謝 鯤，臺立鋼，于慎波

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，上海 201418；2.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽 110870)

全自動過濾器控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

謝 鯤1，臺立鋼2，于慎波2

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，上海 201418；2.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽 110870)

針對目前市場上現(xiàn)有的篩網(wǎng)過濾器控制系統(tǒng)體積較大、價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)，開發(fā)出一款低成本、集成度高并且具有手、自動沖洗和故障報(bào)警等功能的嵌入式專用控制器，該控制器與多個(gè)傳感器相互配合組成控制系統(tǒng)。具有體積小、集成度高、智能化的特點(diǎn)。 本文闡述了控制器的硬件電路部分設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)構(gòu)成及控制邏輯等。

可編程邏輯控制器；數(shù)字信號處理器；脈寬調(diào)制；過濾器；自清洗；控制器；控制系統(tǒng)；智能控制

1 前言

目前市場上篩網(wǎng)過濾器的控制系統(tǒng)低端產(chǎn)品多以繼電器、接觸器組成的控制系統(tǒng)為主，高端產(chǎn)品主要以PLC作為主控單元。PLC的控制功能非常強(qiáng)大，但是基于PLC開發(fā)的控制系統(tǒng)往往體積較大，價(jià)格較高，通用性太強(qiáng)不利于軟件的保護(hù)。國內(nèi)外還有少數(shù)一些廠家生產(chǎn)專用控制器，由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，通用性不強(qiáng)，各家產(chǎn)品形式各樣，后期的維護(hù)和更新非常不便，另外功能也相對單一，用戶無法實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的設(shè)置和調(diào)整。

為此本文首先分析過濾器控制過程所需完成的任務(wù)、流程、方式以及功能，在此基礎(chǔ)上研制開發(fā)一種以DSP為核心的具有很強(qiáng)通用性的控制器，進(jìn)而組成控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)體積小、重量輕、能大大降低生產(chǎn)成本，同時(shí)具有一定的安全性。它可以依靠檢測過濾的料液壓力，提供控制信號，在運(yùn)行過程中清洗過濾元件，精度可調(diào)節(jié)，適合于工業(yè)生產(chǎn)[1～4]。

2 過濾器結(jié)構(gòu)及工作原理

篩網(wǎng)過濾器主要由濾筒、不銹鋼楔形濾網(wǎng)、電機(jī)、減速器、壓力變送器、控制箱和氣動閥等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。流體由入口流進(jìn)，經(jīng)隔板上的孔流進(jìn)濾芯，濾芯在隔板上圍繞傳動軸按圓周均布，經(jīng)濾網(wǎng)過濾后，雜質(zhì)留在網(wǎng)內(nèi)壁。當(dāng)濾芯污染達(dá)到一定程度時(shí),過濾能力降低，當(dāng)壓差或時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí)，由控制器發(fā)出指令，電動機(jī)帶動不銹鋼雙曲線柔性刮刀旋轉(zhuǎn)，將雜質(zhì)清理出來，電動排渣閥打開，過濾器上部的清水反向流過濾芯,將附著在濾芯內(nèi)壁的固體顆粒經(jīng)排渣反沖管排出。反沖洗管在傳動軸的帶動下,依次經(jīng)過各濾芯位置,完成沖洗過程。當(dāng)進(jìn)出口壓力差減小到規(guī)定值時(shí),電動排渣閥關(guān)閉,傳動軸停止轉(zhuǎn)動[5,6]。

圖1 過濾器結(jié)構(gòu)示意

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制單元

控制器采用TMS320F2812作為控制單元，負(fù)責(zé)運(yùn)算、比較、控制。這是一款32位高性能定點(diǎn)處理器，片內(nèi)資源集成非常豐富，其中包含flash、RAM、標(biāo)準(zhǔn)通信口SPI以及eCAN，可以方便地實(shí)現(xiàn)與外設(shè)的通信。另外，F(xiàn)2812內(nèi)部還存在一個(gè)采樣速率達(dá)到12.5 Msps的ADC轉(zhuǎn)換模塊，它可以進(jìn)行12位精度的數(shù)據(jù)采樣。

刮刀電機(jī)采用的是具有伺服控制功能的伺服電機(jī)，控制器驅(qū)動伺服電機(jī)控制器的PWM信號，圖2為一路PWM信號(輸出腳19)的連接，在此，GAL芯片的作用是可根據(jù)需要調(diào)整幾路驅(qū)動信號的順序，并易于實(shí)現(xiàn)輸出的控制，在發(fā)生故障時(shí)可以及時(shí)封鎖輸出信號。

圖2 PWM電路

電路在設(shè)計(jì)過程中采取了一些改進(jìn)措施來抗干擾。首先通過繼電器加反向續(xù)流二極管,IC芯片兩端加高頻去耦電容等方法來抑制干擾源。在可能存在的干擾傳播途徑上采取增加隔離光耦，切斷高頻噪聲的辦法。另外，增加敏感元器件的抗干擾性能，布線時(shí)減小回路面積，閑置I /O口接地，使用電源監(jiān)控和看門狗電路。對于傳感器可能引入的干擾，采取在探頭和測量地之間接幾百到幾千皮法的電容，可以基本上克服外部引入的干擾問題[7,8]。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)過濾器自動控制系統(tǒng)的電氣控制要求，系統(tǒng)設(shè)置如表1所示。

表1 電氣控制系統(tǒng)

由于1151DP5E 型差壓變送器主要用于測量氣體、液體等的壓力差，轉(zhuǎn)換信號也是標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號，因此系統(tǒng)中涉及到壓力測量環(huán)節(jié)的均采用1151DP5E型差壓變送器。為了隔離工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾等不利因素，采用SFP-1106 型配電器將反饋信號再次轉(zhuǎn)換成隔離的1～5VDC 或4～20 mADC 輸出，變送器的24 V直流電源也是由它來提供。通過對實(shí)測差壓值與預(yù)設(shè)差壓值的比較，可實(shí)現(xiàn)對過濾器反沖洗的控制，控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 過濾器控制系統(tǒng)組成

4 軟件設(shè)計(jì)

過濾器共有2種運(yùn)行狀態(tài)：過濾狀態(tài)和清洗狀態(tài)。在過濾狀態(tài)下，原液從入口進(jìn)入過濾器，經(jīng)過過濾的液體從過濾器中流出。過濾器的清洗是整個(gè)控制系統(tǒng)工作的重點(diǎn)，根據(jù)過濾器不同的工作情況和傳感器配置，設(shè)置了點(diǎn)動、定時(shí)、差壓和組合控制模式。

在有人值守的情況時(shí)，系統(tǒng)可以采用點(diǎn)動方式進(jìn)行控制，比較方便靈活。而在無人情況或者無需人員干預(yù)的時(shí)候，系統(tǒng)中設(shè)備的開關(guān)完全受程序控制，控制的時(shí)間可以通過人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)定，自動開啟清洗動作。這種方式可以在過濾器長期工作以后總結(jié)其自清洗動作規(guī)律來設(shè)定時(shí)間間隔，自動化程度較高。差壓方式中采集壓力經(jīng)過差壓變送器與預(yù)設(shè)壓力值ΔP做比較，如壓差超過預(yù)設(shè)值即輸出大于、等于信號，可使控制系統(tǒng)輸出控制信號，進(jìn)而過濾器開始自清洗，直到壓差小于預(yù)設(shè)值，自清洗結(jié)束。圖4(a)是過濾器的2臺壓力變送器加定時(shí)控制模式，圖4(b)是差壓變送器加出口壓力變送器加定時(shí)的組合控制模式[9～11]。

(a) 兩臺壓力變送器模式+定時(shí)模式 (b) 差壓變送器+出口壓力變送器+定時(shí)

圖4 控制流程

5 結(jié)語

本文分析了全自動自清洗過濾器組成及工藝流程，并介紹了控制系統(tǒng)的核心控制單元的設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。整個(gè)控制系統(tǒng)由控制器統(tǒng)一協(xié)調(diào)各設(shè)備之間的動作，對過濾器進(jìn)行有效控制和監(jiān)控，在完善的故障檢測及報(bào)警基礎(chǔ)上提高了系統(tǒng)安全性和可靠性。最終的試驗(yàn)結(jié)果表明，本控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，有效提高生產(chǎn)線效率，降低了工人的勞動強(qiáng)度，減少了生產(chǎn)成本。

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Automatic Control System of the Filter Design Improvements

XIE Kun1，TAI Li-gang2，YU Shen-bo2

(1.Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418,China;2.Shenyang University of Techhnology,Shenyang 110870,China)

Aiming at the existing mesh filter control system on the market volume is larger,the shortcomings of expensive,to develop a low cost,high integration and has the function such as hand control and fault alarm,automatic special embedded controller,the controller of control system in conjunction with multiple sensors.Has the characteristics of small volume,high integration and intelligent.This paper expounds the hardware circuit of controller part design,control system structure and control logic,etc.

PLC;DSP;PWM;the filter;self cleaning;the controller;control system;intelligent control

1005-0329(2017)02-0050-03

2016-06-22

2016-12-30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175350)

TH6;TV36

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.011

謝鯤(1976-)，男，講師，博士，主要從事控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及算法的研究，通訊地址：201418 上海市海泉路100號 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，E-mail:mrxk2000@163.com。