荆的主要 成分。在生产沸石的流程中，立式压滤机充当了料浆的分离和风干作用。根据 山东铝业分公司现场调查，该系统只用了短程序，产品含水率就已经达到了要 求。由于课题的开发时间紧迫，故本文只开发短程序的立式压滤机控制系统。 长程序较短程序多了两个工艺：洗涤和二次挤压。这两个工艺对系统来说，没 有额外增加硬件设施，只是在程序上有所改变。故将长程序在本系统研制完成 1 0 东北大学硕士学位论文第二章全自动立式压滤机的工作3 - 艺及控制 的基础上再开发。本系统的工作原理如图2 1 所示。 整篓： i ：薹i 霉多叠! 鞫辩索 妻一 b 媛7 蜊辩索 圉! 羹- 髟湖 露 巨熏霪竺兰矍斡盖塑 磊 挤疑 六 磊干攥 鑫 ，缀艘黢鬟 一j 盘馕 瀵铸 刚2l 系统r 作原理图 从图2 1 中可以看出，料浆的压滤全过程只在一个密闭的腔里进行。 2 2 全自动立式压滤机的组成 从结构上可将全自动立式压滤机分为：主机部分、动力源及润滑系统、供 料系统、挤压水系统、热空气系统。 东北大学硕士学位论文第二章全自动立式压滤机的工作3 - 艺及控制 2 2 。1 主机部分 主机主要有底架、集水槽、顶紧机构、压板和立柱、板框组、滤布驱动装 置、滤布张紧装置、管路系统等组成，如图2 2 所示，其主要组件简述如下。 9 1 1 8 7 9 9 幽22 灶式压滤机结构示意图 f i g22t h es k e t c hm a po ft o w e rp r e s s u r ef i l t e r s s t r u c t u r e 1 一压滤板框；2 顶紧装置( 动力游) ：3 一滤布松紧装置；4 一滤布驱动装置： 5 一压板：6 一立柱；7 一集水捐；8 一机座；9 一管路；1 0 一滤布：1 1 一气动装置 ( 1 ) 板框 s 3 运 7 6 图23 压滤机板框示意图 f i g , 23t h es k e t c hm a po fp r e s s u r e f i l t e r sf r a m e 1 一滤板；2 一滤框；3 一格子板；4 一橡胶隔膜；5 一密封条；6 一滤饼腔 7 - - n 3 3 水腔；8 一滤液腔；9 一滤布 一1 2 5 l 9 挑 s 2 7 东北大学硕士学位论文 第二章全自动立式压滤机的工作工艺及控制 板框由滤板、滤框、隔膜、密封圈及格子扳组成，如图2 3 所示。滤板上 装有格子板，形成滤液腔，滤液汇集到这里并排出。隔膜与密封圈均装在滤框 上。隔膜与滤框形成过滤腔，滤饼在此腔内形成。 ( 2 ) 顶紧装置 本系统采用单油缸顶紧装置，液压油缸的活塞顶着滤框上下来回运动。当 闭合各滤框后，转换为密封油缸保压工作。 ( 3 ) 压板和立柱 底板、顶压板与四根立柱相连组成机架，动压板在中问，其上有滚轮，可 沿立柱外侧滑道上下滑行。 底板上部装有滤板压紧装置，形成滤板开闭的下支承面。 顶压板底面固定在压滤板框中的框架及橡胶隔膜形成的压力水腔卜，顶压 板前面有压力水通往压力水腔。 动压板的下面与液压缸的上座相连，形成压紧装置的上支承面。上面固定 压滤板框的底板，两侧装有滚轮，左侧装有滤布托辊，随着动压板的上下滑行 而开、闭压滤板框【1 5 ) 。 支柱处作为承重支柱和滑道外，还用于支承滤液管、压力水管和料浆管。 ( 4 ) 滤布驱动装置 在压滤机每两个i “作循环之间滤布都要运行，以卸掉滤饼和清洗滤向。电 动机带动皮带传动、减速机和带动滤布驱动辊，如图2 4 所示。设有限矩离合 器，以保证滤布驱动力不致过大。另外一种滤布驱动方式是采用液压马达驱动。 图2 4 滤布驱动装置示意图 f i g 2 4t h es k e t c hm a po f c l o t hd r i v i n ge q u i p m e n t 1 3 苎兰查主婴兰兰垡堕茎苎三主全! 垫圭垄墨鲞垫竺三笪三堇垒垫型 ( 5 ) 滤匆张紧装置 板框组丌闭时，滤布长度的变化是通过张紧装置调整的。板框组打开，滤 布张紧，然后滤布运行，卸除滤饼。张紧辊上装有液力耦合器，以保证张紧力 恒定。 ( 6 ) 管路系统 管路系统包括料浆管、滤液管、高压水管和冲洗水管。料浆经料浆管和分 配胶管进入每个板框，高压水经高压水管和胶管进入每个板框的隔膜上方，滤 液经胶管和滤液管排出机外，如图2 5 所示。 图2 5 压滤机管路系统示意图 f i g2 5t h es k e t c hm a po fp r e s s u r ep r e s s