温后珍 高彦峰 何宜辉 何培洪 栾仪广
关键词：自动控制系统；PLC；Modbus；离心机
中图分类号：TP29；T 文献标识码：A
在现代工业生产中，大部分情况下离心机作为生产工艺后处理设备，被广泛应用在脱水、浓缩、分离、萃取等工艺过程，在众多行业具有重要的地位。尤其对于生产碳酸钙、硫酸钡等无机盐的企业，离心机的脱水效率与自动化水平，更是关系到整个工程的生产效率及碳减排，这就需要较高的设备管理水平和较多的人力资源。通过查阅文献，关于离心机的机械、动平衡等问题的研究颇多，而与自动化相结合的离心机自动控制系统略少。在参考文献[2]中，将离心设备与自动控制结合到一起，用于钻井作业，其工艺流程与无机盐生产工艺类似，但原文着重于硬件的选择与防护，对自动控制的介绍不够详细，本文将着重介绍离心机系统中关于自动控制方面的内容，综合运用了开关量的逻辑控制、模拟量控制、数据处理和Modbus-RTU通信，充分利用PLC资源，节省了硬件投入。
1离心机的基本结构与工作原理
离心机可按其分离原理、转速大小、结构形式、卸料方式、工作用途、工作方式等方面进行分类。例如，根据设备的分离原理，离心机可分为沉降式离心机、过滤式离心机、分离式离心机和萃取式离心机四大类；根据设备的工作方式，可将离心机分为连续工作式离心机和间歇工作式离心机；根据设备的结构形式，可将离心机分为卧式离心机和立式离心机；根据设备的转速大小，可将离心机分为高速离心机、常速离心机和超速离心机三大类。本文将研究三足式离心机的自动控制系统。
1.1三足式离心机的基本结构
作为间歇操作的转鼓式离心机，三足式离心机的主要构件有电动机、转鼓、支柱、制动器等。转鼓通常又称为滤桶，在三足式离心机中，它通常保持直立且开口向上，转鼓和机壳上端向内收敛，鼓壁开有滤孔，内壁覆以滤布。动力源来自底部，经传动装置由电机拖动。该设备的外壳、滤筒和传动装置都悬在三个支柱上，所以被称为三足式离心机。
1.2三足式离心机的工作原理
离心机一般包含加料、过滤、甩干、卸渣和洗涤共五个生产工艺步骤。
三足式离心机的工作原理是浆液经高速旋转的转鼓产生动能，从而高速旋转，浆液被甩到筒壁上形成一个液圈，液圈中的固相颗粒由于受到大于自身重力几百倍甚至几千倍的离心力的作用，就克服浆液黏度的阻力快速沉降到滚筒的内壁上，形成固相层，液体形成液相层。固相层在滤布的阻拦下留在滚筒内壁，液相流经滤布后排到离心机水槽，经过一系列的脱水处理后，得到含水量很低的滤饼。最后由刮刀将滤饼卸下，送至后续工序处理。无机盐脱水工序的控制流程如图1所示。
2离心机自动控制系统的组成
自动电气控制系统由离心机主机、进料泵电磁阀、液压油泵、PLC控制器和触摸屏组成。
本离心系统对电气传动的基本要求是启动转矩大、调速范围宽，转速稳定。在遵循操作简便性、工作可靠性、经济性以及可扩展性的设计原则基础上，主要功能如下：
（1）控制系统具有手动控制及自动控制两种控制方式。在手动控制状态下，根据人机交互界面的指令，执行相应的操作；在自动控制状态下，系统的参数设定好之后，电磁阀流量、运行速度、运行时间、刮刀等根据设定的程序自动运行。（2）能监测、显示各种运行参数的状态数据，具有导出数据报表功能，如电压、电流、电磁阀流量、主机转速、累计运行时间等。（3）系统能过载保护，可以显示故障报警。（4）在自动运行状态下有当前运行单元的动态画面显示。（5）具有紧急停机功能。（6）控制系统由PLC实行全自动控制。系统总体构成图如图2所示。
PLC在工业中的地位是非常高的，作为新一代工业控制器，它具有高性能的优点被用在了工业测控系统中。根据输入和输出所需的点数和控制性能的要求，选用英威IVCIL-1614MAR微型PLC组成核心控制单元。该型号的PLC具有16个输入点，14个输出点，自带一路模拟量输出，拥有三个通信口，方便通信，更快的运行速度和更强的内部集成特殊功能，完全适应于一些复杂的中小型控制系统。人机界面采用HMITOOL组态技术，实时监控、控制离心系统的运行状况，满足现场的各种工序需要。根据离心机的工作特性，主机选用变频器调速方式。变频器选用JACT AT500系列，通过Modbus-RTU通信协议，与PLC实时交换工作数据。通过模拟量控制比例阀，达到改变加料速度的目的。最后由油泵带动油缸，实现刮料功能。
3 PLC程序设计
按照无机盐生产工艺的要求，程序分为自动控制和手动控制两大部分。自动控制仅需一键启动，系统便按照程序自动、循环运行，手动控制则为设备调试或突发情形保留操作空间。在自动控制中，按照生产工艺，设计4种离心模式，并通过人机交互界面可自由更改运行频率，离心时间，加料速度，加料时间等，并保存在具有断电记忆寄存器D中。变频器速度控制采用Modbus RTU通信，这样能够采集到更多的设备运行参数，充分利用主机资源，无须扩展模拟量模块，简化硬件电路。
3.1 PLC程序设计的实现
根据实际需要，本控制流程的程序由一个主程序和两个子程序构成，其中两个子程序为比例阀数模转换子程序、手动控制子程序。各程序块的功能如下：（1）主程序。主程序即为自动控制程序，包含读取变频器当前频率、电流等。由于工艺流程系统复杂烦琐，遂本程序采用顺序流程图（SFC）的方式。SFC的优势就在于它以功能为主线，将复杂的系统过程按照功能流程的顺序分配，划分为多段流程和步骤间的转换过程，从而实现顺序控制功能，功能分解后的每一步骤和每个转换过程都变为简单的程序过程，条理清楚，便于用户程序阅读和维护。顺序功能控制指令的引入更使得复杂的问题变得简单直观。值得注意的是由于通过Modbus协议对变频器进行调速，为了避免通信冲突导致的通信中断，将SFC中的MODRW指令移至SFC外，利用置位中间继电器M实现Modbus通信功能。（2）比例阀数模转换子程序。由于通过控制比例阀的开度达到控制加料速度的目的，遂将多次用到的数字量转换成模拟量的程序放到子程序中，减少程序的尺寸，简化主程序结构，使程序的结构更加清晰，提高程序的可移植性。（3）手动控制程序。主要处理手动调试下PLC的输出信号，执行逻辑运算，输出可控制过程，包括油泵启停，主机启停，高中低速，紧急停机，进、退、升、降刮料等。
3.2 Modbus-RTU调试与通信
3.2.1 Modbus通信协议
Modbus协议可以说是工业自动化领域应用最广泛的通信协议，采用报文传输通信协议，主要包括RTU、ASCII、TCP等传输模式，RTU和ASCII支持传统的RS232、RS485、RS422和以太网设备。Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和应答的方式。在RTU模式下，一字节的信息以8位字符的形式发送，而在ASCII模式下则作为两个ASCII字符发送，因此，发送同样的数据量，RTU模式的效率大约是ASCII模式的两倍。通常数据量少而且传输内容主要是文本时宜采用ASCII，通信数据量大且是二进制数值时，宜采用RTU模式。本文采用的是RTU传输模式，RTU传输模式不仅具有较高的数据密度，而且在相同速率下通信效率高、传输稳定。
3.2.2 Modbus-RTU调试
Modbus网络中所有设备都必须选择相同的串口参数和传输模式。在进行Modbus编程前，通常利用串口调试工具对被控设备进行预测试。串口调试工具是以ASCII码或十六进制数发送或接收任何数据或字符，可以设定任意的自动发送周期，并能将接收数据保存成文本文件。通过串口调试助手能方便判断通信是否成功、通信地址是否正确以及被控设备的设置是否符合要求，减少后期PLC程序调试的工作量。以JACT AT500型号的变频器为例，连接调试方法如下：（1）在变频器AT500处设置好站号、波特率、数据格式。尤其要注意通信过程中的波特率、起始位、停止位，站号等相关参数的配置。（2）串口调试助手按照AT500的通信参数设置好波特率、数据格式。（3）在串口调试助手界面，依次输入站地址—功能码—起始地址—元件个数，点击校验按钮，将自动生成CRC校验码。点击发送，即向被监控设备发出指令请求，若通信成功，将收到响应帧，响应帧的格式如下，地址—功能码—读取的元件个数—读取到的数据1-读取到的数据2-读取到的数据n—校验码，为了方便判断通信是否准确，建议读取母线电压。（4）经过步骤（3），已经搭建了通信的桥梁，接下来便是对变频器的预使用的功能进行逐一测试。
3.2.3 Modbus-RTU通信
经过上述Modbus-RTU调试，被控设备的设置已经满足要求。接下来只需按照被控设备的串口设置对PLC串口进行设置即可实现PLC与被控设备的Modbus通信。通信电缆采用屏蔽双绞线。PLC串口通信设置如图3所示。
4人机交互界面
为提高生产和管理效率，采用触摸屏控制，操控系统操作简单、控制直观。管理员可一人同时操控多个机组。监控各机组的工作状况、修改运行参数，发现故障及时处理。同时HMITOOL自带的历史数据显示器功能，能方便观察了解产生过的历史数据，为设备维护与检修提供依据。图4和图5是控制系统几个主要画面。
结语
本控制系统根据江西若水新材料科技有限公司的生产实际情况，综合运用了开关量的逻辑控制、模拟量控制、数据处理和Modbus-RTU通信，采用触摸屏，自动化程度高，实现一键启停功能，实现无机盐生产领域离心机的自动控制系统，界面友好，可同时显示全系统参数，同时在触摸屏界面上输入参数，操作简单方便，可视化程度高。有利于提高离心机的综合性能，降低现场使用难度，提高生产效率，让生产数据可追溯，有利于企业推行精益生产。该系统在江西若水新材料科技有限公司获得了应用，效果良好。
作者简介：温后珍（1982— ），男，汉族，江西永丰人，博士，副教授，研究方向：化工机械；栾仪广（1994— ），男，汉族，山东烟台人，硕士研究生，研究方向：化工机械。
