摘要：在我國工控行業(yè)，可編程控制器（PLC）是一種重要的控制裝置，其應(yīng)用范圍涵蓋了從單一邏輯控制到模擬量控制、數(shù)字量控制、機(jī)器人動作控制、多級分布式控制等一系列工控場合?，F(xiàn)介紹了PLC工作方式、立式壓濾機(jī)工作原理及控制系統(tǒng)組成，根據(jù)立式壓濾機(jī)關(guān)鍵技術(shù)控制要求，分析了西門子PLC在立式壓濾機(jī)控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用情況。實(shí)踐證明，西門子PLC能夠保證立式壓濾機(jī)的安全、可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：西門子;PLC;工業(yè)控制;立式壓濾機(jī);關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

現(xiàn)階段我國工控領(lǐng)域?qū)刂葡到y(tǒng)的控制速度、工作可靠性、器件通用性、使用靈活性和維護(hù)便捷性方面的要求越來越高，傳統(tǒng)的繼電器和接觸器控制方式已經(jīng)不能完全滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。在此背景下，PLC控制系統(tǒng)以其獨(dú)特的技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢迅速發(fā)展壯大，它在簡單的運(yùn)動控制、多輸入變量的數(shù)字化控制、多輸入變量的模擬化控制、復(fù)雜的多參數(shù)集合控制以及多級運(yùn)動控制等工業(yè)控制場合下，均能發(fā)揮出優(yōu)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(nèi)，PLC程序都會完成有關(guān)控制的各種動作指令，包括內(nèi)部指令判斷、與外部接口通信、外部信號的采集和計(jì)算判斷、動作執(zhí)行程序的運(yùn)行等。其中，與用戶應(yīng)用層軟件部分相關(guān)的動作指令包括3個方面：輸入信號采樣、用戶程序執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制指令的運(yùn)行以及輸出刷新。在一個完整的工作周期內(nèi)，PLC持續(xù)按照一定周期反復(fù)執(zhí)行以上輸入信號采樣、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制指令的運(yùn)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(shí)時(shí)采樣是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(zhuǎn)換成電信號，并將其傳輸至PLC的固定單元內(nèi)，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(qū)。這個階段結(jié)束后，系統(tǒng)會自動執(zhí)行下一個任務(wù)，這一周期內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)直到下一周期才會自動更新。

1.3? ? 用戶程序執(zhí)行階段

梯形圖是PLC應(yīng)用最為普遍的編程語言，具有簡便、直觀的優(yōu)點(diǎn)，用戶想要完成指令，一般要先在梯形圖中按照PLC可執(zhí)行的順序?qū)Ω鲃幼鬟M(jìn)行分解，PLC執(zhí)行梯形圖程序時(shí)，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(jìn)行運(yùn)算。根據(jù)運(yùn)算指令來刷新主控存儲區(qū)相對應(yīng)的狀態(tài)位。

1.4? ? 輸出刷新階段

當(dāng)上述步驟執(zhí)行完畢，PLC會自動對輸出映像寄存器進(jìn)行刷新。在內(nèi)部電路中，主控芯片會根據(jù)輸入輸出口的狀態(tài)將內(nèi)部的輸出鎖存電路刷新，并通過輸出電路驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。若此時(shí)用戶執(zhí)行中斷操作，則會觸發(fā)PLC中斷指令，這一指令優(yōu)先級高于正在運(yùn)行的其他指令，因此會被立即執(zhí)行。

2 立式壓濾機(jī)工作原理及控制系統(tǒng)組成

立式壓濾機(jī)工作原理較為簡單，通常是混合物流經(jīng)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(jù)壓濾機(jī)的不同功能，其系統(tǒng)整體可以分為兩部分：一部分是壓濾動作的執(zhí)行系統(tǒng)，主要由電氣拖動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成，需要用戶根據(jù)壓濾介質(zhì)設(shè)置相應(yīng)的工藝參數(shù)，并以此為主要控制對象。另一部分是控制執(zhí)行壓濾動作的控制系統(tǒng)，一般是以PLC為核心，配置相應(yīng)的保護(hù)器件和采樣器件（如接近開關(guān)、位移傳感器、壓力變送器、編碼器）等外圍部件。壓濾機(jī)壓濾過程涉及的控制量較多，包含執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jī)控制中發(fā)揮出PLC的極大優(yōu)勢。西門子PLC控制系統(tǒng)已經(jīng)全面取代了繼電器邏輯控制系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，進(jìn)一步提高了立式壓濾機(jī)的性能和工作可靠性，并減少設(shè)備現(xiàn)場調(diào)試的工作量。

3 立式壓濾機(jī)關(guān)鍵技術(shù)控制要求

立式壓濾機(jī)的常規(guī)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(huán)節(jié)：（1）過濾，濾板合攏，泵入物料懸浮液。（2）一次隔膜擠壓，至達(dá)到油缸壓力上限設(shè)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(guān)限位，擠壓閥開限位，回水閥關(guān)限位，擠壓泵啟動。（5）濾餅吹干，保壓、排污閥關(guān)限位，入料閥關(guān)限位，母液閥關(guān)限位，入料閥關(guān)限位，洗滌閥關(guān)限位，打開干燥閥、風(fēng)包閥，高壓風(fēng)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(cè)落下濾餅，卸料，同時(shí)洗滌濾布。在卸料工序結(jié)束后停止壓濾機(jī)工作，關(guān)閉手動閥，切斷總開關(guān)。短程序控制工作模式包括4個環(huán)節(jié)：（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(jī)濾板組合攏后，給料系統(tǒng)將料漿輸送至濾板組過濾腔，完成靜壓過濾，經(jīng)隔膜擠壓、高壓風(fēng)干燥、濾板洗滌等工序完成過濾，安裝在機(jī)體上部的液壓油缸與壓緊板相連接，工作時(shí)液壓油缸驅(qū)動壓緊板下壓，將濾板組合攏至密封狀態(tài)，濾板組打開，濾布驅(qū)動裝置啟動，立式壓濾機(jī)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動濾布卷繞裝置，液壓馬達(dá)由主驅(qū)動和輔助驅(qū)動兩部分組成，驅(qū)動扭矩的大小通過調(diào)節(jié)液壓油壓力大小來實(shí)現(xiàn)。液壓馬達(dá)驅(qū)動濾布循環(huán)運(yùn)行，料餅被拖出濾板組的過濾腔落入壓濾機(jī)兩端的收集料斗。濾布運(yùn)行的同時(shí)，濾布清洗裝置啟動，高壓水對濾布進(jìn)行清洗，待料餅全部被拖出后，完成一個循環(huán)。控制系統(tǒng)以PLC為核心，通過各分散輸入輸出模塊實(shí)時(shí)控制底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)工控機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)主要部件有人機(jī)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(shè)備，內(nèi)部主要包括PLC及其擴(kuò)展模塊、光電糾偏開關(guān)、變頻器、入料壓力變送器、接縫檢測開關(guān)、擠壓壓力變送器等。

4 西門子PLC在立式壓濾機(jī)控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用

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

立式壓濾機(jī)工作過程中能準(zhǔn)確采集相關(guān)的模擬量是實(shí)現(xiàn)模擬量準(zhǔn)確控制的前提，此功能可以通過PLC配置模擬量擴(kuò)展模塊來實(shí)現(xiàn)。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(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度要求，又能夠?yàn)橄到y(tǒng)控制提供足夠的驅(qū)動功率。變頻器VFD370CP43B-21的正轉(zhuǎn)啟動通過中間繼電器實(shí)現(xiàn)控制，并將運(yùn)轉(zhuǎn)反饋信號傳輸至PLC輸入點(diǎn)。除此之外，西門子PLC控制系統(tǒng)一般還會配置相應(yīng)的安全報(bào)警功能以及緊急狀態(tài)停機(jī)功能，以進(jìn)一步確保設(shè)備使用者的人身安全。

5 結(jié)語

PLC已經(jīng)成為未來工控產(chǎn)品開發(fā)中不可忽略的重要組成部分，以西門子PLC為核心構(gòu)建的電氣控制系統(tǒng)，能夠保證立式壓濾機(jī)的安全、可靠運(yùn)行。針對模擬量采集及控制等關(guān)鍵技術(shù)，研究者應(yīng)該深入分析基于PLC和擴(kuò)展功能模塊的相關(guān)性能要求，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)可靠的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

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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(yīng)用技術(shù)。