基于三菱PLC的固液分离机自动化控制系统设计

韩梦龙，齐自成，褚 斌，孙立刚，李寒松，高 亮

(山东省农业机械科学研究院，济南 250100)

基于三菱PLC的固液分离机自动化控制系统设计

韩梦龙，齐自成，褚 斌，孙立刚，李寒松，高 亮

(山东省农业机械科学研究院，济南 250100)

针对现有固液分离机自动化程度低的问题，设计开发了一种基于三菱FX系列PLC的固液分离机自动化控制系统。其人机界面为三菱触摸屏，通过采集并控制出料口的压力，利用步进电机调整出料口开合的大小，实现自动化出料，可精确控制挤出料含水率。

畜禽粪便；固液分离机；自动化；PLC

0 引言

一般畜禽粪便含水量超过80%，如直接堆肥，需要调节其含水量至65%左右[1-3]。固液分离机的功能是将固体与液体分离，即通过围绕压缩螺旋的筛网挤出液体，并将液体挤压出筛网。有3种常用的加压方法：①通过逐渐增加内螺旋轴的直径来实现；②减小螺距，实现压缩；③卸料口安装卸料锥。该设计易于调节排料口面积，可以根据需要调节挤出干料的水分含量[2]。

中机华丰(北京)科技有限公司开发研究的KP-250 螺旋挤压式固液分离机，采用液压驱动环隙出料装置[2]，利用连杆机构，通过杠杆原理实现刚性的出料口的大小开合动作，其自动化程度未见。目前市场上最多的产品是配重块式出料口装置，需要人工对出料口压力进行调整，自动化程度低且压力调整的误差范围较大，无法实现精确压力调整。

本文研制的基于三菱PLC的固液分离机自动化控制系统，在其出料口采用86全闭环高速伺服步进电机、两级减速的行星减速器与螺杆压簧机构连接，通过采集、设定、比较出料口的压力传感器数据来调整步进电机的正、反、停三位控制，实现对出料口压力的精确调整，保证挤出干物料的含水率。

1 固液分离机自动化控制系统组成

固液分离机自动化控制系统分为手动模式和自动模式，根据实际需要可以选择相应模式。系统主要由触摸按键系统、三菱PLC、步进电机系统、电源系统、压力传感器系统及三相异步电动机驱动系统组成，如图1所示。其中，驱动电源为380V，为主电机及强制喂料电机供电；控制按键为220V；开关电源为5、24、50V，为压力传感器系统及步进电机供电。

图1 控制系统框图Fig.1 Block diagram of the control system

1.1 触摸按键系统

为了防止触摸屏在工作过程中发生故障，固液分离机自动化控制系统中额外设计了一套对应的机械按键控制系统，同样可以完成手动、自动控制。触摸屏选用三菱GS2107-WTBD，如图2所示。图2中，人机界面中设置有手动模式菜单、自动模式菜单，可以设定压力上限、压力下限，界面上可以显示由压力变送器采集变换后的压力值。此外，人机界面中可以设置步进电机所需脉冲频率。自动模式下，设置好参数后，通过一键启动及一键停止按钮实现固液分离机的自动化运行；自动模式下，设置好参数后，可以独立控制步进电机、主电机及强制喂料电机的运行。

1.2 步进电机系统

步进电机驱动器为控制器与步进电机之间的桥梁。驱动器收到控制器发出的脉冲信号对脉冲进行分配和功率放大，然后去控制步进电机每一相线圈是否得电[4]。

步进电机的转向由脉冲分配到各相绕组的相序决定，转速与脉冲频率成正比。在非超载的情况下，电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数而不受负载变化的影响。脉冲的个数越多，电机转动的角度越大，脉冲频率越高电机的转速越快，但不能超过最高频率，否则电机力矩迅速减小，电机不转[5]。

图2 触摸屏手动、自动界面Fig.2 The manual、 automatic interface on touch screen

1.2.1 脉冲频率控制

在实验过程中发现，步进电机如果想实现高速启动，会出现堵转现象，与其最高启动频率息息相关，因此需要通过加速，将脉冲频率由最高启动频率加速到所需脉冲频率。本次选用86型步进电机，驱动器设置细分脉冲频率为1 000～4 000Hz为合理范围，实验时通过拨码开关设置为2 000Hz，所需脉冲频率设置为32 000Hz。

常用的原材料有：石灰石、白垩、黏土、页岩、铁矿石等。因矿石成分的不确定性，导致水泥中矿物组成变动性大，使水泥与外加剂不相容。

程序选用斜坡信号输出指令(RAMP)来实现脉冲频率加速，如图3所示。其中,D0为脉冲频率初始值，D1为脉冲频率最终值，D3为脉冲频率从D0加速到D1过程的当前值或最终值。K10为加速时间，本次设计加速时间为10个扫描周期。扫描周期设定值为20ms，因此本次加速时间为20ms×10=0.2s。当且仅当M88、M22同时为ON时，斜坡输出，D3=D1时，M8029置1[6]。

M88与M22的启动由图4脉冲频率赋值并启动程序实现置ON。本程序中，D0、D1分别由D200、D300赋值，也可在触摸屏中自由设置(见图2)。

图3 RAMP斜坡信号输出Fig.3 Ramp signal output of RAMP

图4 脉冲频率赋值并启动Fig.4 The pulse frequency is assigned and started

1.2.2 电机转向控制

在三菱FX2N型PLC中，为了和标准的步进电机驱动器配合使用，在其内部专门设计了一条速度及位置控制指令(PLSY)[7],可以输出两路脉冲，指定脉冲输出元件号(Y0或Y1)，分别控制两台步进电机，如图5所示。图5中，选择Y0为脉冲输出口，Y2口为步进电机转向输出口。默认Y2不启动的情况下步进电机为正向输出；反之，Y2导通时为反向输出。PLSY指令中D3为指定脉冲频率，与RAMP斜坡信号中D3为同一值(见图3)。K0为指定产生脉冲的数量，本次选择K0的目的是让步进电机驱动器持续产生脉冲；如果不选择K0值，选其他任意整数值时，可用于位置控制；步进电机指定脉冲数输出完后，指令执行完成标志M8029置1。切记PLSY指令在程序中只能使用一次，且只能用于晶体输出型PLC[7]。

图5 步进电机转向控制Fig.5 The stepper motor steering control

1.3 压力传感器系统

压力传感器系统为固液分离机出料端的核心。设备选用压力传感器采集出料口处物料与压力传感器之间的压力模拟信号，不同的压力对应不同的物料挤压含水率数值[2]：压力过小，挤出料含水率偏大，无法达到理想效果；压力过大，物料无法被挤出。本设备在综合考虑以上因素后，既要减小挤出料含水率，又要兼顾物料顺利出料，因此在物料喂入口添加立式螺旋强制喂入系统。

压力传感器采集模拟信号，由压力变送器处理后以4～20mA模拟信号发送至FX2N-2AD模数转换器。PLC数据采集程序按照FX2N-2AD标准程序执行。压力采集如图6所示。图6中，特殊辅助继电器M8000上电运行，开始采集压力读数，采集到的压力值为0～4 000的数字值信号[8-9]，需要通过公式转换。为防止数字值不稳定，采用取平均值方式完成数据处理过程，平均值累计次数为30次。

图6 压力采集Fig.6 Pressure collection

1.3.2 压力与步进电机联合控制

控制挤出料的含水率，需要一个范围来实现，既要有压力上限，又要包括压力下限。采集压力在设定压力区间内，步进电机停止脉冲输出；超过压力上限，步进电机启动反转程序；低于压力下限，步进电机启动正转程序。

区间比较与步进电机控制如图7所示。图7中，选用FX2N型PLC提供的区间比较指令(ZCP)，将处理后的平均压力值与压力上下限进行比较，实现对步进电机正、停、反三位控制。ZCP指令中，当M0自动置ON时，执行下述过程：

①D110

②D205≤D110≤D207时，M4为ON，步进电机停止；③D110>D205时，M5为ON，步进电机反转。

图7 区间比较与步进电机控制Fig.7 Interval Comparison and Stepping Motor Control

2 固液分离机试验

2.1 试验条件及结果

试验选用干清牛粪作为原料，初始含水率为69.3%，试验过程通过调整设置压力上下限来控制挤出物料含水率，来验证不同挤压力下对挤出物含水率的影响[10-12]。实验共分4组进行压力范围调整，每组实验重复进行3次，每次实验共用干清牛粪50kg，试验数据如表1所示。

表1 试验数据

2.2 试验结果分析

通过对比表1中试验数据可知：随着压力增大，挤出料含水率逐渐减小，生产率减小。基于三菱PLC的固液分离机自动化控制系统可以实现干清牛粪时固液分离，且挤出料含水率可调，设备运转正常，满足自动化要求，设计可靠。

3 结论

1)本文设计的基于三菱PLC的固液分离机自动化控制系统，以干清牛粪为对象进行实验，挤出料含水率在45%～60%之间。通过调整出料口压力，可以实现含水率的自动调整，满足自动化需求。设备控制系统的自动、手动按键可以与生产线控制柜中的输入口并联，与其他设备配套，实现自动化畜禽粪便等的固液分离。

2)本机控制系统可以追加其他在线检测手段，实现更加智能化、数据化处理。本系统还有待开发完善，后续将通过对不同物料的实验(包括各类动物粪便、干湿度、压力、水分含量等)，采集大量数据，建立数据库，通过触摸屏菜单式选择合理精确的压力范围，实现更加精确化控制。

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ID:1003-188X(2018)02-0212-EA

Design of Automatic Control System of Solid-Liquid Separator Based on Mitsubishi Company's PLC

Han Menglong, Qi Zicheng, Chu Bin, Sun Ligang, Li Hansong, Gao Liang

(Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences, Jinan 250100, China)

Abstract： Aimed at the low degree of automation of the existing solid-liquid separator, a kind of automatic control system of solid-liquid separator based on Mitsubishi FX series PLC is designed and developed.The man-machine interface is Mitsubishi touch screen.By adjusting and control the pressure of the discharge port, the opening and closing of the size of the material to achieve automatic material,to achieve precise control of water content of extruded material.

livestock manure; solid-liquid separator; automatic; PLC

2016-11-18

山东省科技发展计划项目(2015GNC112002)；国家重点研发计划项目(2016YFD0800604)；山东省农业科学院农业科技创新工程项目(CXGC2016B13)；山东省现代农业产业体系牧草创新团队项目(SDAIT-23-11)

韩梦龙(1989-),男，济南人，硕士研究生，(E-mail)724607164@qq.com。

齐自成(1967-)，男，山东临沂人，研究员，(E-mail)qizcheng@sina.com。

S24；TH122

A

1003-188X(2018)02-0212-04