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唐山工业职业技术学院自动化工程系 08机电15 杨杰 毕业设计说明书

唐山工业职业技术学院

毕业设计说明书

设计题目： 板框压滤机电气控制系统PLC设计
学生姓名： 杨杰 班级 08机电15
专 业： 机电一体化技术
设计指导教师____ 王震生 _________
设计辅导教师 _ 王震生 __ _______

（完成日期） 2011 年 4 月 17 日

前 言

随着全球能源 ,环保行业的迅猛发展 ,食品、药剂、生化、冶金、煤炭等行业高纯净、高品位的需求和经济全球化 ,过滤与分离机械工业越来越受到各国的重视 ,过滤与分离机械进入了高速发展的轨道，而压滤机是一种间歇性的过滤分离设备 ,主要进行固液两相分离操作 ,广泛用于化工、冶金、制药等行业。同时压滤机最大的优越性就是正压、高压压强脱水，比较传统的真空过滤机的压差大得多，因而滤饼水份低，能耗少，金属流失少，滤液清澈透明。但是压滤机液压系统也存在液压传动能耗高、噪声高和漏油等缺点 ,我们必须加以改进才能适应环保和可持续发展的要求 ,提高其与电气、机械传动的竞争力。
本文介绍了采用PLC控制板框压滤机压滤机的设计方法。分析了系统的工作原理 ,详细说明了 PLC的 I/ O地址分配和程序梯形图的绘制 ,介绍了实用的抗干扰措施。这种控制方法大大提高了系统的自动化程度和设备的生产效率 ,具有较大的推广价值。

目 录

1 压滤机 1
1.1 压滤机的起源及发展 1
1.2 压滤机简介与分类 2
1.3 压滤机的结构 2
1.4 压滤机工作原理 4
2 板框压滤机的控制要求 4
2.1 电气控制系统 4
2.2 系统各部分控制要求 4
2.3 动作顺序和系统各部分的关系 5
3 板框压滤机控制系统的设计 6
3.1 控制系统主电路的设计 6
3.2 应用液压系统的设计 7
3.3 PLC外部接线图 7
3.4 PLC选型 9
3.5 变频器的选用 9
3.6 继电器的选型 9
3.7 电感式位置传感器 10
3.8 系统顺序功能图设计 10
3.9 系统程序 14
总 结 17
参考文献 18

1 压滤机
1.1 压滤机的起源及发展
1.1.1 压滤机的起源
在19世纪初期，由于德国人酷爱饮酒，酒类供不应求，当地某酒类制造商为了加快酒的压榨和过滤，发明了世界上第一台板框式压滤机，大大的加快了工作效率，提高了压滤质量。一直延续到今天，压滤机已经成为工业生产和应用中很重要的设备。
1.1.2 压滤机的发展
第一代压滤机，它适用于高灰分、细粒度、高粘度的煤泥和尾煤的脱水，也适用于精煤的脱水。产品的水分约为20%～22%,滤液浓度为0.1～0.03g/l。但它还有不足之处主要表现在4个方面：处理能力小、间歇生产、压滤时间长；机体笨重、占用空间大；操作复杂、操作成本高；滤布耗量高、滤板寿命短、维修量大。
第二代压滤机，其最主要的特点是滤板的改变。这种新滤板形成滤室，厚度是可以变化的，该滤板称为薄膜滤板。这种新型压滤机的工作过程与第一代压滤机的不同之处是在“压滤过程”结束后，被挤压到滤板表面上的橡胶薄膜与滤板之间的给入压缩空气或水使橡胶薄膜鼓涨。这种工作过程称之为“挤压过程”。挤压脱水是滤饼脱水的有效方法，由于组成滤饼颗粒间有很多空隙，当滤饼受到挤压作用时，由于颗粒之间的位移和变形，使得滤饼内空隙变小而挤出部分滤液,从而降低滤饼的水分。在挤压过程中、开始、滤饼受挤压明显变形，随后滤饼变形明显下降，水分下降变得缓慢。排出滤液的多少，取决于对滤饼的挤压程度。由于橡胶薄膜的收缩，也提高了卸饼的能力。
美国丹佛撒拉公司研制的VPA型压滤机是第三代压滤机的代表。到目前为止该机已有10余台在各种行业应用。与第二代压滤机相比，它有以下不同。
（1）滤板：大多采用钢制滤板，经过长期运转比较，钢芯的滤板尽管成本高，但坚固耐用。
（2）卸料装置：为了加快卸料的过程，开启装置一次打开一组滤板，为了卸料，还增加了专门的振动装置。
（3）过滤压力加大：一般情况下，它的过滤压力为0.8～1Mpa。
（4）增加了“吹气过程”：在“挤压”滤饼后增加了“吹气过程”，这是第三代与第二代压滤机最明显的不同。
1.1.3 压滤机的发展趋向
新型APN压滤机的出现必将把压滤机的发展、制造和使用推到一个新的水平，它将给设计部门提供合适的选择，给现场的技术改造提供理想可靠的设备。大胆地设想，今后压滤机将沿着以下4点继续完善。
（1）将多种固液分离及脱水的方法集于一身，在可能的条件下增加过滤、挤压、吹气的压力，用简单可行的调节产品水分的办法来满足用户的要求。
（2）采用本身结构简单、容积不大和重量较轻的压滤机，循环时间虽短，却有较高的处理能力。
（3）以最小移动空间的思想来设计工作部件，减少能耗，节约时间，减少维护，降低成本，并大大提高零部件的寿命。
（4）简单可靠的控制系统。
1.2 压滤机简介与分类
压滤机科技名词定义，中文名称：压滤机,英文名称：pressure filter 定义：在过滤介质一侧施加机械力实现过滤的机械。压滤机在18世纪初就应用于化工生产，至今仍广泛应用于化工、制药、冶金、染料、食品、酿造、陶瓷以及环保等行业。压滤机由多块滤板和滤框叠合组成滤室，并以压力为过滤推动力的压滤机。压滤机为间歇操作，有板框压滤机、厢式压滤机和立式压滤机3类。过滤板具有性能稳定、操作方便、安全、省力，金属和塑钢滤板精铸成型，耐高温、高压、经久耐用。在这里我以板框压滤机为例子做下面的介绍。
1.3 压滤机的结构
1.3.1 机架
机架是压滤机的基础部件，两端是止推板和压紧头，两侧的大梁将二者连执着起来，大梁用以支撑滤板、滤框和压紧板。为了满足高级卫生需要，机架需要包上不锈钢。
（1）止推板：它与支座连接将压滤机的一端坐落在地基上，板框压滤机的止推板中间是进料孔，四个角还有四个孔，上两角的孔是洗涤液或压榨气体进口，下两角为出口（暗流结构还是滤液出口）。
（2）压紧板：用以压紧滤板滤框，两侧的滚轮用以支撑压紧板在大梁的轨道上滚动。
（3）大梁：是承重构件，根据使用环境防腐的要求，可选择硬质聚氯乙烯、聚丙烯、不锈钢包覆或新型防腐涂料等涂覆。
1.3.2 压紧机构
压紧机构有三种压紧方式：手动压紧、机械压紧、液压压紧。
手动压紧：是以螺旋式机械千斤顶推动压紧板将滤板压紧。
机械压紧：压紧机构由电动机（配置先进的过载保护器）减速器、齿轮付、丝杆和固定螺母组成。压紧时，电动机正转，带动减速器、齿轮付，使丝杆在固定丝母中转动，推动压紧板将滤板、滤框压紧。当压紧力越来越大时，电机负载电流增大，当达到保护器设定的电流值时，达到最大压紧力，电机切断电源，停止转动，由于丝杆和固定丝母有可靠的自锁螺旋角，能可靠地保证工作过程中的压紧状态，退回时，电机反转，当压紧板上的压块，触压到行程开关时退回停止。
液压压紧：液压压紧机构的组成由液压站、油缸、活塞、活塞杆以及活塞杆与压紧板连接的哈夫兰卡片液压站的结构组成有：电机、油泵、溢流阀（调节压力）换向阀、压力表、油路、油箱。
1.3.3 过滤机构
图1板框压滤机的结构示意图
过滤机构由滤板、滤框、滤布、压榨隔膜组成，滤板两侧由滤布包覆，需配置压榨隔膜时，一组滤板由隔膜板和侧板组成。隔膜板的基板两侧包覆着橡胶隔膜，隔膜外边包覆着滤布，侧板即普通的滤板。物料从止推板上的时料孔进入各滤室，固体颗粒因其粒径大于过滤介质（滤布）的孔径被截留在滤室里，滤液则从滤板下方的出液孔流出。滤饼需要榨干时，除用隔膜压榨外，还可用压缩空气或蒸气，从洗涤口通入，气流冲去滤饼中的水份，以降低滤饼的含水率。
1.3.4 滤布
图2压滤机的结构
滤布是一种主要过滤介质，滤布的选用和使用，对过滤效果有决定性的作用，选用时要根据过滤物料的PH值，固体粒径等因素选用合适的滤布材质和孔径以保证低的过滤成本和高的过滤效率，使用时，要保证滤布平整不打折，孔径畅通。板框压滤机由交替排列的滤板和滤框构成一组滤室。滤板的表面有沟槽，其凸出部位用以支撑滤布。滤框和滤板的边角上有通孔,组装后构成完整的通道，能通入悬浮液、洗涤水和引出滤液。

1.4 压滤机工作原理
压滤机用于固体和液体的分离。与其他固液分离设备相比，压滤机过滤后的泥饼有更高的含固率和优良的分离效果。固液分离的基本原理是：混合物流经过滤介质（滤布）固体停留在滤布上，并逐渐在滤布上堆积形成过滤泥饼。而滤液部分则渗透过滤布，成为不含固体的清夜。
2 板框压滤机的控制要求
2.1 电气控制系统
电气控制系统主要包括操作面板、显示面板、电气控制柜等单元。由于在该系统中需要检测较多的数字输入量并且还要检测模拟量的输入，根据设定的程序进行数据处理后，输出控制信号，因此系统的控制逻辑与时序就需要严格照检测信号的输入进行控制。
（1）操作面板。操作面板主要包括手动、自动、各类设备的启动按钮等。
（2）显示面板。显示面板由于要显示较多的数据，因此一般采用触摸屏或者人机界面。
（3）电气控制柜。电气控制柜是电气控制的核心设备，主要包括变频器、各类传感器的输入信号、PLC及其扩展模块等。
2.2 系统各部分控制要求
在这里我们选择液压压紧系统，液压压紧时，由液压站供高压油，油缸与活塞构成的元件腔充满油液，当压力大于压紧板运行的摩擦阻力时，压紧板缓慢地压紧滤板，当压紧力达到溢流阀设定的压力值时，滤板、滤框流阀开始卸荷，这时，切断电机电源，压紧动作完成，退回时，换向阀换向，压力油进入油缸的有杆腔，当油压能克服压紧板的摩擦阻力时，压紧板开始退回。液压压紧为自动保压时，压紧力是由电接点压力表控制的，将压力表的上限指针和下限指针设定在工艺要求的数值，当压紧力达到压力表的上限时，电源切断，油泵停止供电，由于油路系统可能产生的内漏和外漏造成压紧力下降，当降到压力表下限指针时，电源接通，油泵开始供油，压力达到上限时，电源切断，油泵停止供油，这样循环以达到过滤物料的过程中保证压紧力的效果。
控制系统以可编程序控制器plc为核心，通过各分散输入输出模块实施控制底层执行机构工控机对系统工作进行监控。系统分解成五个子系统四个系统：主机部分、动力源及润滑系统、供料系统、挤压水系统。如图2。

控制系统核心plc
工控机
信号模块
压滤机本体
挤压水系统
供料系统
动力系统
图2控制系统硬件分布

2.3 动作顺序和系统各部分的关系
挤压水系统
4压榨吹洗
压滤机工作时的动作顺序及在各部分动作时用到的系统，在图4中可以看出压力系统工作贯穿整个工作过程，从压紧滤板到松开滤板这个过程用的压力系统是液压压力系统在这个过程中液压压力系统从压紧滤板到松开滤板一直保持着一个压力值，在拉板和卸饼过程中用到的是变频器控制的取板小车实现的取板。
供料系统
动力系统
动力系统

2保压开始
1压紧滤板
3进料过滤

9待机循环

7拉板
6松开滤板
8拉板卸饼
5保压结束

动力系统
动力系统
动力系统
动力系统

图3压滤机的系统分析

3 板框压滤机控制系统的设计
压滤机的电气控制系统由拖动系统和控制系统两部分组成。目前压滤机设计使用可编程控制器（PLC），要求功能变化灵活、编程简单、故障少、维修保养方便、节能省工、抗干扰能力强、占地小。
可编程控制器可靠性好、使用方便和适应范围广而得到越来越广泛的应用。在该控制系统中，工艺过程、速度和工作压力主要的控制对象。针对系统中控制量较多，既有数字量又有模拟量，控制复杂的特点，整个系统的控制选用PLC来实现。通过对压滤机的机构和工作原理的分析，将控制系统分为闭合压滤机、进料、过滤、隔膜挤压、进料管吹洗、压力释放、打开压滤机和卸饼共九个控制步骤，控制系统的设计包括硬件设计和软件设计。
3.1控制系统主电路的设计
压滤机的电路分布主要以应用的电机为主进行电路设计的。在压滤机上有五个电机，两个应用在压滤机的液压系统油泵上，一个是控制滤板的压紧和松开另一个是控制泥斗的打开和关闭；有一个电机用于滤板的卸料进行往复的拉板动作；还有两个电机是用在进料泵和压榨泵上。五个电机的接线如图4。

图4 压滤机电机接线图

3.2应用液压系统的设计

在机组中液压的原理图可以从下图了解。如图5。

图5 压滤机液压系统设计

3.3 PLC外部接线图
本设计PLC外部接线图如图6所示。CPU226CN的传感器电源24V(DC)可以输600Mad电流，通过核算在本专业设计中PLC容量完全满足要求，CPU226CN的输出电器触点容量为2A，电压范围为5~30V(DC)或5~30V(AC)。

图6 PLCI/O接线图

3.4 PLC选型
根据工业污水处理系统的电气控制系统的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7—200系列PLC作为工业污水处理系统的电气控制系统的控制主机。由于工业污水处理电气控制系统涉及较多的输入输出端口，其控制过程相对复杂，因此采用CPU226作为该控制系统的主机。
CPU226在工业污水处理系统中使用的数字量输入点和输出点都比较多，因此除了PLC主机自带的I/O外，还需要扩展一定数量的I/O扩展模块。在此采用EM223输入/输出混合扩展模块。8点DC输入8点输出型。正好可以满足控制系统的I/O需求。
在该系统中，还需要采集模拟量并利用模拟量控制的功能要求，因此需要在扩展一个模拟量输入输出扩展模块。西门子公司专门为S7—200系列PLC配置了模拟量输入输出模块EM235，该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力，可满足控制系统的功能要求。
3.5 变频器的选用
MM420是西门子公司生产的通用型矢量变频器，性能稳定，质量可靠，功能齐全，方便使用。
该系统选用的变频器是西门子MM420变频器，具有多个继电器输出，具有多个模拟量输出（0~20 mA），2 个模拟输入：AIN1：0~10 V， 0~20 mA 和–10 至+10 V； AIN2：0~10 V， 0~20 mA，6 个带隔离的数字输入，并可切换为NPN/PNP 接线。该型变频器，具有能源利用率高的特点，优化了部分结构与功能，便于工作人员进行操作，实现功能强。它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。
可编程控制器plc和MM420变频器之间的通讯可有两种方式，这里采用串行通讯，采用串行通讯只需要一根双芯屏蔽电缆西门子专用，他大大减少了布线的数量，无需重新布线即可更改控制功能，可有通过串行接口设置和修改变频器的参数，还可以连续对变频器的特性进行监视和控制。
另一种是并行通讯，plc通过逻辑分析后发出控制信号如正反转高速中速点东爬行信号给变频器，变频器接受指令并且按照预先设定好的曲线拖动小车正常运行。
3.6 继电器的选型
在控制系统中，所有设备是根据控制面板上的按钮情况或者根据传感器的反馈值进行动作的，因此需要PLC根据当前的工作情况，以及按钮的情况来控制所有设备的启停，在此用到了大量接触器器。为此该系统选用施耐德SD-N21交流接触，其额定电压220V,额定电流9A。其特点有：高标准：符合IEC60947-4-1和GB14048.4标准。长寿命：机械寿命高达2000万次；电寿命高达200万次。强适应性：“TH”防护处理，可以在湿热的环境中使用。宽电压：线圈控制电压在70%-120%Uc之间波动，不影响产品正常工作。强通用性：具有50Hz-60Hz通用线圈，可以全世界通用。模块化：产品本体上可以附加辅助触头，通电/断电延时触头，机械闭锁等模块。也可以很方便地组合成可逆接触器、星-三角起动器。
3.7 电感式位置传感器
电感式位置传感器在工厂自动化系统中有广泛的应用，因为这种传感器有着令人满意的特性，同时不需要维护。其主要应用在机床伺服电机的转动检测、液压冲程的检测、工厂自动化相关设备的位置检测等。这种传感器还能够应用在很大的温度范围中，有很长的工作寿命、抗灰尘、水和油污的能力强，因此耐受各种环境条件及外部噪声。所以，这种传感器在工业应用中受到广泛的重视。

表1板框压滤机系统设计使用原件明细表
序号
名称
型号
数量（个）
1
渣浆泵
ZJL-A05
2
2
油泵
CB-B15
2
3
三相异步电动机
YDT160L-6
2
4
YEJ-2
2
5
Y801-2
1
6
PLC
S7-200-226
1
7
变频器
M420
1
8
热继电器
SD-N21
11
9
时间继电器
ZSJ8-A
2
10
电感式位置传感器
QB-F-PK5-CP
13
11
三位四通电磁换向阀
D1VW-8W
4
12
溢流阀
MRV-02
4
13
电磁球阀
ZBF-22Q
2
3.8 系统顺序功能图设计
通过对压滤机工作的详细分析和描述，可以知道，系统的自动运行时按照闭合压滤机、进料、过滤、隔膜挤压、进料管吹洗、压力完全释放、打开压滤机和卸饼共8个控制步骤一次完成，同时，系统还要求有报警和紧急停机的模式。系统工作如图7和图8。

无
无
无
无
无
无
无
自动运行
紧急停机
报警
报警输出
系统停止
无
无
有
有
有
无
系统返回中断点，继续执行
复位信号
图7系统工作状态流程图

自动运行开始
触发上位开关
进料
料腔压力达到某值
过滤
料浆总流量达到某值
隔膜挤压
设置时间到
进料管吹洗
设置时间到
打开压滤机
触发下位开关
卸饼
设置时间到
循环结束/新循环开始
否
否
否
否
否
否
否
是
是
是
是
是
是
是
是
自动运行开始
图8 板框压滤机的动作顺序

12

唐山工业职业技术学院自动化工程系 08机电15 杨杰 毕业设计说明书
图9程序流程图

3.9 系统程序

总 结
压滤机系统设计是一个比较有创意的毕业设计，它可以作为电气自动化专业的PLC、变频器相关课程的实验平台。让学者不仅了解了压滤机的工作原理更进一步对PLC、变频器相关的知识加深了学习。
时至今日，几个星期的毕业设计终于可以画上一个句号，但是现在回想起来做毕业设计的整个过程，颇有心得，其中有苦也有甜，不过乐趣尽在其中！尤其是根据与实践的结合，不仅让我对PLC和组态软件有了更深的了解，同时也增加连自己的动手实践能力，为以后的工作打下了基础。可以说毕业设计不仅是对所学知识是检验，也是对自己能力的一种提高。
本次毕业设计是在指导老师王震生的细心指导下完成的。从论文的选题到论文的完成，无不倾注着老师辛勤的汗水和心血。老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我受益匪浅，从尊敬的指导老师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。再次我要向我的指导老师致以最衷心的感谢和深深的敬意！其次还要感谢我的父母，他们为我的成长付出了辛勤的努力和汗水，给予了我世界上最崇高的、最伟大的爱。我所取得的进步和成绩他他们是分不开。最后，向所有关心和帮助过我的领领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意！

参考文献
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【4】赵芳主编.《基于PLC污水处理控制系统》.工业控制计算机.2006年04期.
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【7】西门子公司.《SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册》.
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【10】黄北岗主编.《化工设备电气控制电路详解》.化学工业出版社.2007年7月1日.

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