自清洗过滤器的plc控制系统 毕业设计

1 1 绪论

1.1 课题的来源及意义

随着人类环境和资源保护意识的增强，如何合理地利用水、降低污水对环境所造成的污染，己经越来越引起人们的重视。如何提高水的利用率，降低污水对环境造成的破坏，保护珍贵的水资源，对我们具有更加重要的现实意义。

工业生产和日常生活中所产生的废水，其实也是一种可再生的资源。如果能够通过一定的技术手段对其进行回收处理和再次利用，就能大幅提高水的利用效率，同时也是缓解淡水资源匮乏的有效途径。在水处理过程中，无论是原水净化还是污水的再处理，过滤始终是重要的环节，是对水进行深度处理的基础。

过滤的目的是去除水中的悬浮物、胶体杂质等，降低水的浊度和色度。工业上一般把原水水质分为四类:很差水质、较差水质、一般水质和优良水质，针对不同的水质，要采用不同的过滤手段和设备[1]。

我国过滤与分离机械，不论是大型化、高参数产品的开发，节能型、多功能设备的研制，还是传统设备的机械化、自动化、智能化水平的提高与完善，都与世界存在着十分明显的差距。

目前很多企业使用的仍然是传统的单向流通过滤器，这种过滤器在过滤持续过程中，液体内的固态杂质被过滤元件截留在表面，逐步沉积，导致过滤元件两端压力差增大，过滤的效率随之下降。

为了克服上述缺点，近年来国内外开发研制了具备自清洗功能的过滤器。这种过滤器不仅占地面积小，而且可以在不打断过滤连续性的同时，对过滤元件进行清洗，自动化程度较高，节省了人力资源，使过滤效率大大提高[2]。

1.2 自动清洗过滤器国内外发展状况

自清洗过滤器的发源地是以色列，源于以色列属于极度缺水的国家。以色列被迫开发了多样化的水资源管理技术和节水新技术。他们首先发明自清洗过滤器并用于农业喷灌、滴灌并逐渐发展到工业及各行各业。

以色列的自清洗过滤器目前已在世界80多个国家和地区广泛应用。美国依靠先进的科学技术也发展了多种自清洗过滤器，有影响的公司有:美国欧锐公司、美国全自动过滤器公司、美国施罗德工业公司和美国RPA工艺流程技术公司[3]。

自动清洗过滤器，又称为自动清洗式管道过滤器，它突出的优点是体积小，造价低、技术水平高、使用方便，可直接装置在管道上。在冶金行业的循环水系统中，自动清洗过滤器的应用日趋广泛，我国近期引进的连铸、高炉、热轧用水系统各种加热炉、乳化剂系统以及封闭的水循环系统，大量采用了具有V型断面缝隙式自动清洗过滤器。

自清洗过滤器根据清污方式分为如下几种：吸污式自清洗过滤器、刷(刮)式自清洗过滤器和反冲洗式自清洗过滤器。 2 我国自行研制成功多种新型V型断面的缝隙式过滤网筒，使我国的自动清洗过滤器设计制造技术步入了一个新的水平。其主要技术指标和参数均达到了国外同类产品水平，正广泛应用于我国的冶金、石油、化工、食品、制药、造纸、制糖、化纤、供水厂、热电厂、海水、自来水源等行业[4]。

1.3 自清洗过滤器控制系统的特点

在用PLC设计的过滤器全自动控制系统中，设备工作过程由专用的PLC控制器控制，过滤、冲洗状态之间能够自动切换。控制系统反应灵敏，运行精确。由于控制系统采用PLC控制使得功能改变变得简单，能够随时按客户的要求改变功能，可操作性强，并且清洗高效、彻底，系统可恢复性强。该系统还具有结构设计紧凑合理，占地面积小，安装灵活方便等优点。它具有以下几个特点：

（1）全自动过滤器采用标准模块化，处理能力强，占地小。过滤器采用时间或压差方式进行控制，实现全自动运行。

（2）全自动过滤器工作过程由专用的PLC控制器控制，工作、反洗状态之间自动切换，不需人工干预。

（3）全自动过滤器使用寿命长。新型过滤元件坚固、无磨损、无腐蚀、极少结垢，经多年工业实用验证，使用数年也没有磨损，不会老化，过滤和反洗效果不会因使用时间而变差。

（4）全自动过滤器质量高，维护量少。其使用不需专用工具，零部件很少，易于使用，仅需定期检查，几乎不需日常维护[5]。

1.4 本文主要工作内容

综述过滤技术、过滤设备的现状以及发展趋势，并对具体的自动清洗过滤器的控制系统做详细介绍，得出本文研究的意义所在。

介绍全自动自清洗过滤器开发设计的方案，包括过滤器的工作原理、主要组件和过滤器的控制系统，最终确定本文使用的自清洗过滤器控制系统的主要组件型号及参数。

根据PLC的基本结构和工作原理，对过滤器控制系统进行设计分析，具体分析设计自清洗过滤器的硬件系统和软件系统。

最终设计一套，以PLC作为控制主机的过滤器自动控制系统，完成可人工、自动切换，功能扩展方便的控制方案，绘制过滤器启动、运行、自清洗(反冲洗)、停机的控制梯形图。最后模拟实验调试程序，验证控制系统的可行性。 3 2 自清洗过滤器的原理与结构

2.1 自清洗过滤器的结构及工作原理

2.1.1 过滤机理

过滤是从流体中分离固体颗粒的过程。其基本原理是：在压强的作用下，迫使流固体两相混合通过多孔介质(过滤介质)，固体颗粒则截留于介质上，从而达到液体与固体分离的目的[6]。

2.1.2 自清洗过滤器工作原理

自清洗过滤技术是一种20世纪70年代末期发展起来的新型过滤技术，其最主要的优点是可利用水压自我操作、自我清洗，且清洗时不停止过滤。

最简单的过滤方法就是让液体通过滤网，除去滤网上泥层最简单的方法就是反洗。经验告诉我们，这种反洗虽然可以去掉滤泥，但是有缺点:

（1）很快就形成滤层，滤网两侧出现压差，过滤放慢；

（2）反洗用水量大，且洗不彻底；

（3）反洗时必须停止过滤，不能连续。

自清洗过滤原理示意图，即一个最简单的过滤器，但增加了一根排泥管和一个阀门，阀门通大气，另一端接近滤网泥层。

由图2-1所示，P1>P2 时，正常过滤，滤渣随之附着在滤网上，使得内外压差逐步增大。当P1、P2 压差大于预设压差值时，打开阀门，由于P2>P0，排污管口的滤渣被过滤水反冲并随排污管排出。这样就可以实现滤网的反冲洗，而与此同时，过滤过程仍正常进行。

图2-1 自清洗过滤器原理示意图

P1—入水压力 P2—出水压力 P0—大气压

4 2.1.3 自清洗过滤器结构及工作流程

根据以上介绍的过滤原理，设计开发的全自动自清洗过滤器结构简图如图2-2 所示。

图2-2 全自动自清洗过滤器结构简图

1 — 粗滤网；2 — 弹簧； 3 — 支撑筒；4 — 吸污组件； 5 — 筒身

6 — 细滤网；7 — 液动转子；8 — 排污口；9 —出水口；10 — 入水口

该过滤器的工作原理如下：待过滤水从入水口(10)流入过滤器，经过粗滤网(1)初滤后，再通过细滤网(6)过滤，流向出水口(9)。当脏污聚在细滤网的内面时便形成压差，达到预定值时，由冲洗控制器打开冲洗电子阀门，产生一股很强的反冲洗水经排污口(8)流向大气。这种反冲洗可以在吸污组件(4)上产生一股吸力，清洁吸污嘴相对的细滤网面。

反冲洗水经过排污管，再通过液动转子(7)流向冲洗阀门，带动整个吸污组件与吸污管转动。由于过滤器工作压力大于阀门外大气压，足以推动液动转子带动吸污管轴向运动。轴向与旋转运动相结合，便可确保吸污嘴清扫到整个过滤网面。

当细滤网内外压差低于预定值，冲洗完成，吸污组件和吸污管由粗过滤一端弹簧拉回到原来位置，完成一次自清洗过程。整个冲洗时间约为10-15秒 [7]。

2.1.4 自清洗过滤器性能参数及整体结构

本文以北京沃特瑞环境保护技术有限公司生产的F-MAXXP"线上式自动反冲洗过滤机为样机，设计一台工作压力0.6Mpa，预计处理量为120m3/h的全自动自清洗过滤器。

F-MAXXP"线上式自动反冲洗过滤机不用外来能源，即不用电，不用气，只要管道中有水流动即可进行过滤，是传统过滤器和砂滤设备的替代品，过滤过程大体分为3个过程：粗滤、细滤和反冲洗 [6] 。其工作特点与本文介绍的自清洗过滤原理和工作流程相同。

（1）过滤元件

过滤元件采用烧结滤网或双层金属滤网，精度可以根据料液过滤的工艺要求调整，用5 环向纵向压条固定在内筒上，保证了最大过滤面积，而且具有足够的抗变形的刚度和强度。本文选择不锈钢金属滤网作为过滤元件。

（2）自清洗装置

自清洗装置是由吸污组件和吸污管密封连接组成，在液动装置驱动下做旋转以及轴向运动，配合细滤网内筒长度，将细滤网整体扫描，全面完成自清洗。吸污嘴采用柔性硅胶材料，对滤网上难以冲洗的滤渣进行刮擦，自清洗效果更好。

（3）驱动装置

利用滤液自身液压能转化为机械能，驱动液动转子做旋转运动，并同时依靠滤筒与排污口外部压差推动液动转子做轴向运动，从而带动实现自清洗装置的旋转和轴向运动。

（4）执行模块

执行模块完成调整过滤单元工作状态的任务。在进水口，排污口和反冲洗口各装有一个电动球阀，电动球阀的开关状态可由PLC控制。通过改变这三个电磁阀的开关状态，达到改变过滤工作状态的目的[7]。

2.2 自清洗过滤器控制系统的结构

自清洗过滤器的控制系统总框图如图2-3所示，本系统由可编程逻辑控制器（PLC）为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、以及各类传感器的输入，控制对应通过对球阀的开关。并利用滤液自身液压能转化为机械能，驱动液动转子转动完成过滤器的启动、停止和自清洗控制。

同时该控制系统还具有自清洗次数、压差值显示及超时报警功能。全自动控制采用三种方式：

(1) 压差方式：当滤网内外压差超过预定值时，由压差控制器输送一个信号给控制系统，过滤器开始自清洗，直至检测到吸污管与过滤筒壁相接触，自清洗结束。

(2) 定时方式：根据介质情况以及生产需要设定自清洗时间，每隔预定时间自清洗完成一次。

(3) 点动方式：按下点动按钮时，控制系统要求过滤器自清洗一次。此控制方式根据具体的工作情况而定，灵活方便[7]。 6

图2-3 自清洗过滤器的控制系统总框图

2.3 自清洗过滤器控制系统开发环境

2.3.1 STEP7—Micro/WIN32编程软件介绍

根据自动过滤器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，本文选择西门子S7—200系列PLC作为自动过滤器系统的控制主机。，编程软件采用西门子公司为S7-200系列PLC开发的STEP 7—Micro/WIN32作为编程软件。它是基于Windows的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。

STEP 7是一种用于对SIMATIC可编程逻辑控制器进行组态和编程的标准软件包。它是SIMATIC工业软件的一部分。STEP 7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。在STEP 7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和Win AC的数据。实现STEP 7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP 7中。STEP 7-Micro/WIN窗口界面如图2-4所示[8]。

可编程逻辑控制器PLC 操作面板

进水口球阀压力传感器输入

吸污管位移传感器输入 细滤网内外侧差压变送器输入

显示面板 进水口球阀