（机械工程专业论文）水平带式过滤机无损纠偏技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士姓名： 指导教师： 水平带式过滤机无损纠偏技术研究 机械工程 陈峰( 签名) 樊玉光( 签名) 章伟( 签名) 要 随着可编程序控制器( p l c ) 技术的发展，由于其高可靠性、高性价比、广泛的工业现 场适应性和方便的工艺扩展性能，p l c 在工业自动控制过程中得到了越来越广泛的应用。 本文从p l c 的基本结构入手，就目前国内常用的几种p l c 进行了性能比较，并对p l c 控制系统的通用设计方法和提高系统可靠性的一些基本措施的应用研究作了尝试，重点 探讨了p l c 控制系统硬件、软件的设计方法以及通讯方式。 兰州石化公司催化剂厂共有1 3 台水平带式真空过滤机用于从n a y 分子筛的生产， 分别来自国内外的4 家滤机生产厂商。这些滤机均采用机械对夹式纠偏系统，不适合在 分子筛生产过程中运用。用德国西门子公司s 7 3 0 0 p l c 作为系统控制器，重新设计了滤 机的无损纠偏系统。将先前对夹式的纠偏系统改成通辊式纠偏系统。更新后将3 0 c m 的 机械对夹辊改成2 5 0 c m 的的橡胶通辊，用两套光电传感器，并排放置在一定的位置。滤 布的跑偏一般有三种情况对应产生三种不同位置的信号。光电开关实时对滤布进行实时 检测，p l c 采集到滤布的状态信号后进行内部处理，然后给数字式阀门定位器对应的输 出4 - - 一2 0 m a 的电流信号到定位器，定位器输出信号到纠偏系统。并设计出最终的电器原 理图和流程图。 按照流程图，利用西门子的s t e p 7 软件进行编程，调试后投入运行。这种纠偏系统 具有拨叉检测所不具备的优越性，其调节速度快，调节平滑，而且对滤布边缘无磨损。 经运行，系统的可靠性和实用性良好，完全满足系统设计要求，取得了很好的效益。 关键词：p l c 带式过滤机纠偏 论文类型：应用基础研究 墼t 英文摘要 s u b j e c t ：t h et e c h n o l o g yr e s e a r c ho fd e v i a t i o nr e c t i f y i n gf o rh o r i z o n t a lb e l tf i l t e r s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：c h e n f e n g ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：f a n y u g u a n g ( s i g n a t u r e ) z h a n gw e i ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ( p l c ) t e c h n i c a l ，b a s e do ni t sh i g h d e p e n d e n c y ，h i g hp e r f o r m a n c er a t i o t op r i c e ，e x t e n s i v ei n d u s t r y s p o t a d a p t a b i l i t ya n d c o n v e n i e n tp r o c e s se x p a n df u n c t i o n ，p l cg o tam o r ea n dm o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nt h e i n d u s t r i a l p r o c e s sc o n t r 0 1 c o m m e n c i n gf r o mt h eb a s i c s t r u c t u r eo fp l c ，af u n c t i o n c o m p a r i s o no faf e wl o c a lc o m m o n - u s e dp l c w a sc a r r i e do u ti nt h i st e x t t h eg e n e r a ld e s i g n m e t h o do fp l cc o n t r o ls y s t e ma n ds o m ea p p l i c a t i o ni nt h eb a s i cm e a s u r e m e n t so fs y s t e m c r e d i b i l i t ye x a l t a t i o nw a ss t u d i e d t h ed e s i g nm e t h o da n dc o m m u n i c a t i o nm o d eo fh a r d w a r e a n ds o f h v a l eo fp l cc o n t r o ls y s t e mw a se m p h a s i z e d t o t a l l yt h e r ea r e13s e to fv a c u u mh o r i z o n t a lb e l tf i l t e r sr u n n i n gi nt h ec a t a l y s tp l a n to f l a n z h o up e t r o c h e m i c a lc o m p a n yi nt h ep r o d u c t i o no fn a yz e o l i t ea n dt h e ya r ep r o d u c e db y4 f i l t e rm a c h i n em a n u f a c t u r e rf r o md o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s p e c t i v e l y a l lo ft h e s ef i l t e r s u s et h ec l i pt y p ed e v i m i o nr e c t i f y i n gm a c h i n e ；i ti s n ts u i t a b l ef o rt h ea p p l i c a t i o ni nt h ez e o l i t e p r o d u c t i o n al o s s l e s sd e v i a t i o nr e c t i f y i n gs y s t e mo fb e l tf i l t e rw a sr e d e s i g n e db yt h eu s a g eo f s i e m e n ss 7 - 3 0 0p l ca ss y s t e mc o n t r o l l e r s ；c l i pt y p ed e v i a t i o nr e c t i f y i n gw a sr e p l a c e db yt h e r o l l e rt y p es y s t e m t h e3 0c mc l i p p i n gr o l l e r sw a sr e p l a c e db y2 5 0c mr u b b e rr o l l e r s t w os e t o fp h o t o - e l e c t r o n i cs e n s o r sw a sp l a c e di np a r a l l e l ，g e n e r a l l yt h er u no ff i l t e rc l o t hh a v et h r e e k i n d so fc i r c u m s t a n c e st ot h es i g n a lt h a ts h o u l dp r o d u c et h r e ek i n d so fd i f f e r e n tp o s i t i o n s l i g h te l e c t r i c i t ys w i t c he x a m i n et o w a r d st h er u n n i n go ff i l t e r i n gc l o t ho nr e a l - t i m e ，t h ep l c c o l l e c t sa p p e a r a n c es i g n a l so ff i l t e rc l o t ha n dp r o c e s s e dt h e mi nt h ei n s i d ep a r t ，t h e ng i v e n u m e r i c a ls i g n a l st ot h ev a l v ei nr e s p o n s et ot h eo u t p u to fe l e c t r i cc u r r e n ts i g n a l 、析t l l 耷也o m at of i x e dp o s i t i o n e r ，a n dt h ef i x e dp o s i t i o n e ro u t p u tt h es i g n a lt ob ep a r t i a lt od e v i a t i o n r e c t i f y i n gs y s t e m a l s ot h ee l e c t r i cp r i n c i p l ed i a g r a ma n df l o wc h a r tw a sd e s i g n e da tt h ee n d p r o g r a m m i n gw a sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h ef l o wc h a r to ns i e m e n ss t e p 7s o f t w a r e t h i s k i n do fd e v i a t i o nr e c t i f y i n gs y s t e mh a v es u p e r i o r i t yt ot h ec l i pt y p es y s t e m ，i tr e g u l a t e s q u i c k l y ，s m o o t h l y ，a n dh a v en ol o s st o w a r d sf i l t e rc l o t he d g e t h ec r e d i b i l i t ya n df u n c t i o no f t h es y s t e mi sc o m p l e t e l yg o o ds a t i s f i e dt h es y s t e md e s i g nr e q u e s ta n do b t a i n e dag o o d p e r f o r m a n c ea f t e rr u n n i n g k e yw o r d s ：p l c ，b e l tf i l t e r ，d e v i a t i o nr e c t i f y i n g t h e s i s ：a p p l i c a t i o n a lb a s i sr e s e a r c h i ! i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名j 竭：哞日期：型2 ：! ! ：! 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：竺2 ：坐竺 日期：型! ：! ! ：! 旦 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 第一章绪论 目前国内外n a y 分子筛的生产普遍采用水热合成法生产n a y 分子筛。采用水热 合成法生产的n a y 分子筛含有大量可溶性物料，必须利用真空过滤机过滤、洗涤 后，才能得到合格的n a y 分子筛。由于在n a y 分子筛生产的主要工序均需要过滤和 洗涤，所以目前n a y 分子筛生产行业的过滤和交换过程普遍采用水平带式真空过滤机。 水平带式真空过滤机在上世纪初开始出现，具有水平过滤面、上部加料处理量大和 卸饼方便等特点，是近年来发展最快的一种真空过滤设备。现朝着大型化、采用新的结 构材料和自动化的方向发展，目前已形成有橡胶带式、往复盘式、固定盘式和连续移动 盘式等四种类型。其优点是连续操作，过滤效率高，结构紧凑、占地面积小、能耗低、 噪音小，在我国主要应用于废水及工业用水处理、石油工业、化学工业、水泥工业，淀 粉工业中用于马铃薯生产中除去皮及纤维素的过滤，果汁生产中减少果汁损失的果渣脱 液。 兰州石化公司催化剂厂共有1 3 台水平带式真空过滤机用于从n a y 分子筛的生产， 分别来自国内外的4 家滤机生产厂商。这些滤机均采用机械对夹式纠偏系统，滤机滤布 的跑偏通过机械拨叉来探测，拨叉同时也是纠偏气缸的开关。当滤布跑偏到一定位置时， 通过拨又启动纠偏气缸的开关，纠偏气缸推动长3 0 c m 的纠偏辊动作，将滤布拉正。机 械对夹式纠偏系统的特点是结构简单，运行可靠，故障率低，在许多行业得到成功的应 用。 和其它无定型颗粒相比，n a y 分子筛具有比表面大、颗粒细、粘度高的特点，这些 特点使得水平带式过滤机在分子筛生产中，会发生卸料不干净的情况。使得再生后的滤 布表面粘有一层分子筛浆液。由于这层分子筛浆液的存在，对机械对夹式纠偏器的正常 工作造成了严重的影响，主要有以下几个方面： ( 1 ) n a y 分子筛比表面大，吸附性强，在生产过程中必然附着在滤布表面，使得滤 布变滑。这对于靠摩擦力来纠偏的机械对夹式纠偏器产生了不良的影响，纠偏器经常处 于满负荷运行状况，滤布的磨损加大，边缘容易变形。滤布变形后跑偏加重，由此形成 恶性循环，最终滤布边缘破损或撕裂，造成滤布报废。 ( 2 ) 在纠偏系统工作过程中，分子筛浆液进入到纠偏器的气缸和拨叉开关中发生沉 积，造成系统孔道堵塞，使设备灵敏度下降，工作可靠性变差。处理一次需要花费较长 时间，严重影响装置的连续化生产。 ( 3 ) 分子筛浆液显酸| 生，纠偏器的橡胶辊使用6 个月后会老化，导致橡胶变硬，摩 擦力下降而达不到纠偏效果。由于原配纠偏器橡胶辊为一次性产品，橡胶老化后不能维 修，使得滤机的检维修费用上升。 西安石油大学硕1 ：学位论文 由于上述影响因素的存在，使得滤机的运行不平稳。在造成产品质量不平稳的同时，滤 布的平均使用寿命不到3 个月。针对以上问题，本文主要研究开发了一种非接触式无损 纠偏系统，有效地克服了传统对夹式纠偏器的缺点，有着良好的应用前景。 1 2 国内外相关水平带式过滤机的研究综述 b h s 滤布纠偏器采用气动控制，包括气源调节仪表部分，滤布跟踪传感器及气动夹 布器。调节仪表为后两部分结构提供适当压力、流量的仪表风。滤布跟踪传感器拾取滤 布位置信息并判断滤布是否跑偏从而发出信号是否需要纠偏。拨杆顶部带有一分叉，分 叉在弹簧力的作用下紧贴滤布，滤布偏移时使拨杆水平摆动，当摆至一定位置时气阀关 闭，滤布回移后气阀打开。夹布器包括两垂直排列的滚筒和薄膜气缸，上滚筒同定，下 滚筒可在薄膜气缸作用下上下移动。当滤布在中间位置时，滤布的两边均不接触滤布跟 踪传感器的拨杆，气阀打开使仪表风进入薄膜气缸，阀杆将下滚筒顶起夹紧滤布，滤布 移动带动滚筒转动，因夹布器滚筒安装与滤布呈一夹角，此时就产生一横向分力，滤布 两边对称安装的夹布器其横向分力方向相反，就将滤布向两边拉平；当滤布向一边跑偏 时，滤布边缘与滤布跟踪传感器的拨杆接触带动拨杆切断气源，夹布器的下滚筒在自重 与弹簧力的作用下下落，使滤布松开，此时另一边夹布器仍在起作用，滤布只受一个方 向的横向拉力作用，随即开始横向移动，从而达到纠偏的作用；当滤布横向移动至正常 位置时，松开的夹布器因拨杆回弹重新接通气源又将源布夹紧，两横向力达到平衡，滤 布停止横向移动，实现连续自动纠偏。 图1 - 1水平带式过滤机工作原理 机械对夹式纠偏系统的特点是结构简单，运行可靠，故障率低，在其它许多行业得 到成功的应用。 1 3 可编程控制器( p l c ) 功能和应用 可编程控制器( p l c ) 是本世纪6 0 年代发展起来的一种新型自动化控制装置。最早是 川于替代传统的继电器控制装置，英文原名为“p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ”，简称 2 第一章绪论 p i c ，中文称“可编程逻辑控制器”。 p l c 技术代表了当今电气程序控制的世界先进水平，p l c 与数控技术和工业机器人 已成为机械t 业自动化的三大支柱。随着集成电路技术和计算机技术的发展，p l c 以简 单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列优点，很快地 在全球推广应用。从1 9 6 8 年到现在，p l c 经历了四次换代，目前已发展到第五代产品， 广泛地应用于航天、冶金、轻工、建材、化工、机械等行业。 ( 1 ) p l c 的工作原理 当p l c 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和 输出刷新三个阶段： 输入采样：即检查各输入的开关状态，将这些状态数据存储起来为下一阶段使用； 执行程序：然后p l c 按用户程序中的指令逐条执行，但是把执行结果暂时存储起来； 刷新输出：按第1 阶段的输入状态在第2 阶段执行程序中确定的结果，在本阶段中对 输出予以刷新； 完成上述三个阶段称作一个扫描周期，在整个运行期间，p l c 的c p u 以一定的扫描 速度重复执行上述三个阶段。p l c 对信号的输入、数据的处理和控制信号的输出分别在 一个扫描周期的不同时间进行的方式有助于排除系统中受到的干扰。 ( 2 ) p l c 的特点 根据i e c 标准草案给p l c 下的定义：它是在工业环境中使用的数字操作的电子系统， 占使用可编程存储器内部储存的用户设计的指令，这些指令用来实现特殊的功能，诸如 逻辑运算、顺序操作、定时、计数以及算术运算以及通过数字或模拟输入输出来控制各 种类型的机械或过程。不论是p l c 还是与它有关的外部设备，都设计成容易集成在一个 工业控制系统内，并且容易应用所有计划中的功能。从上述p l c 的定义，我们可以看到 日刃的许多特点，概括起来有以下几点。 控制程序可变，具有很好的柔性 在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变p l c 的硬设备，只需改变 程序就可满足要求。因此，除单机控制外，p u 在柔性制造单元( f m c ) ，柔性制造系统 ( f m s ) 、以至工厂自动化( f a ) 中也被大量采用。 具有高度可靠性，适用于工业环境 p l c 产品的平均故障间隔时间一般可达到5 年以上，因此是一种高度可靠的工业产 品，大大提高了生产设备的运行效率，p l c 、要求专用设施的机房，这就为工业现场的 人狱直接使用提供了方便。 功能完善 现代p l c 具有数字和模拟量输人输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、 p i d 调节、各种智能模块、远程v o 模块、通信、人机对话、自诊断、记录和图形显示、 组态等功能。除了适用于离散型开关量控制系统外，现在也能应用于连续的流程控制系 两安石油人学硕一t - 学位论文 统，从而使设备的控制水平大大提高。 易于掌握、便于维修 由于p l c 使用编程器进行编程和监控。使用人员只需掌握工程上通用的梯形图语言 ( 或语句表、流程图) 就可进行用户程序的编制和调试。因此，即使不太懂得计算机的操 作人员，也能掌握和使用p l c 。又由于p l c 有完善的自诊断功能，输人输出均有明显 的指示，在线监控软件的功能很强，因此很容易进行维修，能很快查找出故障的原因。 p l c 本身的高可靠性也保证了故障的几率很低。 体积小、省电 与传统的控制系统相比，p l c 的体积很小，一台收录机大小的p l c 具有相当于三个 1 8 m 高继电器控制框的功能。p l c 消耗的功率只是传统控制系统的1 3 至1 2 左右。 价格低廉。 随着集成电路芯片功能的提高、价格的降低，可编程控制器硬件的价格也一直不断 地在一下降。 ( 3 ) s 7 3 0 0 系统特点及其主要功能 s i m a t i cp l c 是德国西门子公司在s 5 系列p l c 基础上于1 9 9 5 年陆续推出的性能 价格比较高的p l c 系统。其中微型的有s i m a t i cs 7 2 0 0 系列，最小配置为8 d i 6 d 0 ， 可扩展2 7 个模块，最大i o 点数为6 4d i d 0 ；1 2 a i 4 a o 。中小型的有s 7 3 0 0 。 s i m a t i cs 7 系列是模块化中型p l c 系统，它能满足中型控制系统的性能要求。模 块化，无排风扇结构，易于实现分布的特点使得s 7 4 0 0 3 0 0 成为各种中、大规模控制任 务方便又经济的解决方案。 s 7 - 3 0 0 的系统组成主要有：中央处理单元( c p u ) 、信号模块( s m ) 、通讯处理器( c p ) 、 功能模块( f m ) 、负载电源模块( p s ) 、接口模块( i m ) 等。s i m a t i cs 7 3 0 0 适用于通用领域， 高电磁兼容性和强抗震性，使其具有最高的工业环境适应性。温度适应范围从0 - - 6 0 特 殊条件下可达2 5 一6 0 ，具有更强的耐受震动和污染特性。从而特别适用于剧场的强 电磁干扰环境中应用。 s 7 3 0 0 具有以下特点： 运行速度高，c p u 4 1 6 执行一条二迸制指令只要0 0 8 m s 。 存储容量大，例如c p u 4 1 7 - 4 的r a m 可以扩展到1 6 k b ，装载存储器( f e p r o m 或r a m ) 可以扩展到6 4 m b 。 i o 扩展功能强，可以扩展2 1 个机架，$ 7 4 1 7 - 4 最多可以扩展2 6 2 1 4 4 个数字量 i o 点和1 6 3 8 4 个模拟量i o 。 有极强的通信能力，容易实现分布式结构和冗余控制系统，集成的m p i ( 多点接! j ) 能建立最多3 2 个站的简单网络。大多数c p u 集成p r o f 工b u s d p 丰站接口，可以用 来建立高速的分布式系统，使操作大大简化。从用户的角度看，分布式i o 的处理与集 中式i o 没有什么区别，具有相同的配置、寻址方式和编程方法。c p u 能在通信总线和 4 第一章绪论 m p i 上的站点建立联系，最多1 6 - 4 4 个站点，通信速率最高l1 2 m b i t s 。 通过钥匙开关和口令实现安全保护。 诊断功能强，最新的故障和中断时间保存在f i f o ( 先入先出) 缓冲区中。 集成的h m i ( 人机接v i ) 服务，用户只需要为h m i 服务定义源和目的地址，系统 会自动地传送信息。 s 7 3 0 0 使用s t e p7 编程软件编程，编程语言与编程方法全相同。适用于对可靠性 要求极高的中型复杂的控制系统。特别是s 7 3 0 0 有很强的通信能力，c p u 集成有m p t 和d p 通信接口，有p r o f i b u s d p 和土业以太网的通信模块，以及点对点通信模块。 通过p r o f i b u s d p 现场总线，可以周期性的自动交换i o 模块的数据。在自动化系统 之间，p l c 与计算机和h m i ( 人机接口) 站之间，均可以交换数据。 1 4 国内外带式滤机纠偏器的现状与改进设计 兰州石化公司催化剂厂王永恒等在“水平带式过滤机滤带跑偏原因分析及其纠偏方 法 论文中讨论了机械对夹式纠偏器的原因分析，并给出了机械对夹式纠偏器改造的纠 偏方法。长岭炼化有限责任公司催化剂厂魏章斌等在“水平带式真空过滤机滤布纠偏器 改造”论文中讨论了德国b h s 公司水平带式真空过滤机滤布纠偏器的结构，并给出了机 械对夹式纠偏器的改造方案，取得了良好效果。但是这些都不能彻底解决n a y 分子筛生 产中水平带式过滤机出现的问题。 利用可编程控制器( p l c ) 具有数字和模拟量输人输出、逻辑和算术运算、定时、计 数、顺序控制、p i d 调节、各种智能模块、远程i o 模块、通信、人机对话、自诊断、 记录和图形显示、组态等功能。开发自动控制滤机的纠偏系统，研究一种非接触式、适 合分子筛生产工艺特色的自动纠偏系统，可以有效提高过滤、水洗质量，同时使滤布的 使用时间延长，降低生产成本。 根据过滤机的实际情况，选用单机控制系统对滤机的纠偏系统进行设计。单机控制 系统是较普通的一种p l c 控制系统。该控制系统使用一台p l c 控制一个对象，控制系 统要求的工0 点数和存储器容量比较小，没有p l c 的通信问题，采样条件和执行机构 比较集中，控制系统的构成简单明了。在单机控制系统中由于控制对象比较确定，因此 系统要完成的功能一般较明确，i o 点数、存储器容量等参数的裕量适中即可。 在设计中，将采用p l c 配合目前广泛使用的光电传感器和数字式定位器，来实现对 滤布跑偏状况的探测。具体设计思路如下： ( 1 ) 设计控制系统的电源供电系统，包括i o 电源和传感器电源。 ( 2 ) 选择输入设备( 按钮、操作开关、限位开关、传感器等) 、输出设备( 继电器、接 触器、信号灯等执行元件) 以及由输出设备驱动的控制对象( 电磁阀等) 。 ( 3 ) p l c 的选择。p l c 是p l c 控制系统的核心部件。正确选择p l c 对于保证整个控 西安石油大学硕i ：学位论文 制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。选择p l c 应包括机型的选择、容量的选择、 i o 模块的选择、电耗模块的选择等。 ( 4 ) 分配v o 点，绘制i o 连接图和电气施工图。 ( 5 ) 设计控制程序。包括设计梯形图、语句表( 即程序清单) 或控制系统流程图。控制 程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常、安全、可靠的关键。控制程序 的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。 ( 6 ) 设计控制柜和控制箱。 ( 7 ) 编制控制系统的技术文件。包括说明书、图及电气安装图、i o 连接图) 、- v 0 端口分配表、明细表等。 1 5 带式滤机纠偏器的改进设计难点 用于纠偏的力主要来自两个方面，一是滤布和纠偏辊之间的摩擦力：二是纠偏辊和 滤布运行方向的角度。由于摩擦力在不同的运行状况下会有所不同，纠偏气缸要适时做 出调整。 纠偏辊的安装位置也是一个比较重要的研究对象，不同的安装位置会产生不同的纠 偏效果。需要对滤机跑偏位置及不同滤机滤布运行速度来分别确定不同种类滤机的安装 位置，以期达到合适的灵敏度、较强的纠偏效果。计划选用两套光电传感器，并排放置 在一定的位置。滤布的跑偏一般有三种情况对应产生三种不同位置的信号。光电开关实 时对滤布进行实时检测，p l c 采集到滤布的状态信号后进行内部处理，然后给数字式阀 门定位器对应的输出4 - - 2 0 m a 的电流信号到定位器，定位器输出信号到纠偏系统。 纠偏辊由对夹辊改为橡胶单辊。橡胶辊强制托起滤布形成“s ”形弯曲，依靠纠偏辊 偏转位置的来提供纠偏所需的侧向力，控制滤布的行走方向。大多时间滤布处于中间位 置，此时纠偏辊与滤布垂直，不产生侧向力。若滤布向一方跑偏，纠偏气缸动作，推动 纠偏辊与滤布形成夹角，产生纠偏力。这种纠偏装置将不会对滤布边缘产生摩损，有效 延长滤布的使用寿命。执行机构将做出比较大的改变，将长度为3 0 0 m m 的两对机械对 夹辊改成一个长度3 0 0 0 m m 的纠偏辊。通过驱动气缸的动作来改变纠偏辊和滤布运行方 向之间的夹角来实现纠偏。 目前国外水平带式真空过滤机的两大生产厂商荷兰p a n n e v i s 公司和德国b h s 公司， 纠偏系统采用机械对夹式纠偏系统或类似于对夹式纠偏。而国内生产厂商由于研发力量 薄弱，设计和生产主要参考p a n n e v i s 公司和b h s 公司生产过滤机的纠偏系统，采用的 机械对夹式纠偏系统。由于催化剂行业的特殊性，因至今无成熟的生产工艺，所以各厂 的保密性和竞争性意识十分强，尚没有发现国外分子筛生产厂商的相关信息。国内外过 滤技术差距，由于历史的种种原因，致使我国目前过滤与分离机械大致处于国外九十年代 末水平，落后约l o 年，在过滤与分离基础研究和应用研究方面，进展较缓慢。面对近年 6 第一章绪论 来国外过滤与分离技术的发展，我国的差别十分明显。 ( 1 ) 我国过滤与分离机械的技术进步，不论是大型化、高参数新产品的开发，节能 型、多功能设备的研制，还是传统设备的机械化、自动化、智能化水平的提高与完善等 方面，都存在着十分明显的差距。基础研究和应用研究经营投入不足，靠企业自己开发， 研发能力明显不强。 ( 2 ) 对于过滤介质，无论是织造滤布、滤带、不锈钢、钦材料等金属粉末、金属纤 维烧结的刚性过滤介质，新兴的陶瓷过滤介质，还是目前国外迅速发展，并已推广应用 的改性纤维制成的功能性过滤介质，从制造或烧结所用的滤材质量和制( 织) 造技术及设 备，精整技术与工艺都与国外相差较远。特别是孔隙率高、阻力小，并具有机械截留加 化学与静电吸附作用的选择性过滤介质在工业发达国家用于生物化工、制药、食品等行 业发展十分迅速，而我国明显落后。 ( 3 ) 过滤与分离机械制造行业及设计选用部门和用户，普遍存在对分离效果的好坏 与对分离工艺技术的全面认识密切相关的知识不足。主要表现为： 对于要求分离物料缺乏全面认识，如固液两相的物理、化学性质、浓度，特别是 与过滤分离相关的一些性质了解不深，不利于正确选择过滤、分离设备的类型，往往盲 目承袭一些老厂的不尽合理的设备选型，而不敢越雷池一步； 有的是未能正确确定合理的操作条件，如对于过滤机如何选择操作压力、真空度、 温度、过滤时间9 根据要求的截留精度及处理能力，正确选择过滤介质等。 ， 有些物料不能直接进行过滤与分离，而必须采用预处理技术。 不熟悉新技术、新工艺、新设备。 1 6 研究内容和实现方法 1 6 1 研究内容 因水平带式过滤机的运行是周期、循环运行的，这就要求滤机的过滤介质滤布( 长 达5 0 多米) 必须在运行中始终处于滤盘正中间，如果滤布跑偏，就会造成物料跑损，滤 布打折损坏，滤布报废，造成直接经济损失五万余元，因此滤机运行是否正常，滤布的 纠偏是一个很重要的因素。而其他的纠偏方式，长时间作用会对滤布两边造成损坏、纠 偏器的故障率高、纠偏作用不明显等因素的影响，造成水平带式过滤运行故障率高，这 也是我们此次把滤机纠偏作为我们的研究方向的主要原因。 随着集成电路技术和计算机技术的发展，p l c 以简单易懂、操作方便、可靠性高、 通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列优点，很快地在全球推广应用。从1 9 6 8 年到现 在，p l c 经历了四次换代，目前已发展到第五代产品，广泛地应用于航天、冶金、轻工、 建材、化工、机械等行业。根据过滤机的实际情况，选用单机控制系统对滤机的纠偏系 统进行设计。单机控制系统是较普通的一种p l c 控制系统。该控制系统使用一台p l c 7 西安石油人学硕士学位论文 控制一个对象，控制系统要求的i o 点数和存储器容量比较小，采样条件和执行机构比 较集中，控制系统的构成简单明了。在单机控制系统中由于控制对象比较确定，因此系 统要完成的功能一般较明确，i o 点数、存储器容量等参数的适中即可。 在水平带式过滤机纠偏系统设计中，我们将采用p l c 配合目前广泛使用的光电传感 器和数字式定位器，来实现对滤布跑偏状况的探测。具体设计思路如下： ( 1 ) 设计控制系统的电源供电系统，包括i o 电源和传感器电源。 ( 2 ) 选择输入设备( 按钮、操作开关、限位开关、传感器等) 、输出设备( 继电器、接 触器、信号灯等执行元件) 以及由输出设备驱动的控制对象( 电磁阀等) 。 ( 3 ) p l c 的选择。p l c 是p l c 控制系统的核心部件。正确选择p l c 对于保证整个控 制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。选择p l c 应包括机型的选择、容量的选择、 i o 模块的选择、电耗模块的选择等。 ( 4 ) 分配i o 点，绘制i o 连接图和电气施工图。 ( 5 ) 设计控制程序。包括设计梯形图、语句表( 即程序清单) 或控制系统流程图。控制 程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常、安全、可靠的关键。控制程序 的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。 ( 6 ) 设计控制柜和控制箱。 ( 7 ) 编制控制系统的技术文件。包括说明书、图及电气安装图、i o 连接图) 、i o 端 口分配表、明细表等。 1 6 2 实现方法 为确保滤布处于滤盘的正中间，我们考虑利用纠偏系统的来自两个方面的作用，一 是滤布和纠偏辊之间的摩擦力；二是纠偏辊和滤布运行方向的角度。由于摩擦力在不同 的运行角度的情况下会有所不同，同时纠偏气缸要做出适时相应的调整。 纠偏系统中纠偏辊的安装位置也是一个比较重要的研究对象，不同的安装位置会产 生不同的纠偏效果。需要对滤机跑偏位置及不同滤机滤布运行速度来分别确定不同种类 滤机的安装位置，以期达到合适的灵敏度、较强的纠偏效果。 滤布跑偏检测方式，我们计划选用两套光电传感器，并排放置在一定的位置。滤布 的跑偏一般有三种情况对应产生三种不同位置的信号。光电开关实时对滤布进行实时检 测，p l c 采集到滤布的状态信号后进行内部处理，然后给数字式阀门定位器对应的输出 4 - - - - 2 0 m a 的模拟信号到定位器，定位器输出信号到电气转换器，作用到纠偏气缸，推动 纠偏气缸作出相应的伸缩。 执行机构将做出比较大的改变，将3 0 0 m m 的机械对夹辊改成2 5 0 m m 的纠偏辊。通 过驱动气缸的动作来改变纠偏辊和滤布运行方向之间的夹角来实现纠偏。橡胶辊强制托 起滤布形成“s ”形弯曲，依靠滤布的运行方向及滤布与纠偏辊之间的夹角产生的推理力或 8 第一章绪论 拉力，来确保滤布始终处于中间位置。大多时间滤布处于中间位置，此时纠偏辊与滤布 垂直，不产生任何力，只是起到滤布的导向作用。若滤布向一方跑偏，纠偏气缸动作， 推动纠偏辊与滤布形成夹角，产生纠偏力。这种纠偏装置将不会对滤布边缘产生摩损， 有效延长滤布的使用寿命。 9 西安石油大学硕士学位论文 2 1p l c 结构分析 2 1 1p l c 的定义 第二章p l c 控制系统分析与选择 可编程控制器( ( p r 0 酉a m m a b l ec o n t r o l l e r ) 是计算机家族中的一员，是为工业控制应用 而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) ，简称p l c ，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装 置的功能己经大大的超过了逻辑控制的范围。因此，今天这种装置称作可编程控制器， 简称p c 。但是为了避免与个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 的简称混淆，所以将可编程控 制器简称p l c 。为了使p l c 生产和发展标准化，国际电工委( i e c ) 先后颁布了p l c 标准 草案第一稿，第二稿，并在1 9 8 7 年2 月通过对它的定义： “可编程控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境应用而设计的，它采 用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数 与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生 产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易 于扩充其功能的原则设计的。总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应 用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入输出接口，并且具有较强的驱动能力。在实 际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。 2 1 2p l c 的一般结构 用可编程控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换 予以物理实现。输入输出变换和物理实现可以说是p l c 实施控制的两个基本点，而输入 输出变换实际上就是信息处理。物理实现要求p l c 的输入应当排除干扰信号适应于工业 现场，而输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用。这就要求i o 系 统电路专门设计。根据p l c 实施控制的基本点的分析，p l c 采用了典型的计算机结构， 主要是c p u ，r a m ，r o m 和专门设计的输入输出接口电路等组成。具体的结构图见图 2 1 。可以看出，p l c 一般由4 部分组成：中央处理器、存储器、输入接口和输出接口， 各部分功能如下： 1 0 第二章p l c 控制系统分析与选择 地址总线控制总线 lj ll! ；器 l 输 中输 输 占 _入 央 存 入 输 出 接 处 储 出 接 ：l理 器 数 口 蓖 据 口 入 存 兀 储 r广厂 f 醢一vt 啊q 程 单 一 兀 照明 电磁装置、 电动机 其他执行装 置、或接触器 图2 - 1p l c 的一般结构 ( 1 ) 中央处理机 中央处理机是p l c 的大脑，它由中央处理器( c p u ) 组成。中央处理器( c p u ) 一般由 控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一块芯片上。c p u 通过地址总 线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出( i o ) 接口电路相连接。因为在我们催化 剂厂的其他设备已经应用到s 7 3 0 0 系列的c p u ，如：固定盘式水平过滤机、闪蒸干燥 机等设备采用的是西门子s 7 3 1 3 c 的c p u ，为便于管理和备件的储备，所以此次用在移动 盘式水平过滤的纠偏系统中也采用s 7 3 1 3 c 的c p u 。 ( 2 ) 存储器 存储器是具有一记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量 和其他一些信息。 系统程序是用来控制和完成p l c 各种功能的程序，这些程序是由p l c 制造厂家用 相应c p u 的指令系统编写的，并固化到r o m 中。 用户程序存储器用来存放由编程器或计算机输入的我们编辑的程序。用户程序也是 指我们根据水平带式过滤机结构及运行原理来编写的纠偏控制程序，水平带式过滤机的 纠偏程序可以通过个人计算机以及编写程序来编写和修改。 ( 3 ) 输入接口电路 现场输入接口电路一般有耦合电路和微电脑输入接口电路组成。 耦合电路：由于输入和输出端是靠光信号耦合的，在电气上是完全隔离的，因此 输出的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其它串扰。同时，由于发光二极 管的正向阻抗值较低，而外界干扰源的内阻一般较高，根据分压原理可知，干扰源能馈 两安石油人学硕i ：学位论文 送到输入端的干扰噪声很小。正是由于p l c 在现场信号的输入环节采用了光电耦合，因 而增强了抗干扰能力。 微电脑输入接口电路：它一般由数据输入寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路 构成，这些电路集成在一个芯片上。现场的输入信号通过光电耦合送到数据寄存器，然 后通过数据总线送给c p u 。 在输入接口的选择上，此次水平带式过滤机的纠偏设计中充分考虑到现场滤机的其 他信号要引入到系统中，所以选择输入输出耦合电路模式，即输入输出模块方式。 ( 4 ) 输出接口电路 一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成。其中微电脑输出接口电路一般由 输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成而成，c p u 通过数据总线将要输出的信 号放到输出数据寄存器中；功率放大电路是为了适应工业控制的要求，将微电脑输出的 信号加以放大。p l c 一般采用继电器输出，也有的采用晶闸管或晶体管输出。因我厂的 每套装置都有d c s 控制系统，为便于监控和管理，我盟在纠偏系统设计中充分考虑到 p l c 的通讯，利用西门子p l c 的s 7 3 1 3 c 的m o d e r b u s 协议与d c s 通讯，通过通讯模块 c p 3 4 1 与d c s 通讯模块用光纤连接后进入装置的d c s 控制系统，实现对滤机的监控。 2 1 3 水平带式过滤机纠偏系统应用p l c 的选择与分析 使用p l c 可以构成多种形式的控制系统，下面介绍几种常用的p l c 控制系统的结 构。 ( 1 ) 单机控制系统 单机控制系统是较普通的一种p l c 控制系统。该控制系统使用一台p l c 控制一个 对象，控制系统要求的点数和存储器容量比较小，没有p l c 的通信问题，采样条件和执 行机构比较集中，控制系统的构成简单明了。在单机控制系统中由于控制对象比较确定， 因此系统要完成的功能一般较明确，i o 点数、存储器容量等参数的裕量适中即可。 ( 2 ) 集中控制系统 集中控制系统用一台功能强大的p l c 监视、控制多个设备，形成中央